碳纤维布（FRP）加固用胶粘剂的研究
2004-12-30 00:00
前 言
与传统加固技术（如增大构件尺寸，采用预应力，粘贴钢板等）相比，外贴FRP加固技术具有高强高效，适用面广，施工简单，耐久性好，质量轻等一系列优点，近年来由于碳纤维布价格的大幅下降，该项技术在我国得到突飞猛进的发展，成为建筑领域的一个新的分支。我院从1999年就开始进行该项研究，取得了大量研究数据，并在此基础上制订了上海市纤维加固混凝土技术的应用规程，目前每年要承接大量的混凝土加固项目。为了进一步拓宽该项技术的使用范围及确保其有效性，受市科委的委托，项目组于2001年开始又进行了大量研究工作，本报告主要从胶粘剂性能出发，研制适用于不同环境温度，不同基体湿度等条件下的系列胶粘剂。
I 实验材料及方法
一、 主要实验材料
1、 环氧树脂：环氧树脂A及环氧树脂B；
2、 固化剂：不同性能固化剂共11种（1#至11#）
3、 碳纤维：主要性能指标见表1
表1 碳纤维的主要性能
|
指 标 |
名义厚度（mm） |
拉伸强度（MPa） |
拉伸弹性模量（MPa） |
|
产品性能 |
0.167 |
4400 |
235 |
二、 实验方法
1、环氧树脂浇注体性能
拉伸强度，伸长率，拉伸弹性模量实验方法参照GB/T2568-1995
弯曲强度，伸长率，拉伸弹性模量实验方法参照GB/T2570-1995
压缩强度，伸长率，拉伸弹性模量实验方法参照GB/T2569-1995
剪切强度实验方法参照GB/T7124-1986
正拉粘接强度参照《纤维增强复合材料加固混凝土结构技术规程》的附录A
2）、加固后的混凝土试块抗折荷载
参照GBJ81-85标准，测定不同条件下的抗折荷载。
II、实验结果与讨论
一、胶粘剂的配制
众所周知，在纤维加固技术中，胶粘剂的性能非常重要，纤维（碳纤维，玻璃纤维等）只有通过胶粘剂的有效粘接才能制成性能良好的FRP材料。同时，性能良好的FRP材料也只有通过胶粘剂与所加固的混凝土有效粘接，才能与混凝土成为整体，并达到理想的加固效果。
胶粘剂的基料主要是环氧树脂和固化剂。本项目在大量调研及初步实验的基础上，选取了两种树脂(分别表示为A，B )和若干种固化剂作为研究所用的基料，将其分别配制成胶粘剂，21天后测定它们的
拉伸性能，所得结果见表2及表3。
表2 环氧A配制各种胶粘剂的性能
|
胶粘剂编号 |
拉伸强度（MP a） |
延伸率（%） |
弹性模量（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 环氧B配制各种胶粘剂的性能
|
胶粘剂 |
拉伸强度（MP a） |
延伸率（%） |
弹性模量（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 |
为比较树脂品种对胶粘剂性能的影响，将树脂A的各种性能分别除以同种固化剂配制的树脂B的性能可得表4，由表4中可以看出，一般来说，由树脂B配制的胶粘剂拉伸强度及拉伸弹性模量相对较低，延伸率较大，但影响程度还与固化剂的品种有关，拉伸强度的比值在1.06至1.42之间，延伸率的比值在0.34至0.83之间，弹性模量比值在1.11至1.46之间，综合三个比值来看，使用1#及3#固化剂
时，树脂种类影响最大，而使用2#固化剂时，树脂种类的影响最小，因此在配制胶粘剂时必须考虑固化剂和树脂的适应性。
表4 两种环氧树脂性能比较
|
固化剂种类 |
拉伸强度（A/B） |
延伸率（A/B） |
弹性模量（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、环境温度对胶粘剂固化速度的影响
固化速度直接影响到加固工程的进度和质量。固化速度过快，虽有利于加快施工进度，但胶粘剂适用期短，不容易确保粘贴质量，并容易造成材料的浪费；反之，固化速度过慢，虽施工时间充裕，粘贴质量容易保证，但不利于加快施工进度，且粘贴构件的底部时固化过慢容易造成空鼓。影响胶粘剂固化速度的因素很多，除了树脂和固化剂的种类外，温度也是重要的影响因素之一。表5列出了不同温度条
件下几种胶粘剂的适用期。
表5 不同温度下胶粘剂的适用期
|
胶粘剂 |
胶粘剂适用期(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）、表中固化时间是从样品开始混合到固化所经过的时间，配制数量每拌约150克；
由表5数据可知，胶粘剂的适用期主要取决于固化剂的种类及温度，树脂种类的影响相对较小。同样温度下，由4#，5#固化剂配制的胶粘剂固化速度较慢，适用于夏季等较高的环境温度（如30 oC以上）条件下的施工，其它季节该胶粘剂则需经过改性提高固化速度后才能用于加固工程，否则将影响施工进度和施工质量；而由1#，2#固化剂配制的胶粘剂固化速度较快，适用于冬季等较低环境温度（0-10 oC）条件下或抢修等对时间有所限制的加固工程；其它几种固化剂则适用于常温（20 oC左右）环境下的加固工程。此外，固化剂相同时，胶粘剂在不同温度下的固化时间相差很大，温度越高，固化越快，适用期越短。反之，温度越低，固化越慢，适用期也越长。总之，选择胶粘剂除了考虑力学性能外还需考虑胶粘剂在使用条件下的固化速度，以最大限度发挥胶粘剂的使用效果，确保工程质量。
三、 胶粘剂的热变性能
由于配制胶粘剂的主要基体材料为环氧树脂，其在一定环境温度下会发生玻璃化转变，使胶粘剂出现软化，影响加固效果。因此热变温度也是胶粘剂的主要指标之一，表6为几种胶粘剂在不同龄期的热变温度。
表6 胶粘剂的热变温度（oC）
|
胶粘剂种类 |
龄期（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 |
表中数据可知，胶粘剂的热变温度除与胶粘剂的种类有关外，还与胶粘剂的固化时间有关，同样龄期时，A-1，A-2，A-3胶粘剂的热变温度相对较低，7天时的热变温度略小于规范中规定的50OC，但随着固化时间的延长，固化程度不断提高，其热变温度也相应提高，21天时热变温度均超过50OC，都能满足规范要求。而A-5，A-8，A-11胶粘剂的热变温度高于前三种，7天时已达到规范要求，A-5，A-6在21天时的热变温度可达60OC，具有较好的耐热性，可用于使用温度较高（不超过60OC）的加固工程。
四、湿度对胶粘剂粘接强度的影响
由于胶粘剂与混凝土基体的粘接性能，直接影响到加固效果，为了解所加固混凝土基体的湿度对胶粘剂粘接性能的影响，在此分别研究了自然干燥基体在自然养护和饱和水基体在水中养护两种条件下，胶粘剂的正拉粘接强度，结果见表7。
表7 不同湿度条件下胶粘剂的正拉粘接强度
|
胶粘剂种类 |
基 体 | |
|
干 燥 |
潮湿（饱和水） | |
|
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）、表中正拉强度的基体混凝土强度等级为C50；
2）、龄期为21天。
由表中数据可知，胶粘剂与饱水状态基体的正拉粘接强度均小于干燥基体。这是因为水的存在影响胶粘剂向基体的渗透效果及与混凝土基体的粘接所致。表中所列胶粘剂与潮湿基体的正拉粘接强度均满足有关规范的要求，即可用于潮湿基体的加固。
五、 典型胶粘剂的其它力学性能
综合前面的实验结果，选择了六种典型胶粘剂作为研究重点，表8为该六种胶粘剂的全套力学性能。
表8 胶粘剂的全套力学性能
|
胶粘剂种类 |
A-1 |
A-2 |
A-3 |
A-4 |
A-8 |
A-11 |
|
拉伸强度（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 |
|
弹性模量（MPa） |
2966 |
3241 |
2652 |
2853 |
3243 |
3392 |
|
弯曲强度（MPa） |
82.1 |
95.4 |
77.0 |
64.8 |
78.3 |
89.5 |
|
压缩强度（MPa） |
85.6 |
92.4 |
83.8 |
82.5 |
85.4 |
86.4 |
|
粘剪强度（MPa） |
10.55 |
10.56 |
10.21 |
12.17 |
10.48 |
10.33 |
|
正拉粘接强度（MPa） |
5.36 |
5.12 |
5.32 |
6.02 |
5.42 |
5.55 |
|
正拉粘接强度*（MPa） |
4.09 |
3.58 |
3.45 |
3.54 |
2.86 |
2.94 |
注：表中带*样品潮湿基体水中养护条件下的正拉粘结强度。
从表8数据可以看出，六种胶粘剂均具有较好的力学性能，可根据所加固工程的具体条件进行选择，在冬季环境温度较低（0-10OC）的条件下施工可选择A-1，A-2两种胶粘剂，其中A-1可用于5 OC以下。在春秋两季可选择A-3，A-8，A-11三种胶粘剂；夏季高温（高于30 OC）条件可选择A-4胶粘剂。对于表面潮湿的加固工程，可在A-1，A-2，A-3，A-4四种胶粘剂中进行选择，但对于对时间有要求的水利工程，选A-1，A-2为最佳。A-8胶粘剂的热变温度相对较高，可作为使用环境温度较高（不超过60 OC）加固工程的首选。
六、应用胶粘剂对混凝土试块进行加固的研究
前面的试验结果使我们对胶粘剂的性能及特点有了初步了解，在此基础上我们将其应用于混凝土试块的加固中研究其加固效果。分别用上述六种胶粘剂进行了试块的加固试验，所使用的试块尺寸为100×100×525mm，试验时在其侧面粘贴一层100×400mm的300K碳纤维布，纤维布端部用50mm进行锚固，养护14天后，测定其的抗折荷载。
1）、干燥基体的加固效果
表9总结了五种胶粘剂对干燥混凝土试块的加固效果。由表中数据可知，加固后混凝土试块的抗折荷载均有较大提高，提高幅度为基准的237-249%，其中1-2胶粘剂的提高幅度最大。
表9 不同胶粘剂对干燥基体的加固效果
|
胶粘剂的种类 |
试块表面情况 |
养护条件 |
抗折荷载 |
|
基准 |
------------------ |
自然养护 |
15.0/100 |
|
A-1 |
干燥 |
自然养护 |
37.4/249 |
|
A-2 |
干燥 |
自然养护 |
36.1/241 |
|
A-3 |
干燥 |
自然养护 |
35.7/238 |
|
A-4 |
干燥 |
自然养护 |
36.8/245 |
|
A-8 |
干燥 |
自然养护 |
36.4/243 |
|
A-11 |
干燥 |
自然养护 |
36.6/244 |
2）、饱水基体的加固效果
由于水工结构具有其特殊性，加固施工时表面一般为潮湿状态，且施工后必须浸在水中。试验表明，若碳纤维贴好后马上浸水，由于水较强的渗透力及一些其它的外力，会破坏碳纤维与基体的粘接性能从而出现起鼓。因此，必须待胶粘剂固化产生一定强度后浸水，才能确保粘贴效果。
为了进一步了解各种胶粘剂在潮湿基体上的加固效果，将试块放入水中饱水后在进行加固，待其固化后放入水中养护一定龄期，再测试其抗折荷载，结果见表11。
表11 不同胶粘剂对饱水基体的加固效果
|
胶粘剂的种类 |
试块表面情况 |
养护条件 |
抗折荷载 |
|
基准 |
------------------ |
自然养护 |
15.0/100 |
|
A-1 |
饱和水 |
水中养护 |
31.2/208 |
|
A-2 |
饱和水 |
水中养护 |
30.8/205 |
|
A-3 |
饱和水 |
水中养护 |
29.0/193 |
|
A-4 |
饱和水 |
水中养护 |
29.6/197 |
|
A-8 |
饱和水 |
水中养护 |
25.6/171 |
|
A-11 |
饱和水 |
水中养护 |
24.8/165 |
|
A-1* |
饱和水 |
水中养护 |
31.9/213 |
注：表中带*样品水中养护100天，其余样品水中养护14天。
由表中数据可知，饱水基体加固后试块的抗折荷载虽然低于同条件的干燥基体，一般为其68-86%左右，但与基准相比均有所提高，提高幅度与胶粘剂种类有关，为基准样品的165-213 %，其中A-6及A-11在潮湿环境中效果较差。水中养护100天与养护14天的试块强度没有明显变化，说明水中养护不会影响加固效果。
III 结论
1、配制的六种胶粘剂都具有较好的力学性能，拉伸强度在48.1-63.1 MPa，延伸率在1.68-3.93%，弹性模量在2652-3392 MPa；其它力学性能也均满足规范要求；
2、根据胶粘剂的固化速度，可分别将其用于不同的环境温度，A-1，A-2，两种胶粘剂适合于0-10 oC 以下的低温环境，A-3，A-8，A-11三种胶粘剂适用于常温环境（20oC左右）的加固工程；A-4胶粘剂则适用于30oC以上的高温环境的加固工程。
3、胶粘剂A-1，A-2 ，A-3， A-4可用于潮湿环境中的加固工程，其中A-1，A-2固化速度快，可用水工抢修加固工程；
4、胶粘剂的种类及固化时间均影响胶粘剂的热变温度，21天时，几种胶粘剂的热变温度均高于50 oC，其中A-8 达60 oC以上，可用于使用温度较高的加固工程；
5、用所配制的胶粘剂加固混凝土试块后，混凝土试块的抗折荷载显著提高，干燥基体为基准样品的237-249%，饱水基体为基准样品的168-213%。
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