CN108797898B - 用于frp筋的复合式连接器及其组装方法 - Google Patents
用于frp筋的复合式连接器及其组装方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于FRP筋的复合式连接器及其组装方法，包括：钢套筒，其内壁上设置有内壁螺纹；所述钢套筒的外壁上缠绕设置有纤维布；所述钢套筒上设置有通向内壁的多个螺栓孔；多个螺栓孔内匹配连接有六角头螺栓；其中，两段FRP筋放置在钢套筒内，并通过拧紧六角头螺栓固定两段FRP筋；所述两段FRP筋位于螺栓孔的位置上环贴有弧形软金属垫片；所述钢套筒的两端可拆卸有不锈钢螺堵；所述钢套筒的内壁与FRP筋之间灌注设置有粘结胶。本发明的连接器结构简单、设计合理、实施方便，可普遍应用于工程中；本发明在钢套筒里灌胶，用以粘结筋材与钢套筒，在套筒外使用螺栓锚固，使得连接器与筋材的粘结更加牢固，对于筋材的连接更有利。
Description
技术领域
本发明属于土木工程FRP筋混凝土结构领域，特别是涉及一种用于FRP筋的复合式连接器及其组装方法。
背景技术
纤维增强复合材料(FRP)具有抗拉强度高、质轻、耐腐蚀、热膨胀系数与混凝土接近等优点，自问世以来在土木工程领域得到了广泛的认同和应用，并逐渐成为该领域的研究热点。FRP筋的生产工艺主要是通过纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂等基体材料拉挤而成，具有热固性。由于热固性基体材料分子结构受热易分解，且FRP筋抗剪强度低，本身质脆，所以热固性FRP筋弯折后易发生纤维剪断和应力集中现象，成型后不能随意改变其形状。由于运输、生产条件的限制，从工厂生产出来的钢筋及FRP筋的长度均是有限的，而实际工程中要求的筋材长度往往很长，加之工程现场的实际情况非常复杂，因此FRP筋材在使用中将不可避免地遇到连接问题。对于钢材传统的连接方法如：焊接、机械连接对FRP筋均不适用。因此FRP筋在加工制成各种施工需要的成品时存在瓶颈，需要一种用于FRP筋连接的装置来进一步发挥FRP的价值。开发出安全、经济、实用的连接体系是研究FRP筋混凝土结构的前提条件，是将FRP筋推向市场、应用到实际结构的关键之一。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于FRP筋的复合式连接器，包括：
钢套筒，其内壁上设置有内壁螺纹；所述钢套筒的外壁上缠绕设置有纤维布；所述钢套筒上设置有通向内壁的多个螺栓孔；多个螺栓孔内匹配连接有六角头螺栓；
其中，两段FRP筋放置在钢套筒内，并通过拧紧六角头螺栓固定两段FRP筋；所述两段FRP筋位于螺栓孔的位置上环贴有弧形软金属垫片；所述钢套筒的两端可拆卸有不锈钢螺堵；所述钢套筒的内壁与FRP筋之间灌注设置有粘结胶。
优选的是，所述纤维布为双向碳纤维布、芳纶纤维布、高强玻璃纤维布、玄武岩纤维布中的任意一种。
优选的是，所述纤维布为多层纤维布结构，所述多层纤维布结构从内到外依次为双向碳纤维布、芳纶纤维布、玄武岩纤维布和双向碳纤维布；所述多层纤维布结构的各层纤维布之间涂覆环氧树脂胶。
优选的是，所述双向碳纤维布的厚度为0.12～0.15mm、芳纶纤维布的厚度为0.18～0.22mm、玄武岩纤维布的厚度为0.15～0.18mm。
优选的是，所述六角头螺栓上套设有螺栓垫圈；所述不锈钢螺堵上套设有螺堵垫圈。
优选的是，所述钢套管的夹角可设置为30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°中的任意一种。
优选的是，还包括，多个预紧套，其内壁涂覆环氧树脂胶后均匀套设在FRP筋上；多个所述预紧套为弹性橡胶套；多个所述预紧套的外表面设置有多圈凸棱。
本发明还提供一种上述的用于FRP筋的复合式连接器的组装方法，包括以下步骤：
步骤一、将FRP筋与六角头螺栓接触的部位延一定长度环贴弧形软金属垫片；
步骤二、待弧形软金属垫片粘紧后，将两段FRP筋分别从钢套筒两端口处***，并转动FRP筋调整弧形软金属垫片的位置；使两段FRP筋的端部位于钢套筒中部，使两段FRP筋的***长度一致；并在两端各一螺栓孔处拧上一颗套有螺栓垫圈的六角头螺栓以固定筋材防止其滑动；
步骤三、在不锈钢螺堵上套设螺堵垫圈，将两个不锈钢螺堵螺堵分别穿过两段FRP筋，旋上不锈钢螺堵使之与钢套筒紧密相连；并封堵两个不锈钢螺堵处的缝隙；
步骤四、将粘结胶从螺栓孔灌入，直至灌满；
步骤五、在剩余的多个螺栓孔处依次拧上六角头螺栓和螺栓垫圈，再依次逐步拧紧；
步骤六、擦去多余的粘接胶，在25℃左右的环境中静置养护，得到用于FRP筋的复合式连接器。
优选的是，所述步骤二中，待弧形软金属垫片粘紧后，将多个预紧套均匀套设在FRP筋上；多个所述预紧套为弹性橡胶套；多个所述预紧套的外表面设置有多圈凸棱。
优选的是，所述步骤四中，粘结胶的制备方法为：按重量份，在超临界装置中加入30～40份环氧树脂、20～25份氨丙基三乙氧基硅烷和0.3～0.8份三乙胺，在装置密封后通入二氧化碳至25～40MPa、温度50～60℃的条件下搅拌1～2小时，然后卸压，取20～25份反应产物和5～10份N,N'-(4,4'-亚甲基二苯基)双马来酰亚胺，置于带搅拌的密封容器中，其中通入氮气使氮气饱和，然后将该密封容器置于1.5MeV、30mA的电子加速器中进行辐照搅拌处理，得到改性环氧树脂；所述辐照采用的辐照剂量率为100～200kGy/h，辐照剂量为200～500kGy，搅拌速度为100～200r/min；
将改性环氧树脂50～70份、酚醛树脂10～30份、多乙烯多胺5～8份、酯化淀粉5～10份、烯丙基缩水甘油醚2～5份、叔胺3～5份、叶酸3～5份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸1～5份、二月桂酸二丁基锡1～3份、聚酰胺1～3份、氧化石墨烯0.3～0.5份混合后，在80～100℃下搅拌30～60min，得到粘结胶。
本发明至少包括以下有益效果：本发明解决了FRP筋本身材料特性所造成的不能弯折，而实际应用时又需要弯折的问题。在大批量生产该连接器时，由于钢套筒的可塑性好，对材料要求低，可以根据实际需求来生产。本发明的连接器结构简单、设计合理、实施方便，可普遍应用于工程中；本发明的连接器为胶螺同时作用，在钢套筒里灌胶，用以粘结筋材与钢套筒，在套筒外使用螺栓锚固，使得连接器与筋材的粘结更加牢固，对于筋材的连接更有利，采用制备的粘结胶性能优异，可显著提高连接器的极限强度。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明连接器的纵向剖面图；
图2为本发明连接器的俯视图；
图3为本发明连接器未拧不锈钢螺堵的剖面图；
图4为图1中B-B截面图；
图5为图1中A-A截面图；
图6为本发明不锈钢螺堵的纵向剖面图；
图7为本发明不锈钢螺堵的左视图；
图8为本发明不锈钢螺堵的右视图；
图9为本发明螺堵垫圈的结构示意图；
图10为本发明多个预紧套的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1～9示出了本发明的一种用于FRP筋的复合式连接器，包括：
钢套筒2，其内壁上设置有内壁螺纹3；所述钢套筒2的外壁上缠绕设置有纤维布1；所述钢套筒2上设置有通向内壁的多个螺栓孔11；多个螺栓孔11内匹配连接有六角头螺栓4；
其中，两段FRP筋8放置在钢套筒2内，并通过拧紧六角头螺栓4固定两段FRP筋8；所述两段FRP筋8位于螺栓孔11的位置上环贴有弧形软金属垫片7；所述钢套筒2的两端可拆卸有不锈钢螺堵9；所述钢套筒2的内壁与FRP筋8之间灌注设置有粘结胶6。
在这种技术方案中，通过螺栓和粘结胶的作用，连接器与筋材的粘结更加牢固，对于筋材的连接更有利，环贴弧形软金属垫片的目的是防止六角头螺栓在拧紧过程中对FRP筋表面产生局部挤压破坏；在钢套筒外壁粘贴纤维布，可以起到保护钢材，防止腐蚀的效果；沿钢套筒轴向设置一排六角头螺栓，在对FRP筋材产生挤压的同时，六角头螺栓杆形成凸肋，可以有效减少胶层的整体滑移，并且解决了筋材的对中问题；钢套筒内壁设置内壁螺纹目的是增大与FRP筋的粘结面积并形成咬合状界面；该连接器可以有效地解决FRP筋在工程应用时需要连接的问题，进一步提升FRP筋在工程中的应用。
在上述技术方案中，所述纤维布为双向碳纤维布、芳纶纤维布、高强玻璃纤维布、玄武岩纤维布中的任意一种。
在上述技术方案中，所述纤维布为多层纤维布结构，所述多层纤维布结构从内到外依次为双向碳纤维布、芳纶纤维布、玄武岩纤维布和双向碳纤维布；所述多层纤维布结构的各层纤维布之间涂覆环氧树脂胶；采用这种方式，多层纤维布的结构可以更好的起到保护钢材，防止腐蚀的效果，并且可以提高连接器的极限强度。
在上述技术方案中，所述双向碳纤维布的厚度为0.12～0.15mm、芳纶纤维布的厚度为0.18～0.22mm、玄武岩纤维布的厚度为0.15～0.18mm，采用这种方式，可以更好的起到保护钢材，防止腐蚀的效果，并且可以提高连接器的极限强度。
在上述技术方案中，所述六角头螺栓4上套设有螺栓垫圈5；所述不锈钢螺堵9上套设有螺堵垫圈10；不锈钢螺堵和六角头螺栓在拧紧时配合垫圈可以起到防止纤维布剥离的作用。
在上述技术方案中，所述钢套管的夹角可设置为30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°中的任意一种。
在另一种技术方案中，如图10所示，还包括，多个预紧套12，其内壁涂覆环氧树脂胶后均匀套设在FRP筋8上且位于相邻的弧形软金属垫片之间；多个所述预紧套12为弹性橡胶套；多个所述预紧套12的外表面设置有多圈凸棱13。采用这种方式，能够增大FRP筋与粘结胶的接触粘结面积，并形成咬合状界面，使粘结胶更加可靠。
实施例1：
一种上述的用于FRP筋的复合式连接器的组装方法，包括以下步骤：
步骤一、将FRP筋与六角头螺栓接触的部位延一定长度环贴弧形软金属垫片；
步骤二、待弧形软金属垫片粘紧后，将两段FRP筋分别从钢套筒两端口处***，并转动FRP筋调整弧形软金属垫片的位置；使两段FRP筋的端部位于钢套筒中部，使两段FRP筋的***长度一致；并在两端各一螺栓孔处拧上一颗套有螺栓垫圈的六角头螺栓以固定筋材防止其滑动；
步骤三、在不锈钢螺堵上套设螺堵垫圈，将两个不锈钢螺堵螺堵分别穿过两段FRP筋，旋上不锈钢螺堵使之与钢套筒紧密相连；并封堵两个不锈钢螺堵处的缝隙；
步骤四、将粘结胶从螺栓孔灌入，直至灌满；所述粘结胶为市售普通环氧树脂胶；
步骤五、在剩余的多个螺栓孔处依次拧上六角头螺栓和螺栓垫圈，再依次逐步拧紧；
步骤六、擦去多余的粘接胶，在25℃左右的环境中静置养护，得到用于FRP筋的复合式连接器。
实施例2：
一种上述的用于FRP筋的复合式连接器的组装方法，包括以下步骤：
步骤一、将FRP筋与六角头螺栓接触的部位延一定长度环贴弧形软金属垫片；
步骤二、待弧形软金属垫片粘紧后，将多个预紧套的内壁涂覆环氧树脂胶后均匀套设在FRP筋上；将两段FRP筋分别从钢套筒两端口处***，并转动FRP筋调整弧形软金属垫片的位置；使两段FRP筋的端部位于钢套筒中部，使两段FRP筋的***长度一致；并在两端各一螺栓孔处拧上一颗套有螺栓垫圈的六角头螺栓以固定筋材防止其滑动；多个所述预紧套为弹性橡胶套；多个所述预紧套的外表面设置有多圈凸棱；
步骤三、在不锈钢螺堵上套设螺堵垫圈，将两个不锈钢螺堵螺堵分别穿过两段FRP筋，旋上不锈钢螺堵使之与钢套筒紧密相连；并封堵两个不锈钢螺堵处的缝隙；
步骤四、将粘结胶从螺栓孔灌入，直至灌满；所述粘结胶为市售普通环氧树脂胶；
步骤五、在剩余的多个螺栓孔处依次拧上六角头螺栓和螺栓垫圈，再依次逐步拧紧；
步骤六、擦去多余的粘接胶，在25℃左右的环境中静置养护，得到用于FRP筋的复合式连接器。
实施例3：
一种上述的用于FRP筋的复合式连接器的组装方法，包括以下步骤：
步骤一、将FRP筋与六角头螺栓接触的部位延一定长度环贴弧形软金属垫片；
步骤二、待弧形软金属垫片粘紧后，将两段FRP筋分别从钢套筒两端口处***，并转动FRP筋调整弧形软金属垫片的位置；使两段FRP筋的端部位于钢套筒中部，使两段FRP筋的***长度一致；并在两端各一螺栓孔处拧上一颗套有螺栓垫圈的六角头螺栓以固定筋材防止其滑动；
步骤三、在不锈钢螺堵上套设螺堵垫圈，将两个不锈钢螺堵螺堵分别穿过两段FRP筋，旋上不锈钢螺堵使之与钢套筒紧密相连；并封堵两个不锈钢螺堵处的缝隙；
步骤四、将粘结胶从螺栓孔灌入，直至灌满；
步骤五、在剩余的多个螺栓孔处依次拧上六角头螺栓和螺栓垫圈，再依次逐步拧紧；
步骤六、擦去多余的粘接胶，在25℃左右的环境中静置养护，得到用于FRP筋的复合式连接器；
其中，所述步骤四中，粘结胶的制备方法为：按重量份，在超临界装置中加入40份环氧树脂、25份氨丙基三乙氧基硅烷和0.8份三乙胺，在装置密封后通入二氧化碳至40MPa、温度60℃的条件下搅拌2小时，然后卸压，取20份反应产物和10份N,N'-(4,4'-亚甲基二苯基)双马来酰亚胺，置于带搅拌的密封容器中，其中通入氮气使氮气饱和，然后将该密封容器置于1.5MeV、30mA的电子加速器中进行辐照搅拌处理，得到改性环氧树脂；所述辐照采用的辐照剂量率为200kGy/h，辐照剂量为500kGy，搅拌速度为200r/min；
将改性环氧树脂70份、酚醛树脂30份、多乙烯多胺8份、酯化淀粉10份、烯丙基缩水甘油醚2份、叔胺3份、叶酸3份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸1份、二月桂酸二丁基锡3份、聚酰胺3份、氧化石墨烯0.5份混合后，在80℃下搅拌60min，得到粘结胶。
实施例4：
一种上述的用于FRP筋的复合式连接器的组装方法，包括以下步骤：
步骤一、将FRP筋与六角头螺栓接触的部位延一定长度环贴弧形软金属垫片；
步骤二、待弧形软金属垫片粘紧后，将两段FRP筋分别从钢套筒两端口处***，并转动FRP筋调整弧形软金属垫片的位置；使两段FRP筋的端部位于钢套筒中部，使两段FRP筋的***长度一致；并在两端各一螺栓孔处拧上一颗套有螺栓垫圈的六角头螺栓以固定筋材防止其滑动；
步骤三、在不锈钢螺堵上套设螺堵垫圈，将两个不锈钢螺堵螺堵分别穿过两段FRP筋，旋上不锈钢螺堵使之与钢套筒紧密相连；并封堵两个不锈钢螺堵处的缝隙；
步骤四、将粘结胶从螺栓孔灌入，直至灌满；
步骤五、在剩余的多个螺栓孔处依次拧上六角头螺栓和螺栓垫圈，再依次逐步拧紧；
步骤六、擦去多余的粘接胶，在25℃左右的环境中静置养护，得到用于FRP筋的复合式连接器；
所述步骤四中，粘结胶的制备方法为：按重量份，在超临界装置中加入30份环氧树脂、20份氨丙基三乙氧基硅烷和0.5份三乙胺，在装置密封后通入二氧化碳至30MPa、温度60℃的条件下搅拌1小时，然后卸压，取25份反应产物和5份N,N'-(4,4'-亚甲基二苯基)双马来酰亚胺，置于带搅拌的密封容器中，其中通入氮气使氮气饱和，然后将该密封容器置于1.5MeV、30mA的电子加速器中进行辐照搅拌处理，得到改性环氧树脂；所述辐照采用的辐照剂量率为100kGy/h，辐照剂量为200kGy，搅拌速度为200r/min；
将改性环氧树脂50份、酚醛树脂10份、多乙烯多胺5份、酯化淀粉5份、烯丙基缩水甘油醚5份、叔胺5份、叶酸3份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸3份、二月桂酸二丁基锡2份、聚酰胺2份、氧化石墨烯0.5份混合后，在100℃下搅拌45min，得到粘结胶。
上述实施例1～4中采用的FRP筋的直径12mm，理论抗拉强度约900MPa，理论极限荷载约102KN；实施例1～4中采用单边锚固长度(两段FRP筋中单个FRP筋在钢套筒中的长度)为20倍筋材直径(即240mm)的拉拔试验；测试设备：上海华龙测试仪器股份有限公司生产的，WAW-600型微机控制电液伺服万能试验机；测试参考规范：《结构工程用纤维增强复合材料筋GB/T26743-2011》，加载速率应控制在每分钟应力增加100MPa-500MPa之间，转化为力并取0.3KN/s；极限荷载分为筋材的理论极限荷载(属于筋材的固有属性)和试验中实际的测得的极限荷载，如果试验正常应该二者接近。判断是否有效的准则是实测极限荷载达到理想极限荷载的95％以上，且不是在连接端部附近破坏。
表1示出了实施例1～4中采用单边锚固长度为20倍筋材直径(即240mm)的拉拔试验的结果；
表1
在本发明中采用3组对比试验，采用传统的普通圆柱钢套筒(无螺栓锚固结构，直接将FRP筋***圆柱钢套筒，然后把底部端头封堵，从另一端顺着FRP筋材与圆柱钢套筒的间隙灌胶，养护得到连接器)，粘结长度为20倍筋材直径即240mm，结果为筋材拔出，属无效破坏，拔出荷载为61.25kN、65.24kN和57.83kN。
上述实施例1～4中采用的FRP筋的直径12mm，理论抗拉强度约900MPa，理论极限荷载约102KN；实施例1～4中采用单边锚固长度(两段FRP筋中单个FRP筋在钢套筒中的长度)为15倍筋材直径(即180mm)的拉拔试验；
表2示出了实施例1～4中采用单边锚固长度为15倍筋材直径(即180mm)的拉拔试验的结果；
表2
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (3)
1.一种用于FRP筋的复合式连接器，其特征在于，包括：
钢套筒，其内壁上设置有内壁螺纹；所述钢套筒的外壁上缠绕设置有纤维布；所述钢套筒上设置有通向内壁的多个螺栓孔；多个螺栓孔内匹配连接有六角头螺栓；
多个预紧套，其内壁涂覆环氧树脂胶后均匀套设在FRP筋上；多个所述预紧套为弹性橡胶套；多个所述预紧套的外表面设置有多圈凸棱；
其中，两段FRP筋放置在钢套筒内，并通过拧紧六角头螺栓固定两段FRP筋；所述两段FRP筋位于螺栓孔的位置上环贴有弧形软金属垫片；所述钢套筒的两端可拆卸有不锈钢螺堵；所述钢套筒的内壁与FRP筋之间灌注设置有粘结胶；
所述纤维布为多层纤维布结构，所述多层纤维布结构从内到外依次为双向碳纤维布、芳纶纤维布、玄武岩纤维布和双向碳纤维布；所述多层纤维布结构的各层纤维布之间涂覆环氧树脂胶；
所述双向碳纤维布的厚度为0.12~0.15mm、芳纶纤维布的厚度为0.18~0.22mm、玄武岩纤维布的厚度为0.15~0.18mm；
所述六角头螺栓上套设有螺栓垫圈；所述不锈钢螺堵上套设有螺堵垫圈；
所述钢套管的夹角可设置为30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°中的任意一种。
2.一种如权利要求1所述的用于FRP筋的复合式连接器的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将FRP筋与六角头螺栓接触的部位延一定长度环贴弧形软金属垫片；
步骤二、待弧形软金属垫片粘紧后，将两段FRP筋分别从钢套筒两端口处***，并转动FRP筋调整弧形软金属垫片的位置；使两段FRP筋的端部位于钢套筒中部，使两段FRP筋的***长度一致；并在两端各一螺栓孔处拧上一颗套有螺栓垫圈的六角头螺栓以固定筋材防止其滑动；
步骤三、在不锈钢螺堵上套设螺堵垫圈，将两个不锈钢螺堵螺堵分别穿过两段FRP筋，旋上不锈钢螺堵使之与钢套筒紧密相连；并封堵两个不锈钢螺堵处的缝隙；
步骤四、将粘结胶从螺栓孔灌入，直至灌满；
步骤五、在剩余的多个螺栓孔处依次拧上六角头螺栓和螺栓垫圈，再依次逐步拧紧；
步骤六、擦去多余的粘接胶，在25℃左右的环境中静置养护，得到用于FRP筋的复合式连接器；
所述步骤二中，待弧形软金属垫片粘紧后，将多个预紧套均匀套设在FRP筋上；多个所述预紧套为弹性橡胶套；多个所述预紧套的外表面设置有多圈凸棱。
3.如权利要求2所述的用于FRP筋的复合式连接器的组装方法，其特征在于，所述步骤四中，粘结胶的制备方法为： 按重量份，在超临界装置中加入30~40份环氧树脂、20~25份氨丙基三乙氧基硅烷和0.3~0.8份三乙胺，在装置密封后通入二氧化碳至25~40MPa、温度50~60℃的条件下搅拌1~2小时，然后卸压，取20~25份反应产物和5~10份N,N'-(4,4'-亚甲基二苯基)双马来酰亚胺，置于带搅拌的密封容器中，其中通入氮气使氮气饱和，然后将该密封容器置于1.5 MeV、30 mA的电子加速器中进行辐照搅拌处理，得到改性环氧树脂；所述辐照采用的辐照剂量率为100~200kGy/h，辐照剂量为200~500kGy，搅拌速度为100~200r/min；
将改性环氧树脂50~70份、酚醛树脂10~30份、多乙烯多胺5~8份、酯化淀粉5~10份、烯丙基缩水甘油醚2~5份、叔胺3~5份、叶酸3~5份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸1~5份、二月桂酸二丁基锡1~3份、聚酰胺1~3份、氧化石墨烯0.3~0.5份混合后，在80~100℃下搅拌30~60min，得到粘结胶。
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