碳纤维增强塑料(ＣＦＲＰ)修补加固混凝土新技术是由日本在1980年前后开发出来,并于1984年第1次使用。它是利用建筑结构胶将连续纤维状的碳纤维与混凝土粘接成一整体。到1990年前后,使用这种复合材料补强的实际工程每年只有2～3例。直到1995年日本兵库县大地震修复工程中ＣＦＲＰ修补加固技术才得到了充分的推广应用]。与传统的粘钢加固相比,ＣＦＲＰ修补加固技术操作方便,可大大缩短施工周期,而且补强效果好。目前使用的碳纤维主要是片材,本课题开发的就是碳纤维片材加固用结构胶粘剂。
1 实验部分
1.1 主要原料
低黏度环氧树脂,自制改性剂,液体橡胶,聚醚多元醇,ＨＩＳ填料,复配改性胺类固化剂,偶联剂。
1.2 主要仪器
ＮＤＪ-79黏度计,ＷＤ-1型电子万能实验机,ＳＩＥＭＥＮＳ电冰箱,岛津ＡＧ 5000Ａ型电子万能试验机,贺利氏ＸＥＮＩＴＥＳＴＢＥＴＡＬＭ型老化仪。
1.3 测试标准
人工气候加速老化方法,ＧＢ/Ｔ1865—1997;拉伸强度,ＧＢ/Ｔ2568—1995;压缩强度,ＧＢ/Ｔ2569—1995;弯曲强度,ＧＢ/Ｔ2570—1995;对接接头拉伸强度,ＧＢ/Ｔ6329—1995;拉伸剪切强度,ＧＢ/Ｔ7124—1995;正拉粘接强度,ＣＥＣＳ146:2003。
2 3种胶的配方设计
碳纤维加固用胶包括3种:底胶、整平材料和浸渍用胶。
2.1 浸渍用胶的配方设计
浸渍用胶作用是浸渍纤维片材,使树脂与纤维片材结合为一体,即碳纤维增强塑料(ＣＦＲＰ),达到对混凝土加固的目的,是碳纤维片材粘接的关键材料,要求自身具有优良的力学性、湿润性及工艺操作性和安全性。
2.1.1 浸渍用胶配方
由碳纤维本身的特性及相关资料表明,环氧树脂是碳纤维粘接的理想胶种,我们选择用低黏度环氧树脂,复配改性胺类固化剂、改性剂以及活性稀释剂、偶联剂和助剂。
(1) 改性剂的选择
选用了3种改性剂,配方和测试性能见表1。
测试完剪切强度后,Ｃ配方的钢试片粘接面在空气中很快就锈蚀,无法使用。只对Ａ、Ｂ进行50次耐冻融试验。
试验试片:钢 钢剪切强度试片。
试验条件:浸入常温(23℃)水中3ｈ→放入冰箱中(-20℃)3ｈ→放入烘箱中(50℃)3ｈ,整个过程为一个循环。分别测试10、20、30、40、50次循环后的试片剪切强度,结果见图1。
从图1可以看出,Ｂ配方的耐冻融性能不及Ａ配方,其原因是自制改性剂与环氧在固化时产生了化学交联,从而使粘接更牢固和增加了粘接的耐久性;相对应的液体橡胶只是达到了物理增韧的效果,没有对粘接发挥更好的作用。因此最终配方中采用自制改性剂。
(2)固化剂用量
由图2可见,本胶的配比范围是较宽的,ｍ胶∶ｍ固=5～3∶1(质量分数20%～33%)之间,胶的剪切强度均维持在18ＭＰａ以上。
（3）增韧剂的用量
为了改善环氧树脂固化物的脆性及满足碳纤维浸渍用胶的其他指标要求,需要对增韧剂的用量进行调节。由图3可知,增韧剂用量在10%～15%之间比较适宜。
2.1.2 浸渍用胶的各项性能指标
浸渍用胶固化物性能、粘接性能如下。
固化物性能
拉伸强度/ＭＰａ 60.7
弯曲强度/ＭＰａ 96.0
压缩强度/ＭＰａ 90.0
粘接性能
拉伸剪切强度(金属/金属)/ＭＰａ>20.0
对接接头拉伸强度(金属/金属)/ＭＰａ>30.0
正拉强度(金属/混凝土)/ＭＰａ
混凝土破坏且>3.0
耐介质性能(试后剪切强度),常温浸泡3个月,拉伸剪切强度保持率平均在95%以上(除酸外,10%Ｈ2ＳＯ4剪切强度为17.3ＭＰａ)。
参照ＧＢ/Ｔ1865—1997和ＧＢ/Ｔ7124—1995测试其2000ｈ老化性能,剪切强度为20.4ＭＰａ,基本没有变化,证明耐老化性能优良。
2.2 底胶配方设计
粘接碳纤维之前首先在混凝土表面涂抹底胶,底胶的作用是渗入混凝土的表层,提高树脂对混凝土的粘接性能和混凝土本身的表面强度,特点是低黏度、渗透性强。因为主体材料与浸渍用胶相同,经试验,最后得到的底胶粘接性能与浸渍用胶略同。
2.3 整平材料配方设计
整平材料是用来整平混凝土表面和圆整转角处,以利于粘贴碳纤维片材,基本要求是粘接牢固和操作方便。整平材料配方是在底胶基础上增加了一种新型ＨＩＳ无机填料,使其在施工中易于刮平,而且不粘连、不流挂。最后得到的粘接性能与底胶相同。
3 碳纤维片材加固粘贴工艺
(1)表面处理 要求混凝土表层含水率小于4%或者环境温度高于5℃下才能施工,施工前应清除被加固构件表面疏松部分,至露出混凝土结构层。若有裂缝,应先行修补。若混凝土表面坚实,也应除去浮浆层和油污等杂质,并打磨平整,直至露出新面,且平整度应达到5ｍｍ•ｍ-1;构件转角粘贴处应打磨成圆弧,圆弧半径不小于20ｍｍ。将底胶用滚筒或毛刷均匀涂布在已擦净的混凝土表面,干燥后,再用整平材料将混凝土不平整的地方修补平整。
(2)粘接碳纤维织物 将浸渍用胶均匀涂抹于粘贴部位的表面上,将裁剪好的碳纤维织物敷在涂好浸渍用胶的基层上。用滚筒或者毛刷,使浸渍用胶充分湿润碳纤维织物,使其平整、无气泡。最后一层碳纤维片材的表面应均匀涂抹一层浸渍用胶。
(3)粘贴碳纤维板 将碳纤维板要粘贴的一面用丙酮擦拭干净,至白布擦拭检查无碳微粒为止。再将浸渍用胶涂刷在碳纤维板上,使胶层呈中间突起状,平均厚度1.5～2ｍｍ。将涂胶后的碳纤维板用手轻压贴于设计位置,用特制橡皮滚筒顺纤维方向均匀平稳压实,使树脂胶从板2侧边溢出,保证密实无孔洞。
4 结束语
本课题研制成功的碳纤维片材加固胶粘剂的各项性能指标均达到了《碳纤维片材加固修复混凝土结构规范ＣＥＣＳ146:2003》的要求。与ＪＧＮ系列粘钢胶相比具有使用方便、施工周期短、综合造价更低等优点。经过数年的批量生产,已经在数百项建筑结构加固与改造工程中得到应用,取得了良好的社会效益和经济效益。
