加固修復(fù)混凝土用FRP材料性能的研究

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(xué)性能及其與兩種纖維（碳纖維和高性能E型玻璃纖維）所制成纖維增強(qiáng)塑料（FRP）的拉伸強(qiáng)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(guān)鍵詞：膠粘劑；纖維增強(qiáng)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(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，八十年代以來，日本，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家率先將其應(yīng)用于建筑業(yè)，已廣泛應(yīng)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(qiáng)度高，重量輕，耐久性好，施工方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，該項(xiàng)技術(shù)近幾年在我國(guó)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(fù)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(fù)合效果。

II  實(shí)驗(yàn)材料及方法

1、實(shí)驗(yàn)材料

1）環(huán)氧樹脂，固化劑及添加劑

2）國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)E型玻璃纖維及進(jìn)口碳纖維

2、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   

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）纖塑片性能

    參照 GB/T 3354標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定不同條件下的拉伸強(qiáng)度。

III 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)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(xué)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(jìn)行討論。

1.1 樹脂和固化劑種類對(duì)膠粘劑力學(xué)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(cè)試了部分力學(xué)性能，結(jié)果見表1（表中JH和JG分別是樹脂和固化劑的代號(hào)）。

  表1 各種膠粘劑的力學(xué)性能

注：1）、表中正拉強(qiáng)度的基體混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(duì)膠粘劑的力學(xué)性能均有一定影響。固化劑相同時(shí)，JH1和JH2力學(xué)性能相對(duì)較好，但JH2樹脂粘度較大，所配制的膠粘劑粘度也較大，當(dāng)溫度低于12 ^OC時(shí)，樹脂失去流動(dòng)性，該樹脂宜在夏季使用；在固化劑相同時(shí)，JH3樹脂所配制膠粘劑力學(xué)性能略低于JH1，但只要固化劑選擇得當(dāng)，所配制的膠粘劑仍可以滿足有關(guān)加固規(guī)范要求。

    相對(duì)樹脂而言，固化劑的選擇更為關(guān)鍵，由JH1樹脂配制的七個(gè)樣品中，由JG2和JG3配制的膠粘劑的性能明顯差于另外三個(gè)固化劑，而且B，C兩種膠粘劑的指標(biāo)不能滿足相應(yīng)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(fù)工程；其余五種膠粘劑所列三種力學(xué)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(diǎn)，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)合理選擇。

1.2 溫度對(duì)膠粘劑固化速度的影響

    膠粘劑的固化速度對(duì)溫度非常敏感，而固化速度則會(huì)影響加固工程的進(jìn)度和質(zhì)量。固化速度過快，雖有利于加快施工進(jìn)度，但允許的操作時(shí)間較短，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)固化過慢容易造成空鼓。表2為溫度對(duì)不同膠粘劑固化速度和拉伸強(qiáng)度的影響。

圖1  膠粘劑黏度與溫度的關(guān)系

表2  不同溫度下膠粘劑的固化速度和拉伸強(qiáng)度

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

    2）、拉伸強(qiáng)度齡期為21天。

    由表2數(shù)據(jù)可知，膠粘劑的使用時(shí)間與樹脂和固化劑的種類有著密切關(guān)系，同樣條件下，膠粘劑F的固化速度最慢，使用時(shí)間最長(zhǎng)，可用于夏季高環(huán)境溫度（30 ^OC以上）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(fù)合以提高固化速度才能用于加固工程，否則將影響施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。膠粘劑D的固化速度最快，允許操作的時(shí)間最短，可用于冬季的低環(huán)境溫度（5 ^OC左右）條件下或搶修等對(duì)時(shí)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(shí)間。一般情況下，同一種固化劑，在不同溫度下的固化時(shí)間相差很大，環(huán)境溫度越高，固化速度越快，允許操作時(shí)間越短，每種固化劑都有其適宜的溫度范圍，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件，設(shè)計(jì)施工要求等選擇合適的固化劑來配制膠粘劑。

1.3 溫度對(duì)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(duì)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(guān)。

    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(duì)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(shí)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(shí)粘度已經(jīng)較大。

3、膠粘劑種類及纖維種類對(duì)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(fù)合材料（FRP）后的力學(xué)性能，選擇了四種膠粘劑分別與兩種纖維制成復(fù)合材料，表3為各種復(fù)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(jié)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(qiáng)復(fù)合材料（ CFRP）的拉伸荷載明顯高于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP），同一種膠粘劑時(shí)，前者約為后者的4倍；雖然隨著科技的發(fā)展，市場(chǎng)也有拉伸強(qiáng)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(jià)格相對(duì)較低，進(jìn)行加固工程時(shí)，可根據(jù)工程的部位及具體要求選擇纖維。

    盡管對(duì)FRP材料而言，膠粘劑的強(qiáng)度與纖維強(qiáng)度相比不在一個(gè)數(shù)量級(jí)，但膠粘劑的性能對(duì)FRP的性能及加固效果卻有較大影響。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，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(dá)到加固效果。從表中數(shù)據(jù)可以看出，膠粘劑的性能對(duì)FRP的拉伸性能有明顯影響，這種影響主要取決于以下兩個(gè)因素，首先是膠粘劑與纖維的浸潤(rùn)效果，如果浸潤(rùn)效果較差，F(xiàn)RP的整體性就較差，纖維強(qiáng)度難以在FRP材料中有效發(fā)揮。膠粘劑B的本體強(qiáng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)，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(rùn)效果，導(dǎo)致其拉伸荷載降低。另一方面，在保證浸潤(rùn)效果的前提下，膠粘劑自身的力學(xué)性能也會(huì)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(rùn)性較好，但因自身強(qiáng)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(jié)構(gòu)

IV 結(jié)論

1、  本工作研制了一系列膠粘劑并具有良好的物理力學(xué)性能，其中普通型（A，E，H）適用于常溫（10-30^OC）條件下；低溫型(D)可用于5^OC左右的低溫環(huán)境；高溫型(H)可用于30^OC以上的高溫環(huán)境。

2、  膠粘劑的物理和力學(xué)性能直接影響FRP材料中纖維強(qiáng)度的發(fā)揮。

3、  CFRP的拉伸強(qiáng)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。