碳纖維布（FRP）加固用膠粘劑的研究

前     言

 

    與傳統(tǒng)加固技術(shù)（如增大構(gòu)件尺寸，采用預(yù)應(yīng)力，粘貼鋼板等）相比，外貼FRP加固技術(shù)具有高強(qiáng)高效，適用面廣，施工簡(jiǎn)單，耐久性好，質(zhì)量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)由于碳纖維布價(jià)格的大幅下降，該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，成為建筑領(lǐng)域的一個(gè)新的分支。我院從1999年就開始進(jìn)行該項(xiàng)研究，取得了大量研究數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上制訂了上海市纖維加固混凝土技術(shù)的應(yīng)用規(guī)程，目前每年要承接大量的混凝土加固項(xiàng)目。為了進(jìn)一步拓寬該項(xiàng)技術(shù)的使用范圍及確保其有效性，受市科委的委托，項(xiàng)目組于2001年開始又進(jìn)行了大量研究工作，本報(bào)告主要從膠粘劑性能出發(fā)，研制適用于不同環(huán)境溫度，不同基體濕度等條件下的系列膠粘劑。

 

I  實(shí)驗(yàn)材料及方法

一、    主要實(shí)驗(yàn)材料

1、         環(huán)氧樹脂：環(huán)氧樹脂A及環(huán)氧樹脂B；

2、         固化劑：不同性能固化劑共11種（1^#至11^#）

3、         碳纖維：主要性能指標(biāo)見表1

表1  碳纖維的主要性能

二、    實(shí)驗(yàn)方法

1、環(huán)氧樹脂澆注體性能

拉伸強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率，拉伸彈性模量實(shí)驗(yàn)方法參照GB/T2568-1995   

彎曲強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率，拉伸彈性模量實(shí)驗(yàn)方法參照GB/T2570-1995

壓縮強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率，拉伸彈性模量實(shí)驗(yàn)方法參照GB/T2569-1995

剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法參照GB/T7124-1986

正拉粘接強(qiáng)度參照《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的附錄A

2）、加固后的混凝土試塊抗折荷載

參照GBJ81-85標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定不同條件下的抗折荷載。

 

一、膠粘劑的配制

眾所周知，在纖維加固技術(shù)中，膠粘劑的性能非常重要，纖維（碳纖維，玻璃纖維等）只有通過(guò)膠粘劑的有效粘接才能制成性能良好的FRP材料。同時(shí)，性能良好的FRP材料也只有通過(guò)膠粘劑與所加固的混凝土有效粘接，才能與混凝土成為整體，并達(dá)到理想的加固效果。

膠粘劑的基料主要是環(huán)氧樹脂和固化劑。本項(xiàng)目在大量調(diào)研及初步實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取了兩種樹脂(分別表示為A，B  )和若干種固化劑作為研究所用的基料，將其分別配制成膠粘劑，21天后測(cè)定它們的

拉伸性能，所得結(jié)果見表2及表3。

 

表2 環(huán)氧A配制各種膠粘劑的性能

 

表3 環(huán)氧B配制各種膠粘劑的性能

 

    為比較樹脂品種對(duì)膠粘劑性能的影響，將樹脂A的各種性能分別除以同種固化劑配制的樹脂B的性能可得表4，由表4中可以看出，一般來(lái)說(shuō)，由樹脂B配制的膠粘劑拉伸強(qiáng)度及拉伸彈性模量相對(duì)較低，延伸率較大，但影響程度還與固化劑的品種有關(guān)，拉伸強(qiáng)度的比值在1.06至1.42之間，延伸率的比值在0.34至0.83之間，彈性模量比值在1.11至1.46之間，綜合三個(gè)比值來(lái)看，使用1^#及3^#固化劑

時(shí)，樹脂種類影響最大，而使用2^#固化劑時(shí)，樹脂種類的影響最小，因此在配制膠粘劑時(shí)必須考慮固化劑和樹脂的適應(yīng)性。

表4 兩種環(huán)氧樹脂性能比較

 

二、環(huán)境溫度對(duì)膠粘劑固化速度的影響

    固化速度直接影響到加固工程的進(jìn)度和質(zhì)量。固化速度過(guò)快，雖有利于加快施工進(jìn)度，但膠粘劑適用期短，不容易確保粘貼質(zhì)量，并容易造成材料的浪費(fèi)；反之，固化速度過(guò)慢，雖施工時(shí)間充裕，粘貼質(zhì)量容易保證，但不利于加快施工進(jìn)度，且粘貼構(gòu)件的底部時(shí)固化過(guò)慢容易造成空鼓。影響膠粘劑固化速度的因素很多，除了樹脂和固化劑的種類外，溫度也是重要的影響因素之一。表5列出了不同溫度條

件下幾種膠粘劑的適用期。

表5  不同溫度下膠粘劑的適用期

注：1）、表中固化時(shí)間是從樣品開始混合到固化所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，配制數(shù)量每拌約150克；

 

由表5數(shù)據(jù)可知，膠粘劑的適用期主要取決于固化劑的種類及溫度，樹脂種類的影響相對(duì)較小。同樣溫度下，由4^#，5^#固化劑配制的膠粘劑固化速度較慢，適用于夏季等較高的環(huán)境溫度（如30 ^oC以上）條件下的施工，其它季節(jié)該膠粘劑則需經(jīng)過(guò)改性提高固化速度后才能用于加固工程，否則將影響施工進(jìn)度和施工質(zhì)量；而由1^#，2^#固化劑配制的膠粘劑固化速度較快，適用于冬季等較低環(huán)境溫度（0-10 ^oC）條件下或搶修等對(duì)時(shí)間有所限制的加固工程；其它幾種固化劑則適用于常溫（20 ^oC左右）環(huán)境下的加固工程。此外，固化劑相同時(shí)，膠粘劑在不同溫度下的固化時(shí)間相差很大，溫度越高，固化越快，適用期越短。反之，溫度越低，固化越慢，適用期也越長(zhǎng)。總之，選擇膠粘劑除了考慮力學(xué)性能外還需考慮膠粘劑在使用條件下的固化速度，以最大限度發(fā)揮膠粘劑的使用效果，確保工程質(zhì)量。

 

三、    膠粘劑的熱變性能

   由于配制膠粘劑的主要基體材料為環(huán)氧樹脂，其在一定環(huán)境溫度下會(huì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，使膠粘劑出現(xiàn)軟化，影響加固效果。因此熱變溫度也是膠粘劑的主要指標(biāo)之一，表6為幾種膠粘劑在不同齡期的熱變溫度。

表6 膠粘劑的熱變溫度（^oC）

 

表中數(shù)據(jù)可知，膠粘劑的熱變溫度除與膠粘劑的種類有關(guān)外，還與膠粘劑的固化時(shí)間有關(guān)，同樣齡期時(shí)，A-1，A-2，A-3膠粘劑的熱變溫度相對(duì)較低，7天時(shí)的熱變溫度略小于規(guī)范中規(guī)定的50^OC，但隨著固化時(shí)間的延長(zhǎng)，固化程度不斷提高，其熱變溫度也相應(yīng)提高，21天時(shí)熱變溫度均超過(guò)50^OC，都能滿足規(guī)范要求。而A-5，A-8，A-11膠粘劑的熱變溫度高于前三種，7天時(shí)已達(dá)到規(guī)范要求，A-5，A-6在21天時(shí)的熱變溫度可達(dá)60^OC，具有較好的耐熱性，可用于使用溫度較高（不超過(guò)60^OC）的加固工程。

 

四、濕度對(duì)膠粘劑粘接強(qiáng)度的影響

由于膠粘劑與混凝土基體的粘接性能，直接影響到加固效果，為了解所加固混凝土基體的濕度對(duì)膠粘劑粘接性能的影響，在此分別研究了自然干燥基體在自然養(yǎng)護(hù)和飽和水基體在水中養(yǎng)護(hù)兩種條件下，膠粘劑的正拉粘接強(qiáng)度，結(jié)果見表7。

表7 不同濕度條件下膠粘劑的正拉粘接強(qiáng)度

注：1）、表中正拉強(qiáng)度的基體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50；

2）、齡期為21天。

由表中數(shù)據(jù)可知，膠粘劑與飽水狀態(tài)基體的正拉粘接強(qiáng)度均小于干燥基體。這是因?yàn)樗拇嬖谟绊懩z粘劑向基體的滲透效果及與混凝土基體的粘接所致。表中所列膠粘劑與潮濕基體的正拉粘接強(qiáng)度均滿足有關(guān)規(guī)范的要求，即可用于潮濕基體的加固。

 

五、    典型膠粘劑的其它力學(xué)性能

綜合前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇了六種典型膠粘劑作為研究重點(diǎn)，表8為該六種膠粘劑的全套力學(xué)性能。

 

表8 膠粘劑的全套力學(xué)性能

注：表中帶*樣品潮濕基體水中養(yǎng)護(hù)條件下的正拉粘結(jié)強(qiáng)度。

 

從表8數(shù)據(jù)可以看出，六種膠粘劑均具有較好的力學(xué)性能，可根據(jù)所加固工程的具體條件進(jìn)行選擇，在冬季環(huán)境溫度較低（0-10^OC）的條件下施工可選擇A-1，A-2兩種膠粘劑，其中A-1可用于5 ^OC以下。在春秋兩季可選擇A-3，A-8，A-11三種膠粘劑；夏季高溫（高于30 ^OC）條件可選擇A-4膠粘劑。對(duì)于表面潮濕的加固工程，可在A-1，A-2，A-3，A-4四種膠粘劑中進(jìn)行選擇，但對(duì)于對(duì)時(shí)間有要求的水利工程，選A-1，A-2為最佳。A-8膠粘劑的熱變溫度相對(duì)較高，可作為使用環(huán)境溫度較高（不超過(guò)60 ^OC）加固工程的首選。

 

六、應(yīng)用膠粘劑對(duì)混凝土試塊進(jìn)行加固的研究

前面的試驗(yàn)結(jié)果使我們對(duì)膠粘劑的性能及特點(diǎn)有了初步了解，在此基礎(chǔ)上我們將其應(yīng)用于混凝土試塊的加固中研究其加固效果。分別用上述六種膠粘劑進(jìn)行了試塊的加固試驗(yàn)，所使用的試塊尺寸為100×100×525mm，試驗(yàn)時(shí)在其側(cè)面粘貼一層100×400mm的300K碳纖維布，纖維布端部用50mm進(jìn)行錨固，養(yǎng)護(hù)14天后，測(cè)定其的抗折荷載。

1）、干燥基體的加固效果

表9總結(jié)了五種膠粘劑對(duì)干燥混凝土試塊的加固效果。由表中數(shù)據(jù)可知，加固后混凝土試塊的抗折荷載均有較大提高，提高幅度為基準(zhǔn)的237-249%，其中1-2膠粘劑的提高幅度最大。

表9  不同膠粘劑對(duì)干燥基體的加固效果

2）、飽水基體的加固效果

由于水工結(jié)構(gòu)具有其特殊性，加固施工時(shí)表面一般為潮濕狀態(tài)，且施工后必須浸在水中。試驗(yàn)表明，若碳纖維貼好后馬上浸水，由于水較強(qiáng)的滲透力及一些其它的外力，會(huì)破壞碳纖維與基體的粘接性能從而出現(xiàn)起鼓。因此，必須待膠粘劑固化產(chǎn)生一定強(qiáng)度后浸水，才能確保粘貼效果。

為了進(jìn)一步了解各種膠粘劑在潮濕基體上的加固效果，將試塊放入水中飽水后在進(jìn)行加固，待其固化后放入水中養(yǎng)護(hù)一定齡期，再測(cè)試其抗折荷載，結(jié)果見表11。

表11  不同膠粘劑對(duì)飽水基體的加固效果

注：表中帶*樣品水中養(yǎng)護(hù)100天，其余樣品水中養(yǎng)護(hù)14天。

由表中數(shù)據(jù)可知，飽水基體加固后試塊的抗折荷載雖然低于同條件的干燥基體，一般為其68-86%左右，但與基準(zhǔn)相比均有所提高，提高幅度與膠粘劑種類有關(guān)，為基準(zhǔn)樣品的165-213 %，其中A-6及A-11在潮濕環(huán)境中效果較差。水中養(yǎng)護(hù)100天與養(yǎng)護(hù)14天的試塊強(qiáng)度沒有明顯變化，說(shuō)明水中養(yǎng)護(hù)不會(huì)影響加固效果。

 

III 結(jié)論

1、配制的六種膠粘劑都具有較好的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度在48.1-63.1  MPa，延伸率在1.68-3.93%，彈性模量在2652-3392 MPa；其它力學(xué)性能也均滿足規(guī)范要求；

2、根據(jù)膠粘劑的固化速度，可分別將其用于不同的環(huán)境溫度，A-1，A-2，兩種膠粘劑適合于0-10 ^oC 以下的低溫環(huán)境，A-3，A-8，A-11三種膠粘劑適用于常溫環(huán)境（20^oC左右）的加固工程；A-4膠粘劑則適用于30^oC以上的高溫環(huán)境的加固工程。

3、膠粘劑A-1，A-2 ，A-3， A-4可用于潮濕環(huán)境中的加固工程，其中A-1，A-2固化速度快，可用水工搶修加固工程；

4、膠粘劑的種類及固化時(shí)間均影響膠粘劑的熱變溫度，21天時(shí)，幾種膠粘劑的熱變溫度均高于50 ^oC，其中A-8 達(dá)60 ^oC以上，可用于使用溫度較高的加固工程；

5、用所配制的膠粘劑加固混凝土試塊后，混凝土試塊的抗折荷載顯著提高，干燥基體為基準(zhǔn)樣品的237-249%，飽水基體為基準(zhǔn)樣品的168-213%。