加固修復混凝土用FRP材料性能的研究

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摘要：本文研究了多種樹脂和固化劑組成膠粘劑的物理和力學性能及其與兩種纖維所制成纖維增強塑料的拉伸強度。研究表明，所采用膠粘劑的性能以及纖維種類都顯著影響FRP的性能。本工作所研制的系列膠粘劑能滿足各種環(huán)境溫度的混凝土加固工程。

關鍵詞：膠粘劑；纖維增強塑料；加固

I 概述

FRP材料的優(yōu)良性能使其在航空，軍工等領域發(fā)揮著重要作用，八十年代以來，日本，美國等發(fā)達國家率先將其應用于建筑業(yè)，已廣泛應用于橋梁，地鐵，高架，房屋等的加固工程中。與粘鋼等其它加固方法相比，F(xiàn)RP材料具有強度高，重量輕，耐久性好，施工方便等一系列優(yōu)點，該項技術近幾年在我國也得到較快的發(fā)展。由于FRP材料為膠粘劑及高性能纖維復合而成，因此，F(xiàn)RP材料的性能主要取決于膠粘劑性能，纖維性能及兩者的復合效果。

II 實驗材料及方法

1、實驗材料

1）環(huán)氧樹脂，固化劑及添加劑

2）國產(chǎn)高強E型玻璃纖維及進口碳纖維

2、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

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構技術規(guī)程》的附錄A

2）纖塑片性能

參照 GB/T 3354標準，測定不同條件下的拉伸強度。

III 實驗結果與討論

1、膠粘劑的性能

FRP材料中常用的膠粘劑有聚酯樹脂，環(huán)氧樹脂等，但大量研究結果表明，環(huán)氧樹脂樹脂性能優(yōu)于聚酯等其它樹脂，本研究以環(huán)氧樹脂作為FRP的膠粘劑。

膠粘劑的性能包括物理性能和力學性能，而影響這些性能的因素主要有樹脂種類，固化劑種類，環(huán)境溫度等等，下面將分別進行討論。

1.1 樹脂和固化劑種類對膠粘劑力學性能的影響

樹脂和固化劑種類繁多，在此，選擇了三種樹脂及七種固化劑，配制了若干種膠粘劑，測試了部分力學性能，結果見表1。

表1 各種膠粘劑的力學性能

注：1）、表中正拉強度的基體混凝土強度等級為C50；

2）、環(huán)境溫度為30 OC左右，齡期為21天。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，樹脂種類和固化劑種類對膠粘劑的力學性能均有一定影響。固化劑相同時，JH1和JH2力學性能相對較好，但JH2樹脂粘度較大，所配制的膠粘劑粘度也較大，當溫度低于12 OC時，樹脂失去流動性，該樹脂宜在夏季使用；在固化劑相同時，JH3樹脂所配制膠粘劑力學性能略低于JH1，但只要固化劑選擇得當，所配制的膠粘劑仍可以滿足有關加固規(guī)范要求。

相對樹脂而言，固化劑的選擇更為關鍵，由JH1樹脂配制的七個樣品中，由JG2和JG3配制的膠粘劑的性能明顯差于另外三個固化劑，而且B，C兩種膠粘劑的指標不能滿足相應加固規(guī)范的要求，因此它們不適用于FRP加固工程，但可用于一些修復工程；其余五種膠粘劑所列三種力學性能均滿足加固規(guī)范要求，且每種膠粘劑都有其各自的特點，實際使用時應合理選擇。

1.2 溫度對膠粘劑固化速度的影響

膠粘劑的固化速度對溫度非常敏感，而固化速度則會影響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，但允許的操作時間較短，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，且粘貼構件的底部時固化過慢容易造成空鼓。表2為溫度對不同膠粘劑固化速度和拉伸強度的影響。

圖1 膠粘劑黏度與溫度的關系

表2 不同溫度下膠粘劑的固化速度和拉伸強度

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)量為每拌150克；

2）、拉伸強度齡期為21天。

由表2數(shù)據(jù)可知，膠粘劑的使用時間與樹脂和固化劑的種類有著密切關系，同樣條件下，膠粘劑F的固化速度最慢，使用時間最長，可用于夏季高環(huán)境溫度的條件下，其它季節(jié)該膠粘劑需加入助劑或與其它固化劑復合以提高固化速度才能用于加固工程，否則將影響施工進度和施工質(zhì)量。膠粘劑D的固化速度最快，允許操作的時間最短，可用于冬季的低環(huán)境溫度條件下或搶修等對時間有所限制的加固工程。另外環(huán)境溫度也顯著影響膠粘劑的固化時間。一般情況下，同一種固化劑，在不同溫度下的固化時間相差很大，環(huán)境溫度越高，固化速度越快，允許操作時間越短，每種固化劑都有其適宜的溫度范圍，使用時應根據(jù)環(huán)境條件，設計施工要求等選擇合適的固化劑來配制膠粘劑。

1.3 溫度對膠粘劑粘度的影響

膠粘劑的粘度直接影響到膠粘劑的滲透性能，而溫度對膠粘劑粘度的影響不容忽視，一般來說，溫度越高，粘度越小，膠粘劑的滲透性越好；但粘度大小及溫度影響程度還與膠粘劑本身特性有關。

圖1為膠粘劑A和膠粘劑B不同溫度下的粘度。從圖中可以看出，溫度對兩種膠粘劑的粘度都有明顯影響，但膠粘劑B粘度受溫度影響更為顯著。比較兩種膠粘劑的特性可以發(fā)現(xiàn)，相同溫度下性，其適，膠粘劑A的粘度明顯小于膠粘劑B，膠粘劑A在10 OC 時仍具有較低的粘度，較好的滲透用溫度范圍較大；而膠粘劑B在20 OC 時粘度已經(jīng)較大。

3、膠粘劑種類及纖維種類對FRP拉伸性能的影響

為了解不同膠粘劑與碳纖維及玻璃纖維制成復合材料后的力學性能，選擇了四種膠粘劑分別與兩種纖維制成復合材料，表3為各種復合材料的拉伸性能。

表3 各種FRP的拉伸性能

注：膠粘劑A1由膠粘劑A摻入一定量助劑配制而得；膠粘劑A2由膠粘劑A摻入一定量填料配制而得。

表3結果說明，F(xiàn)RP材料的性能主要取決于纖維的性能，從所選擇的兩種纖維來看，碳纖維增強復合材料的拉伸荷載明顯高于玻璃纖維增強復合材料，同一種膠粘劑時，前者約為后者的4倍；雖然隨著科技的發(fā)展，市場也有拉伸強度接近碳纖維的高性能玻璃纖維，但其彈性模量及耐久性仍無法與碳纖維相比，不過由于其價格相對較低，進行加固工程時，可根據(jù)工程的部位及具體要求選擇纖維。

盡管對FRP材料而言，膠粘劑的強度與纖維強度相比不在一個數(shù)量級，但膠粘劑的性能對FRP的性能及加固效果卻有較大影響。纖維只有通過膠粘劑的有效粘接才能制成性能良好的FRP材料，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，從而達到加固效果。從表中數(shù)據(jù)可以看出，膠粘劑的性能對FRP的拉伸性能有明顯影響，這種影響主要取決于以下兩個因素，首先是膠粘劑與纖維的浸潤效果，如果浸潤效果較差，F(xiàn)RP的整體性就較差，纖維強度難以在FRP材料中有效發(fā)揮。膠粘劑B的本體強度和滲透性均不如膠粘劑A ，由它制成的FRP的拉伸荷載較差。另外，從表3中還可以發(fā)現(xiàn)，由膠粘劑A摻入適量活性填料制成的膠粘劑A2，雖在一定程度上提高了膠粘劑本體強度，但由它制成的GFRP的拉伸荷載卻有所降低。圖2是由這兩種膠粘劑制成的GFRP的顯微結構，顯然，摻入活性填料的膠粘劑制成的GFRP表現(xiàn)了較差的浸潤效果，導致其拉伸荷載降低。另一方面，在保證浸潤效果的前提下，膠粘劑自身的力學性能也會影響FRP材料的性能，表3中A1為膠粘劑A中摻入一定量的助劑，粘度低于同條件下膠粘劑A，浸潤性較好，但因自身強度較低，所制成的GFRP的拉伸荷載也偏低。

圖2 膠粘劑A和A2所制得的GFRP的顯微結構

IV 結論

1、 本工作研制了一系列膠粘劑并具有良好的物理力學性能，其中普通型適用于常溫條件下；低溫型(D)可用于5OC左右的低溫環(huán)境；高溫型(H)可用于30OC以上的高溫環(huán)境。

2、 膠粘劑的物理和力學性能直接影響FRP材料中纖維強度的發(fā)揮。

3、 CFRP的拉伸強度和彈性模量均高于GFRP，前者約為后者的3-4倍。他們分別可適用于不同要求的加固工程。