粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的制備與性能研究

曹金保

（南昌理工學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 前言

鋼筋混凝土梁等工程結(jié)構(gòu)因受力狀態(tài)、環(huán)境侵蝕等原因，在服役一段時(shí)間后，容易出現(xiàn)撓曲變形開裂、承載力下降等問題，必須進(jìn)行加固、修復(fù)，以保證工程結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。粘貼碳纖維復(fù)合板是混凝土結(jié)構(gòu)常用的加固技術(shù)，粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板是針對(duì)大跨度梁這類特定工程結(jié)構(gòu)最有效的加固方式[1－2]。由于碳纖維板具有極高的抗拉強(qiáng)度，因此可以通過對(duì)其施加預(yù)應(yīng)力的方式，減小工程結(jié)構(gòu)的撓曲變形，從而大大提高鋼筋混凝土梁等結(jié)構(gòu)承受抗彎作用力的能力，起到良好的加固效果[3]。采用預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板進(jìn)行加固時(shí)，需要在混凝土和碳纖維復(fù)合板之間涂抹環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，以讓應(yīng)力更好地傳遞至碳纖維復(fù)合板上，起到應(yīng)力分散效果。由于使用過程中需要施加預(yù)應(yīng)力，所以粘貼碳纖維復(fù)合板用的結(jié)構(gòu)膠，對(duì)抗拉、抗彎強(qiáng)度以及韌性等比一般建筑結(jié)構(gòu)膠的要求高得多。普通環(huán)氧建筑結(jié)構(gòu)膠的強(qiáng)度不能滿足粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板的應(yīng)用要求[4－5]。因此，必須根據(jù)粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板的特殊需求，開發(fā)高性能環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，以滿足日益嚴(yán)峻的工程加固需求。

優(yōu)選復(fù)合稀釋劑、復(fù)合固化劑、增強(qiáng)填料和增韌劑等，制備了高強(qiáng)度的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，對(duì)鋼筋混凝土梁粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板加固修復(fù)具有重要意義。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

環(huán)氧樹脂：E-51，環(huán)氧值為 0.48～0.54 mol/100 g，粘度為10～11 Pa·s，工業(yè)級(jí)，南通星辰合成材料有限公司；改性芳香胺固化劑：為間苯二胺、苯酚和甲醛縮合物，胺值為240～280 mgKOH/g，粘度為 100～140 mPa·s，活潑氫當(dāng)量為 93，工業(yè)級(jí)，南京源泉復(fù)合材料有限公司；聚酰胺固化劑：胺值為400～440 mgKOH/g，粘度為 2～10 Pa·s，活潑氫當(dāng)量為 93，工業(yè)級(jí)，常州市潤(rùn)翔化工有限公司；C12～C14烷基縮水甘油醚（AGE）：環(huán)氧值為 0.30～0.34 mol/100 g，粘度為 5～10 mPa·s；芐基縮水甘油醚：692，環(huán)氧值≥0.43 mol/100 g，粘度為 5～8 mPa·s，工業(yè)級(jí)，廣州經(jīng)煒化工有限公司；液體丁腈橡膠：端羥基，相對(duì)分子質(zhì)量為 3000～3500，粘度為 2500 Pa·s，工業(yè)級(jí)，深圳市瑪斯尼彈性體有限公司；氣相白炭黑，工業(yè)級(jí)，贏創(chuàng)德固賽特種化學(xué)（上海）有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：KH-550，工業(yè)級(jí)，日本信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社；水泥：P·O42.5，上海金山水泥廠；超細(xì)石英粉：2000目，工業(yè)級(jí)，江西盛泰化工有限公司；碳纖維：T300，平均長(zhǎng)度3 mm，工業(yè)級(jí)，威海光威復(fù)合材料股份有限公司；乙醇，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要試驗(yàn)儀器設(shè)備

JB90-SH型數(shù)顯恒速攪拌器，上海標(biāo)本模型廠；ZWICK ZO20/TN25型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，德國(guó)ZWICK/ROELL集團(tuán)公司。

1.3 環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的制備

1.3.1 基本配合比（見表1）

表1 環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的基本配合比

1.3.2 環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的制備方法

（1）偶聯(lián)劑改性填料的制備：將150 g水泥和150 g超細(xì)石英粉混合均勻，裝入托盤，在105℃的烘箱中加熱10 min后取出，然后不斷顛動(dòng)托盤并用帶霧化噴嘴的噴壺噴入3 g經(jīng)5 ml乙醇稀釋的硅烷偶聯(lián)劑KH-550，偶聯(lián)劑加完后，繼續(xù)在烘箱中加熱15 min，關(guān)掉烘箱冷卻至室溫，制得偶聯(lián)劑改性填料。

（2）A組份的制備：將環(huán)氧樹脂、稀釋劑、氣相白炭黑、液體丁腈橡膠及經(jīng)偶聯(lián)劑處理的填料水泥和超細(xì)石英粉按設(shè)計(jì)配合比在攪拌機(jī)上高速分散均勻。

（3）B組份制備：將改性芳香胺固化劑、聚酰胺固化劑及經(jīng)偶聯(lián)劑處理的填料水泥和超細(xì)石英粉按設(shè)計(jì)配合比在攪拌機(jī)上高速分散均勻。

（4）結(jié)構(gòu)膠的制備：使用前，將A、B組份按2∶1質(zhì)量比混合、攪拌均勻即可。

1.4 性能測(cè)試方法

（1）抗流淌性：參照NSEN 1799—1999《產(chǎn)品和系統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)和維修》進(jìn)行。在清理干凈的混凝土試塊表面涂刷寬×高×厚＝5 cm×5 cm×3 mm的膠層，垂直放置30 min后，測(cè)試膠液的流淌距離，作為結(jié)構(gòu)膠的抗流淌性指標(biāo)。

（2）抗拉、抗壓及抗彎強(qiáng)度：參照GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

（3）拉伸抗剪強(qiáng)度：參照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定（剛性材料對(duì)剛性材料）》進(jìn)行。

（4）正拉粘結(jié)強(qiáng)度：參照GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》中附錄G《粘結(jié)材料粘合加固材與基材的正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)室測(cè)定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，粘結(jié)基材為C45混凝土。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 稀釋劑用量對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響

按表1的配合比，固定稀釋劑AGE和692的總用量為E-51環(huán)氧樹脂質(zhì)量的5%，其它試驗(yàn)條件不變，稀釋劑AGE和692各自用量對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響見表2。

表2 稀釋劑用量對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響

從表2可以看出，隨著稀釋劑AGE用量增加、692用量減少，環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的抗壓、抗拉及抗彎強(qiáng)度都不斷下降，但抗彎韌性不斷提高。因?yàn)?，稀釋劑AGE的分子鏈較長(zhǎng)，呈線性結(jié)構(gòu)，為柔性稀釋劑，降低了環(huán)氧樹脂固化物的剛性，固化物的力學(xué)強(qiáng)度降低，但固化物的韌性提高。而692稀釋劑分子結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)，為剛性稀釋劑，對(duì)環(huán)氧樹脂固化物的剛性降低作用較小，固化物的力學(xué)強(qiáng)度下降較少。AGE和692稀釋劑都對(duì)環(huán)氧樹脂具有稀釋作用，AGE稀釋劑的稀釋效果優(yōu)于692稀釋劑，稀釋劑的加入雖然降低了環(huán)氧樹脂固化物的交聯(lián)密度和剛性，降低了環(huán)氧樹脂固化物的力學(xué)強(qiáng)度，但稀釋劑的使用能夠增加無(wú)機(jī)填料的用量，從而改善結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能、降低生產(chǎn)成本。環(huán)氧樹脂稀釋后，對(duì)粘結(jié)基材的浸潤(rùn)能力增加，也有利于粘結(jié)強(qiáng)度的提高。將柔性稀釋劑AGE與剛性稀釋劑692復(fù)合使用，能在顯著降低環(huán)氧樹脂粘度的同時(shí)，保證環(huán)氧固化物具有較好的韌性和力學(xué)強(qiáng)度[6－7]。當(dāng)稀釋劑AGE的用量增加到3%時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的抗彎試樣由脆性的碎裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榉撬榱哑茐?，綜合性能最好。因此，稀釋劑AGE和692的最佳用量分別為3%和2%。

2.2 固化劑用量對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響

按表1的配合比，固定稀釋劑AGE和692的用量分別為E-51環(huán)氧樹脂質(zhì)量的3%、2%，其它試驗(yàn)條件不變，聚酰胺固化劑和改性芳香胺固化劑的總用量為E-51環(huán)氧樹脂質(zhì)量的50%，聚酰胺和改性芳香胺各自用量對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響見表3。

表3 固化劑用量對(duì)結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響

從表3可以看出，隨著聚酰胺固化劑用量增加、改性芳香胺固化劑用量減少，結(jié)構(gòu)膠的抗壓、抗拉及抗彎強(qiáng)度都不斷下降，但抗彎韌性不斷提高。因?yàn)?，聚酰胺固化劑的分子鏈長(zhǎng)，呈線性結(jié)構(gòu)，為柔性固化劑，與環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)后，交聯(lián)點(diǎn)間的間距較大，交聯(lián)點(diǎn)間的分子鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)容易，固化產(chǎn)物的剛性較小，力學(xué)強(qiáng)度低，但固化產(chǎn)物的韌性提高。而改性芳香胺固化劑的分子鏈短，分子結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)，為剛性固化劑，與環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)后，結(jié)構(gòu)膠的剛性較大，力學(xué)強(qiáng)度高，脆性也較大。所以，隨聚酰胺固化劑用量增加、改性芳香胺固化劑用量減少，結(jié)構(gòu)膠的抗壓、抗拉及抗彎強(qiáng)度不斷下降，抗彎韌性不斷提高。將柔性的聚酰胺固化劑與剛性的改性芳香胺固化劑復(fù)配使用，能在保證結(jié)構(gòu)膠具有較高力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)具有良好的韌性[8]。當(dāng)聚酰胺固化劑的用量增加到20%時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的抗彎試樣由脆性的碎裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榉撬榱哑茐?，綜合性能最好。因此，聚酰胺固化劑和改性芳香胺固化劑的最佳用量分別為20%、30%。

2.3 填料用量對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠性能的影響

按表1配合比，固定聚酰胺固化劑和改性芳香胺固化劑的用量分別為E-51環(huán)氧樹脂質(zhì)量的20%、30%，氣相白炭黑用量為E-51環(huán)氧樹脂質(zhì)量的2.5%，其它試驗(yàn)條件不變，填料水泥和超細(xì)石英粉的質(zhì)量比為1∶1，不同的水泥和超細(xì)石英粉用量對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠性能的影響見表4。

表4 填料用量對(duì)結(jié)構(gòu)膠性能的影響

從表4可以看出，隨著水泥和超細(xì)石英粉用量增加，結(jié)構(gòu)膠的流淌距離不斷縮短，抗壓強(qiáng)度及拉伸抗剪強(qiáng)度先升高后下降，當(dāng)水泥和超細(xì)石英粉的用量分別為125%時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的抗流淌性能最好，抗壓及拉伸抗剪強(qiáng)度最高。因?yàn)椋嗪统?xì)石英粉顆粒的比表面積較大，表面能吸附大量的環(huán)氧樹脂及固化劑分子鏈，與環(huán)氧樹脂和固化劑分子鏈間的摩擦力較大，所以，隨填料水泥和超細(xì)石英粉用量增加，結(jié)構(gòu)膠的粘度不斷增大，流淌性不斷下降。

水泥和超細(xì)石英粉為剛性填料，其抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)氧樹脂本體的抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量，因此，剛性的顆粒狀填料在環(huán)氧樹脂基體中能起到“骨架支撐”作用，在壓縮方向上能承受較高的抗壓應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)膠起到增強(qiáng)作用[9]。所以，隨水泥和超細(xì)石英粉用量增加，結(jié)構(gòu)膠的抗壓強(qiáng)度不斷提高。但當(dāng)水泥和超細(xì)石英粉的用量分別大于125%時(shí)，過多的填料無(wú)法被環(huán)氧樹脂和固化劑充分浸潤(rùn)，在結(jié)構(gòu)膠體系中產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。

一方面，水泥和超細(xì)石英粉的加入提高了結(jié)構(gòu)膠的剛性，從而提高了結(jié)構(gòu)膠的本體破壞強(qiáng)度；另一方面，由于水泥和超細(xì)石英粉顆粒與環(huán)氧樹脂和固化劑分子鏈間具有較高的摩擦力，提高了結(jié)構(gòu)膠的粘度，降低了結(jié)構(gòu)膠的流淌性，所以結(jié)構(gòu)膠的施膠層厚度不斷增加，而且在承受剪切作用力時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的層間相對(duì)滑移力增加。所以，隨水泥和超細(xì)石英粉用量增加，結(jié)構(gòu)膠的拉伸抗剪強(qiáng)度不斷升高。但當(dāng)水泥和超細(xì)石英粉的用量分別大于125%時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的粘度急劇增加，對(duì)粘結(jié)基材的浸潤(rùn)能力變差，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠的拉伸抗剪強(qiáng)度下降。綜上，水泥和超細(xì)石英粉的最佳用量分別為125%。

2.4 增韌劑用量對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠抗彎性能的影響

按表1的配合比，固定填料水泥和超細(xì)石英粉的用量分別為E-51環(huán)氧樹脂質(zhì)量的125%，其它試驗(yàn)條件不變，增韌劑液體丁腈橡膠用量對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響見表5。

表5 液體丁腈橡膠用量對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠抗彎強(qiáng)度的影響

從表5可以看出，隨著增韌劑液體丁腈橡膠用量增加，環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的抗彎強(qiáng)度不斷下降，抗彎試樣的破壞形式由脆性的碎裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榉撬榱哑茐?，結(jié)構(gòu)膠的韌性不斷增加。加入剛性的顆粒狀填料水泥和超細(xì)石英粉后，結(jié)構(gòu)膠的剛性進(jìn)一步增加，脆性也大大增加，抗彎試樣發(fā)生碎裂破壞，當(dāng)液體丁腈橡膠用量增加到6%時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的抗彎試樣呈非碎裂破壞形式，韌性得到較大改善。因?yàn)?，液體丁腈橡膠具有較好的彈性，均勻分散于剛性的結(jié)構(gòu)膠基體中時(shí)，形成以結(jié)構(gòu)膠為連續(xù)相，彈性橡膠粒子為分散相的“海島結(jié)構(gòu)”，海島結(jié)構(gòu)能有效地終止、枝化裂紋、誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)膠體系變形的產(chǎn)生，從而提高結(jié)構(gòu)膠的韌性[10－11]。同時(shí)，液體丁腈橡膠的加入降低了結(jié)構(gòu)膠體系的剛性，所以，隨液體丁腈橡膠用量增加，環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的抗彎強(qiáng)度不斷下降。因此，液體丁腈橡膠的最佳用量為6%。

2.5 碳纖維用量對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠抗拉強(qiáng)度的影響

按表1的配合比，固定液體丁腈橡膠的用量為E-51環(huán)氧樹脂質(zhì)量的6%，其它試驗(yàn)條件不變，碳纖維用量對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠抗拉強(qiáng)度的影響見表6。

表6 碳纖維用量對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠抗拉強(qiáng)度的影響

從表6可以看出，隨著碳纖維用量增加，環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的抗拉強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)碳纖維用量為5%時(shí)，環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的抗拉強(qiáng)度取得最大值44 MPa。由于碳纖維的尺寸較長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)氧樹脂，所以，當(dāng)長(zhǎng)尺寸的高強(qiáng)度碳纖維均勻分散于結(jié)構(gòu)膠基體中時(shí)，在拉伸方向上起到增強(qiáng)相作用，抵抗抗拉應(yīng)變的產(chǎn)生，從而提高結(jié)構(gòu)膠承受抗拉作用力的能力。碳纖維用量≤5%時(shí)，長(zhǎng)尺寸的碳纖維能均勻分散于粘稠的結(jié)構(gòu)膠基體中，起到增強(qiáng)作用。但當(dāng)碳纖維用量＞5%時(shí)，碳纖維用量過多，在粘稠的結(jié)構(gòu)膠體系中無(wú)法完全伸展，不能起到增強(qiáng)作用，形成的蜷曲、團(tuán)聚結(jié)構(gòu)成為應(yīng)力薄弱點(diǎn)，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度下降。所以，碳纖維的最佳用量為5%。

2.6 環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的最優(yōu)配合比及性能

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可知，制備環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的最優(yōu)配合比為：m（環(huán)氧樹脂）∶m（AGE）∶m（692）∶m（聚酰胺固化劑）∶m（改性芳香胺固化劑）∶m（氣相白炭黑）∶m（液體丁腈橡膠）∶m（KH-550）∶m（水泥）∶m（超細(xì)石英粉）∶m（碳纖維）=100∶3∶2∶20∶30∶2.5∶6∶2.5∶125∶125∶5。按最優(yōu)配合比制備的粘貼碳纖維板用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的性能測(cè)試結(jié)果見表7。

表7 粘貼碳纖維板用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的性能

由表7可見，該結(jié)構(gòu)膠的性能符合GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的粘貼碳纖維板用Ⅲ類膠的要求，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)粘貼碳纖維板加固具有重要意義。

3 結(jié)論

（1）AGE稀釋劑、聚酰胺固化劑和液體丁腈橡膠的用量越多，制備的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的韌性越好，但力學(xué)強(qiáng)度越低。AGE稀釋劑、聚酰胺固化劑和液體丁腈橡膠的最佳用量分別為E-51環(huán)氧樹脂質(zhì)量的3%、20%和6%。

（2）水泥和超細(xì)石英粉能顯著提高環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的抗壓強(qiáng)度及拉伸抗剪強(qiáng)度；短切碳纖維能顯著提高結(jié)構(gòu)膠的抗拉強(qiáng)度。水泥、超細(xì)石英粉和碳纖維的最大用量分別為E-51環(huán)氧樹脂質(zhì)量的125%、125%和5%。

（3）制備的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的最優(yōu)配合比為：m（環(huán)氧樹脂）∶m（AGE）∶m（692）∶m（聚酰胺固化劑）∶m（改性芳香胺固化劑）∶m（氣相白炭黑）∶m（液體丁腈橡膠）∶m（KH-550）∶m（水泥）∶m（超細(xì)石英粉）∶m（碳纖維）=100∶3∶2∶20∶30∶2.5∶6∶2.5∶125∶125∶5。制備的結(jié)構(gòu)膠施膠層厚度為3 mm時(shí)不淌膠，抗拉強(qiáng)度為44 MPa，抗彎強(qiáng)度為52 MPa（且呈非碎裂破壞狀態(tài)），抗壓強(qiáng)度為88 MPa，拉伸抗剪強(qiáng)度為18 MPa，正拉粘結(jié)強(qiáng)度4.8 MPa（且為混凝土內(nèi)聚破壞），符合GB 50728—2011規(guī)定的粘貼碳纖維板用Ⅲ類結(jié)構(gòu)膠的要求，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)粘貼碳纖維板加固具有重要意義。

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