加固修复混凝土用FRP材料性能的研究

摘要：本文研究了多种树脂和固化剂组成胶粘剂的物理和力学性能及其与两种纤维（碳纤维和高性能E型玻璃纤维）所制成纤维增强塑料（FRP）的拉伸强度。研究表明，所采用胶粘剂的性能以及纤维种类都显著影响FRP的性能。本工作所研制的系列胶粘剂能满足各种环境温度的混凝土加固工程。

关键词：胶粘剂；纤维增强塑料；加固

I  概述

    FRP材料的优良性能使其在航空，军工等领域发挥着重要作用，八十年代以来，日本，美国等发达国家率先将其应用于建筑业，已广泛应用于桥梁，地铁，高架，房屋等的加固工程中。与粘钢等其它加固方法相比，FRP材料具有强度高，重量轻，耐久性好，施工方便等一系列优点，该项技术近几年在我国也得到较快的发展。由于FRP材料为胶粘剂及高性能纤维复合而成，因此，FRP材料的性能主要取决于胶粘剂性能，纤维性能及两者的复合效果。

II  实验材料及方法

1、实验材料

1）环氧树脂，固化剂及添加剂

2）国产高强E型玻璃纤维及进口碳纤维

2、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   

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）纤塑片性能

    参照 GB/T 3354标准，测定不同条件下的拉伸强度。

III 实验结果与讨论

1、胶粘剂的性能

    FRP材料中常用的胶粘剂有聚酯树脂，环氧树脂等，但大量研究结果表明，环氧树脂树脂性能优于聚酯等其它树脂，本研究以环氧树脂作为FRP的胶粘剂。

    胶粘剂的性能包括物理性能和力学性能，而影响这些性能的因素主要有树脂种类，固化剂种类，环境温度等等，下面将分别进行讨论。

1.1 树脂和固化剂种类对胶粘剂力学性能的影响

    树脂和固化剂种类繁多，在此，选择了三种树脂及七种固化剂，配制了若干种胶粘剂，测试了部分力学性能，结果见表1（表中JH和JG分别是树脂和固化剂的代号）。

  表1 各种胶粘剂的力学性能

注：1）、表中正拉强度的基体混凝土强度等级为C50；

2）、环境温度为30 ^OC左右，龄期为21天。

    从表中数据可以看出，树脂种类和固化剂种类对胶粘剂的力学性能均有一定影响。固化剂相同时，JH1和JH2力学性能相对较好，但JH2树脂粘度较大，所配制的胶粘剂粘度也较大，当温度低于12 ^OC时，树脂失去流动性，该树脂宜在夏季使用；在固化剂相同时，JH3树脂所配制胶粘剂力学性能略低于JH1，但只要固化剂选择得当，所配制的胶粘剂仍可以满足有关加固规范要求。

    相对树脂而言，固化剂的选择更为关键，由JH1树脂配制的七个样品中，由JG2和JG3配制的胶粘剂的性能明显差于另外三个固化剂，而且B，C两种胶粘剂的指标不能满足相应加固规范的要求，因此它们不适用于FRP加固工程，但可用于一些修复工程；其余五种胶粘剂所列三种力学性能均满足加固规范要求，且每种胶粘剂都有其各自的特点，实际使用时应合理选择。

1.2 温度对胶粘剂固化速度的影响

    胶粘剂的固化速度对温度非常敏感，而固化速度则会影响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，但允许的操作时间较短，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。表2为温度对不同胶粘剂固化速度和拉伸强度的影响。

图1  胶粘剂黏度与温度的关系

表2  不同温度下胶粘剂的固化速度和拉伸强度

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，配制数量为每拌150克；

    2）、拉伸强度龄期为21天。

    由表2数据可知，胶粘剂的使用时间与树脂和固化剂的种类有着密切关系，同样条件下，胶粘剂F的固化速度最慢，使用时间最长，可用于夏季高环境温度（30 ^OC以上）的条件下，其它季节该胶粘剂需加入助剂或与其它固化剂复合以提高固化速度才能用于加固工程，否则将影响施工进度和施工质量。胶粘剂D的固化速度最快，允许操作的时间最短，可用于冬季的低环境温度（5 ^OC左右）条件下或抢修等对时间有所限制的加固工程。另外环境温度也显著影响胶粘剂的固化时间。一般情况下，同一种固化剂，在不同温度下的固化时间相差很大，环境温度越高，固化速度越快，允许操作时间越短，每种固化剂都有其适宜的温度范围，使用时应根据环境条件，设计施工要求等选择合适的固化剂来配制胶粘剂。

1.3 温度对胶粘剂粘度的影响

    胶粘剂的粘度直接影响到胶粘剂的渗透性能，而温度对胶粘剂粘度的影响不容忽视，一般来说，温度越高，粘度越小，胶粘剂的渗透性越好；但粘度大小及温度影响程度还与胶粘剂本身特性有关。

    图1为胶粘剂A和胶粘剂B不同温度下的粘度。从图中可以看出，温度对两种胶粘剂的粘度都有明显影响，但胶粘剂B粘度受温度影响更为显著。比较两种胶粘剂的特性可以发现，相同温度下性，其适，胶粘剂A的粘度明显小于胶粘剂B，胶粘剂A在10 ^OC 时仍具有较低的粘度，较好的渗透用温度范围较大；而胶粘剂B在20 ^OC 时粘度已经较大。

3、胶粘剂种类及纤维种类对FRP拉伸性能的影响

    为了解不同胶粘剂与碳纤维及玻璃纤维制成复合材料（FRP）后的力学性能，选择了四种胶粘剂分别与两种纤维制成复合材料，表3为各种复合材料的拉伸性能。

表3  各种FRP的拉伸性能

  注：胶粘剂A1由胶粘剂A掺入一定量助剂配制而得；胶粘剂A2由胶粘剂A掺入一定量填料配制而得。

    表3结果说明，FRP材料的性能主要取决于纤维的性能，从所选择的两种纤维来看，碳纤维增强复合材料（ CFRP）的拉伸荷载明显高于玻璃纤维增强复合材料（GFRP），同一种胶粘剂时，前者约为后者的4倍；虽然随着科技的发展，市场也有拉伸强度接近碳纤维的高性能玻璃纤维，但其弹性模量及耐久性仍无法与碳纤维相比，不过由于其价格相对较低，进行加固工程时，可根据工程的部位及具体要求选择纤维。

    尽管对FRP材料而言，胶粘剂的强度与纤维强度相比不在一个数量级，但胶粘剂的性能对FRP的性能及加固效果却有较大影响。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，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，从而达到加固效果。从表中数据可以看出，胶粘剂的性能对FRP的拉伸性能有明显影响，这种影响主要取决于以下两个因素，首先是胶粘剂与纤维的浸润效果，如果浸润效果较差，FRP的整体性就较差，纤维强度难以在FRP材料中有效发挥。胶粘剂B的本体强度和渗透性均不如胶粘剂A ，由它制成的FRP的拉伸荷载较差。另外，从表3中还可以发现，由胶粘剂A掺入适量活性填料制成的胶粘剂A2，虽在一定程度上提高了胶粘剂本体强度，但由它制成的GFRP的拉伸荷载却有所降低。图2是由这两种胶粘剂制成的GFRP的显微结构，显然，掺入活性填料的胶粘剂制成的GFRP表现了较差的浸润效果，导致其拉伸荷载降低。另一方面，在保证浸润效果的前提下，胶粘剂自身的力学性能也会影响FRP材料的性能，表3中A1为胶粘剂A中掺入一定量的助剂，粘度低于同条件下胶粘剂A，浸润性较好，但因自身强度较低，所制成的GFRP的拉伸荷载也偏低。

图2 胶粘剂A和A2所制得的GFRP的显微结构

IV 结论

1、  本工作研制了一系列胶粘剂并具有良好的物理力学性能，其中普通型（A，E，H）适用于常温（10-30^OC）条件下；低温型(D)可用于5^OC左右的低温环境；高温型(H)可用于30^OC以上的高温环境。

2、  胶粘剂的物理和力学性能直接影响FRP材料中纤维强度的发挥。

3、  CFRP的拉伸强度和弹性模量均高于GFRP，前者约为后者的3-4倍。他们分别可适用于不同要求的加固工程。