碳纖維加固技術(shù)在水工結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

1、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A2）、加固后混凝土試塊的抗折荷載參照GBJ81-85標(biāo)準(zhǔn)，測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

2、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

3、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 各種膠粘劑的性能膠粘劑編號(hào)樹脂種類固化劑種類拉伸強(qiáng)度(MPa)延伸率（%）拉伸彈模(MPa)彎曲強(qiáng)度(MPa)壓縮強(qiáng)度(MPa)剪切強(qiáng)度(MPa)1-1Aa40.26.91206164.161.410.631-2Ab56.53.73292785.074.010.432-1Ba54.93.21296682.185.610.552-2Bb63.12.64324195.492.410.562-3Bc48.93.9

4、3265277.083.810.212-4Bd48.11.90285364.882.512.17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（10oC）施工。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(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)性能相對較低，而延伸率較大。但樹脂種類對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)，樹脂種類對膠粘劑性能的影響較為顯著。以拉伸強(qiáng)度為例

5、，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。總的來說，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膠粘劑固化速度的影響表2  不同溫度下膠粘劑的適用期膠粘劑號(hào)膠粘劑適用期(min)5(OC)

6、10(OC)15(OC)20(OC)25(OC)30(OC)1-27558423520122-1332017121082-26033282012102-321582724026202-4/34519512595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

7、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膠粘劑號(hào)膠粘劑適用期(min)5(OC)10(OC)15(OC)20(OC)25(OC)30(OC)1-27558423520122-1332017121082-26033282012102-321582724026202-4/34519512595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

8、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

9、越慢，適用期也越長?？梢?，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)度膠粘劑種類基      體干  燥潮濕（飽和水）1-25.613.592-15.364.092-25.123.

10、582-35.323.452-45.243.56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1

11、00×400mm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  不同膠粘劑對干燥基體的加固效果膠粘劑的種類試塊表面情況養(yǎng)護(hù)條件抗折荷載基準(zhǔn)-自然養(yǎng)護(hù)15.0/1002-1干燥自然養(yǎng)護(hù)37.4/2492-2干燥自然養(yǎng)護(hù)36.1/2412-3干燥自然養(yǎng)護(hù)35.5/2372-4干燥自然養(yǎng)護(hù)36.8/2451-2干燥自然養(yǎng)護(hù)3

12、5.7/2382）、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)間膠粘劑種類10（OC）20（OC）30（OC）干燥飽水干燥飽水干燥飽水1-22

13、8029512515570752-12302659011560702-227529511012565702-3/3103251651852-4/420460250280    可見，膠粘劑種類，基體表面溫度及濕度對固化時(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

14、，適用于如10oC 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（20oC左右）的加固工程；2-4膠粘劑適用于如30oC以上高溫環(huán)境的加固工程。對于水工工程，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

15、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  不同膠粘劑對飽水基體的加固效果膠粘劑的種類試塊表面情況養(yǎng)護(hù)條件抗折荷載基準(zhǔn)-自然養(yǎng)護(hù)15.0/1002-1飽和水水中養(yǎng)護(hù)31.2/2082-1*飽和水水中養(yǎng)護(hù)31.9/2132-2飽和水水中養(yǎng)護(hù)29.6/1972-3飽和水水中養(yǎng)護(hù)29.0/1932-4飽和水水中養(yǎng)護(hù)29.6/1971-2飽和水水中養(yǎng)護(hù)29.9/199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