碳纖維布（FRP）加固用膠粘劑的研究
2004-12-30 00:00
前 言
與傳統(tǒng)加固技術(shù)（如增大構(gòu)件尺寸，采用預應力，粘貼鋼板等）相比，外貼FRP加固技術(shù)具有高強高效，適用面廣，施工簡單，耐久性好，質(zhì)量輕等一系列優(yōu)點，近年來由于碳纖維布價格的大幅下降，該項技術(shù)在我國得到突飛猛進的發(fā)展，成為建筑領域的一個新的分支。我院從1999年就開始進行該項研究，取得了大量研究數(shù)據(jù)，并在此基礎上制訂了上海市纖維加固混凝土技術(shù)的應用規(guī)程，目前每年要承接大量的混凝土加固項目。為了進一步拓寬該項技術(shù)的使用范圍及確保其有效性，受市科委的委托，項目組于2001年開始又進行了大量研究工作，本報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 實驗材料及方法
一、 主要實驗材料
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：主要性能指標見表1
表1 碳纖維的主要性能
|
指 標 |
名義厚度（mm） |
拉伸強度（MPa） |
拉伸彈性模量（MPa） |
|
產(chǎn)品性能 |
0.167 |
4400 |
235 |
二、 實驗方法
1、環(huán)氧樹脂澆注體性能
拉伸強度，伸長率，拉伸彈性模量實驗方法參照GB/T2568-1995
彎曲強度，伸長率，拉伸彈性模量實驗方法參照GB/T2570-1995
壓縮強度，伸長率，拉伸彈性模量實驗方法參照GB/T2569-1995
剪切強度實驗方法參照GB/T7124-1986
正拉粘接強度參照《纖維增強復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標準，測定不同條件下的抗折荷載。
II、實驗結(jié)果與討論
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）只有通過膠粘劑的有效粘接才能制成性能良好的FRP材料。同時，性能良好的FRP材料也只有通過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。本項目在大量調(diào)研及初步實驗的基礎上，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
|
膠粘劑編號 |
拉伸強度（MP a） |
延伸率（%） |
彈性模量（MP a） |
|
A-1 |
54.9 |
3.21 |
2966 |
|
A-2 |
63.1 |
2.64 |
3241 |
|
A-3 |
48.9 |
3.93 |
2652 |
|
A-4 |
48.1 |
1.90 |
2853 |
|
A-5 |
51.4 |
1.52 |
3636 |
|
A-6 |
52.1 |
2.35 |
3008 |
|
A-7 |
56.1 |
2.42 |
3065 |
|
A-8 |
60.4 |
2.39 |
3243 |
|
A-9 |
55.4 |
1.90 |
3267 |
|
A-10 |
58.5 |
2.08 |
3337 |
|
A-11 |
57.7 |
1.68 |
3393 |
表3 環(huán)氧B配制各種膠粘劑的性能
|
膠粘劑 |
拉伸強度（MP a） |
延伸率（%） |
彈性模量（MP a） |
|
B-1 |
38.7 |
7.44 |
2061 |
|
B-2 |
56.6 |
3.73 |
2927 |
|
B-3 |
36.8 |
5.68 |
1874 |
|
B-4 |
44.6 |
2.51 |
2347 |
|
B-5 |
48.4 |
1.84 |
2799 |
|
B-6 |
44.7 |
6.35 |
2064 |
|
B-7 |
46.2 |
3.76 |
2433 |
|
B-8 |
49.0 |
4.28 |
2298 |
|
B-9 |
48.1 |
5.59 |
2362 |
|
B-10 |
53.8 |
3.89 |
2488 |
|
B-11 |
52.4 |
3.39 |
2835 |
為比較樹脂品種對膠粘劑性能的影響，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，一般來說，由樹脂B配制的膠粘劑拉伸強度及拉伸彈性模量相對較低，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，綜合三個比值來看，使用1#及3#固化劑
時，樹脂種類影響最大，而使用2#固化劑時，樹脂種類的影響最小，因此在配制膠粘劑時必須考慮固化劑和樹脂的適應性。
表4 兩種環(huán)氧樹脂性能比較
|
固化劑種類 |
拉伸強度（A/B） |
延伸率（A/B） |
彈性模量（A/B） |
|
1 |
1.42 |
0.43 |
1.44 |
|
2 |
1.12 |
0.71 |
1.11 |
|
3 |
1.33 |
0.69 |
1.42 |
|
4 |
1.08 |
0.76 |
1.22 |
|
5 |
1.06 |
0.83 |
1.30 |
|
6 |
1.16 |
0.37 |
1.46 |
|
7 |
1.21 |
0.64 |
1.26 |
|
8 |
1.23 |
0.56 |
1.41 |
|
9 |
1.15 |
0.34 |
1.38 |
|
10 |
1.09 |
0.53 |
1.34 |
|
11 |
1.10 |
0.50 |
1.20 |
二、環(huán)境溫度對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度和質(zhì)量。固化速度過快，雖有利于加快施工進度，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；反之，固化速度過慢，雖施工時間充裕，粘貼質(zhì)量容易保證，但不利于加快施工進度，且粘貼構(gòu)件的底部時固化過慢容易造成空鼓。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
|
膠粘劑 |
膠粘劑適用期(min) | |||||
|
5(OC) |
10(OC) |
15(OC) |
20(OC) |
25(OC) |
30(OC) | |
|
A-1 |
33 |
20 |
17 |
12 |
10 |
8 |
|
B-1 |
38 |
26 |
20 |
15 |
10 |
9 |
|
A-2 |
60 |
33 |
28 |
20 |
12 |
10 |
|
B-2 |
75 |
58 |
42 |
35 |
20 |
12 |
|
A-3 |
215 |
80 |
70 |
40 |
26 |
25 |
|
A-4 |
/ |
/ |
/ |
200 |
125 |
76 |
|
A-5 |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
260 |
|
A-8 |
210 |
70 |
50 |
32 |
21 |
18 |
|
A-11 |
/ |
260 |
90 |
45 |
41 |
27 |
注：1）、表中固化時間是從樣品開始混合到固化所經(jīng)過的時間，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）條件下或搶修等對時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，膠粘劑在不同溫度下的固化時間相差很大，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?？傊?，選擇膠粘劑除了考慮力學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）
|
膠粘劑種類 |
齡期（天） | |
|
7 |
21 | |
|
A-1 |
48 |
56 |
|
A-2 |
48 |
55 |
|
A-3 |
46 |
54 |
|
A-5 |
54 |
61 |
|
A-8 |
52 |
60 |
|
A-11 |
51 |
58 |
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間有關(guān)，同樣齡期時，A-1，A-2，A-3膠粘劑的熱變溫度相對較低，7天時的熱變溫度略小于規(guī)范中規(guī)定的50OC，但隨著固化時間的延長，固化程度不斷提高，其熱變溫度也相應提高，21天時熱變溫度均超過50OC，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天時已達到規(guī)范要求，A-5，A-6在21天時的熱變溫度可達60OC，具有較好的耐熱性，可用于使用溫度較高（不超過60OC）的加固工程。
四、濕度對膠粘劑粘接強度的影響
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)護和飽和水基體在水中養(yǎng)護兩種條件下，膠粘劑的正拉粘接強度，結(jié)果見表7。
表7 不同濕度條件下膠粘劑的正拉粘接強度
|
膠粘劑種類 |
基 體 | |
|
干 燥 |
潮濕（飽和水） | |
|
A-1 |
5.36 |
4.09 |
|
A-2 |
5.12 |
3.58 |
|
A-3 |
5.32 |
3.45 |
|
A-4 |
6.02 |
3.54 |
|
A-8 |
5.42 |
3.34 |
|
A-11 |
5.55 |
3.21 |
注：1）、表中正拉強度的基體混凝土強度等級為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)基體的正拉粘接強度均小于干燥基體。這是因為水的存在影響膠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性能
綜合前面的實驗結(jié)果，選擇了六種典型膠粘劑作為研究重點，表8為該六種膠粘劑的全套力學性能。
表8 膠粘劑的全套力學性能
|
膠粘劑種類 |
A-1 |
A-2 |
A-3 |
A-4 |
A-8 |
A-11 |
|
拉伸強度（MPa） |
54.9 |
63.1 |
48.9 |
48.1 |
60.4 |
57.7 |
|
延伸率（%） |
3.21 |
2.64 |
3.93 |
1.90 |
2.39 |
1.68 |
|
彈性模量（MPa） |
2966 |
3241 |
2652 |
2853 |
3243 |
3392 |
|
彎曲強度（MPa） |
82.1 |
95.4 |
77.0 |
64.8 |
78.3 |
89.5 |
|
壓縮強度（MPa） |
85.6 |
92.4 |
83.8 |
82.5 |
85.4 |
86.4 |
|
粘剪強度（MPa） |
10.55 |
10.56 |
10.21 |
12.17 |
10.48 |
10.33 |
|
正拉粘接強度（MPa） |
5.36 |
5.12 |
5.32 |
6.02 |
5.42 |
5.55 |
|
正拉粘接強度*（MPa） |
4.09 |
3.58 |
3.45 |
3.54 |
2.86 |
2.94 |
注：表中帶*樣品潮濕基體水中養(yǎng)護條件下的正拉粘結(jié)強度。
從表8數(shù)據(jù)可以看出，六種膠粘劑均具有較好的力學性能，可根據(jù)所加固工程的具體條件進行選擇，在冬季環(huán)境溫度較低（0-10OC）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-4四種膠粘劑中進行選擇，但對于對時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較高，可作為使用環(huán)境溫度較高（不超過60 OC）加固工程的首選。
六、應用膠粘劑對混凝土試塊進行加固的研究
前面的試驗結(jié)果使我們對膠粘劑的性能及特點有了初步了解，在此基礎上我們將其應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行了試塊的加固試驗，所使用的試塊尺寸為100×100×525mm，試驗時在其側(cè)面粘貼一層100×400mm的300K碳纖維布，纖維布端部用50mm進行錨固，養(yǎng)護14天后，測定其的抗折荷載。
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 不同膠粘劑對干燥基體的加固效果
|
膠粘劑的種類 |
試塊表面情況 |
養(yǎng)護條件 |
抗折荷載 |
|
基準 |
------------------ |
自然養(yǎng)護 |
15.0/100 |
|
A-1 |
干燥 |
自然養(yǎng)護 |
37.4/249 |
|
A-2 |
干燥 |
自然養(yǎng)護 |
36.1/241 |
|
A-3 |
干燥 |
自然養(yǎng)護 |
35.7/238 |
|
A-4 |
干燥 |
自然養(yǎng)護 |
36.8/245 |
|
A-8 |
干燥 |
自然養(yǎng)護 |
36.4/243 |
|
A-11 |
干燥 |
自然養(yǎng)護 |
36.6/244 |
2）、飽水基體的加固效果
由于水工結(jié)構(gòu)具有其特殊性，加固施工時表面一般為潮濕狀態(tài)，且施工后必須浸在水中。試驗表明，若碳纖維貼好后馬上浸水，由于水較強的滲透力及一些其它的外力，會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)生一定強度后浸水，才能確保粘貼效果。
為了進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行加固，待其固化后放入水中養(yǎng)護一定齡期，再測試其抗折荷載，結(jié)果見表11。
表11 不同膠粘劑對飽水基體的加固效果
|
膠粘劑的種類 |
試塊表面情況 |
養(yǎng)護條件 |
抗折荷載 |
|
基準 |
------------------ |
自然養(yǎng)護 |
15.0/100 |
|
A-1 |
飽和水 |
水中養(yǎng)護 |
31.2/208 |
|
A-2 |
飽和水 |
水中養(yǎng)護 |
30.8/205 |
|
A-3 |
飽和水 |
水中養(yǎng)護 |
29.0/193 |
|
A-4 |
飽和水 |
水中養(yǎng)護 |
29.6/197 |
|
A-8 |
飽和水 |
水中養(yǎng)護 |
25.6/171 |
|
A-11 |
飽和水 |
水中養(yǎng)護 |
24.8/165 |
|
A-1* |
飽和水 |
水中養(yǎng)護 |
31.9/213 |
注：表中帶*樣品水中養(yǎng)護100天，其余樣品水中養(yǎng)護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，但與基準相比均有所提高，提高幅度與膠粘劑種類有關(guān)，為基準樣品的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100天與養(yǎng)護14天的試塊強度沒有明顯變化，說明水中養(yǎng)護不會影響加固效果。
III 結(jié)論
1、配制的六種膠粘劑都具有較好的力學性能，拉伸強度在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（20oC左右）的加固工程；A-4膠粘劑則適用于30oC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間均影響膠粘劑的熱變溫度，21天時，幾種膠粘劑的熱變溫度均高于50 oC，其中A-8 達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，干燥基體為基準樣品的237-249%，飽水基體為基準樣品的168-213%。
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