碳纖維加固技術(shù)在水工結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

I  前言

II  實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料

環(huán)氧樹脂，固化劑等

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）、加固后混凝土試塊的抗折荷載

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

III、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

一、膠粘劑的配制

眾所周知，在碳纖維加固技術(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(shí)，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(dá)到理想的加固效果。而碳纖維加固技術(shù)在水工結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用，對(duì)膠粘劑提出了更高的要求。即在配制膠粘劑時(shí)，除應(yīng)該滿足普通加固規(guī)程的要求外，還需考慮水工的特點(diǎn)，要求與表面潮濕混凝土的正拉粘接強(qiáng)度必須滿足加固規(guī)范的要求。除此之外，選擇膠粘劑時(shí)還必須考慮工程允許的施工時(shí)間，因?yàn)槟z粘劑本身需要一定的固化時(shí)間，如果未固化就浸入水中，水的滲透力會(huì)破壞膠粘劑與混凝土的粘結(jié)效果，使兩者界面出現(xiàn)一定程度的空鼓，影響加固效果。

1、基料對(duì)膠粘劑性能的影響

膠粘劑的基料主要是樹脂和固化劑。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  )和四種固化劑（分別表示為a,b,c.d）作為研究所用的基料，將其分別配制成膠粘劑后，測(cè)定它們的各種性能，所得結(jié)果見表1。

表1 各種膠粘劑的性能

注：1）、環(huán)境溫度為20 ^OC左右，齡期為21天。

表中1-1和1-2為環(huán)氧樹脂A配制的膠粘劑，其余樣品為環(huán)氧樹脂B配制的膠粘劑。環(huán)氧樹脂A粘度較低，主要適用于低溫（10^oC）施工。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。當(dāng)固化劑相同時(shí)，環(huán)氧樹脂A配制的膠粘劑拉伸強(qiáng)度，彈性模量，彎曲強(qiáng)度等力學(xué)性能相對(duì)較低，而延伸率較大。但樹脂種類對(duì)膠粘劑性能的影響程度還與固化劑的種類有關(guān)。相比之下，使用固化劑a配制膠粘劑時(shí)，樹脂種類對(duì)膠粘劑性能的影響較為顯著。以拉伸強(qiáng)度為例，以b作為固化劑時(shí)，樹脂A所配制膠粘劑約為樹脂B所配制膠粘劑的90%；而以a作為固化劑時(shí)，這一比例則僅為70%左右，以至由樹脂A與固化劑a配制的膠粘劑不適合于加固工程。

除樹脂種類以外，固化劑對(duì)膠粘劑的性能也有較大影響。如表1所列，由樹脂B配制的四個(gè)樣品中，2-2膠粘劑的拉伸，彎曲，壓縮性能明顯優(yōu)于其它三種膠粘劑；而2-4膠粘劑的粘剪強(qiáng)度最好?？偟膩碚f，表中除2-1膠粘劑外，其余幾種膠粘劑都滿足規(guī)范要求，且每種膠粘劑都有其各自的特點(diǎn)及溫度使用范圍，實(shí)際使用時(shí)可合理進(jìn)行選擇。

2、膠粘劑種類及溫度對(duì)膠粘劑固化速度的影響

表2  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)過的時(shí)間，配制數(shù)量每拌約150克；

膠粘劑的固化速度影響到加固工程的進(jìn)度和質(zhì)量。固化速度過快，雖有利于加快施工進(jìn)度，但適用期短，施工難度大，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?？傊?，膠粘劑的固化速度直接影響到膠粘劑的適用期和膠粘劑涂層的表干時(shí)間，而后者又影響到加固施工的進(jìn)度和質(zhì)量。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，溫度和適度等環(huán)境條件也是重要的影響因素。表2列出了不同溫度條件下各種膠粘劑的適用期。

表2  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)過的時(shí)間，配制數(shù)量每拌約150克；

由表2數(shù)據(jù)可知，膠粘劑的適用期與樹脂和固化劑的種類以及溫度均有著密切的關(guān)系。同樣條件下，膠粘劑2-4的固化速度較慢，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)過改性以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。膠粘劑1-2、2-1、2-2的固化速度較快，適用于冬季等較低環(huán)境溫度（如10 ^oC以下）條件下或搶修等對(duì)時(shí)間有所限制的加固工程。

圖1 各種膠粘劑的適用期與溫度的關(guān)系

圖1顯示了環(huán)境溫度與膠粘劑適用期之間的關(guān)系。由圖可見，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)。

可見，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)施工要求等因素選擇合適的膠粘劑。

4、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，而水工混凝土通常都是處于潮濕狀態(tài)，為了解所配制膠粘劑與潮濕狀態(tài)基體的粘接性能，將試塊在水中浸至飽和后，進(jìn)行粘接劑的正拉粘接試驗(yàn)，并與干燥基體進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。

表3 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。

由于混凝土飽水后會(huì)影響膠粘劑向其的滲透作用。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。表中的幾種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。

二、混凝土試塊的加固效果

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，為構(gòu)件試驗(yàn)提供依據(jù)。分別對(duì)五種膠粘劑進(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（見照片），養(yǎng)護(hù)一定齡期后，測(cè)定其的抗折荷載。

1）、干燥基體的加固效果

表4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4  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（如照片）。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（見照片）。

因膠粘劑的固化特性與其種類、環(huán)境溫度和濕度等因素有關(guān)，因此，我們同樣對(duì)加固后的各種試塊在不同溫度和濕度條件下的表干時(shí)間進(jìn)行了測(cè)定。表5 為不同膠粘劑在不同溫度和濕度條件下的固化時(shí)間。

表 5不同條件下膠粘劑的表干時(shí)間

    可見，膠粘劑種類，基體表面溫度及濕度對(duì)固化時(shí)間均有顯著的影響。在進(jìn)行加固施工時(shí)，需根據(jù)具體情況合理選擇膠粘劑。首先要考慮工程的具體要求，如某些搶修工程就需使用固化速度快的膠粘劑，由于固化速度越快，適用期就越短，施工難度就越大，施工時(shí)必須制定合理的施工工藝，以確保施工質(zhì)量。對(duì)于沒有特殊要求的工程，則可根據(jù)環(huán)境溫度，選擇合適適用期的膠粘劑，同樣溫度下， 1-2、2-1、2-2膠粘劑的固化速度較快，適用于如10^oC 以下較低環(huán)境溫度的加固工程；2-3膠粘劑適用于常溫環(huán)境（20^oC左右）的加固工程；2-4膠粘劑適用于如30^oC以上高溫環(huán)境的加固工程。對(duì)于水工工程，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)加固工程的具體條件選擇膠粘劑，使得浸水前膠粘劑能基本固化，以確保加固質(zhì)量。

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)14天，再測(cè)試其抗折荷載，結(jié)果見表6。

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80-86%左右，但與基準(zhǔn)相比仍有明顯提高，提高幅度與膠粘劑種類有關(guān)，為基準(zhǔn)樣品的193-213 %。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，說明水中養(yǎng)護(hù)不會(huì)影響加固效果。

表6  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。

IV 結(jié)論

1、          配制的五種膠粘劑都具有較好的力學(xué)性能，1-2，2-1，2-2三種膠粘劑適合于如10 ^oC 以下低溫環(huán)境或水工搶修加固工程；2-3膠粘劑適用于常溫環(huán)境（20^oC左右）的加固工程；2-4膠粘劑則適用于如30^oC以上的高溫環(huán)境的加固工程。

2、          用所配制的五種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193-213%。