芳綸纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)專用粘浸樹脂的研究

王 帥，趙文濤，劉 麗

(1. 遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110005；2. 遼寧建科特種建筑技術(shù)工程有限公司，遼寧 沈陽 110005)

粘貼纖維復(fù)合材料加固混凝土構(gòu)件是目前最為常用的建筑結(jié)構(gòu)加固與修復(fù)的方法之一，已經(jīng)納入到2012年實施的《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》GB 50728—2011[1]中，其中研究和使用最多的纖維材料是碳纖維制品(CFRP)。碳纖維布的高拉伸強度、高彈性模量使其能長期承受靜荷載，但是，在動荷載加固領(lǐng)域以及一些對電磁波輻射有嚴(yán)格限制的特殊工程，如高速公路和高速鐵路的橋梁、隧道，人防和地鐵等地下工程，軍事工程等[2-3]。芳綸纖維復(fù)合材料(AFRP)則顯示出了其性能優(yōu)勢，韌性遠(yuǎn)高于CFRP，特別是承受疲勞荷載和沖擊荷載性能，因而它的應(yīng)用數(shù)量與規(guī)模也在大幅提升[4-6]。

本文從浸漬樹脂和纖維增強復(fù)合材料(FRP)的拉伸性能角度，通過的實驗數(shù)據(jù)對比，探討浸漬樹脂對不同種類FRP的影響因素。并對規(guī)范GB 50728—2011相關(guān)內(nèi)容進行深入的理解和討論。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

浸漬樹脂： 試驗用三種浸漬樹脂，樹脂Ⅰ為市售，國外某品牌；樹脂Ⅱ為JGN-C，遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院產(chǎn)品；樹脂Ⅲ為JGN-JC-ZR，為實驗室特殊用途而自制。

芳綸纖維單向布：原絲由日本帝人公司制造，國內(nèi)某企業(yè)編織生產(chǎn)；

碳纖維布單向布：原絲由日本東邦公司制造，國內(nèi)某企業(yè)編織生產(chǎn)。

1.2 試驗設(shè)備

電子萬能試驗機，RGE-2，深圳瑞格爾公司；纖維拉直器，自制；恒溫箱；電子天平等。

1.3 試樣制備

1.3.1 膠體試樣制備

將浸漬樹脂各組分按相應(yīng)比例攪拌混合均勻，注入標(biāo)準(zhǔn)《樹脂澆鑄體性能試驗方法》GB/T 2567—2008規(guī)定的模具中成型，并于23±2 ℃、50±5%RH條件下養(yǎng)護7 d后脫模測試。

1.3.2 纖維復(fù)合材試樣制備

(1)試樣準(zhǔn)備。由于纖維布在織造的過程中存在張力分布不均勻、紗線分布不均勻、織物結(jié)構(gòu)不均勻等特征，而布身部位(織物幅寬方向居中部位)織物的結(jié)構(gòu)、紗線張力分布、排列密度等較均勻。因此，在取樣時一方面要保證抽取樣品的隨機性，同時又要避免纖維布本身的不均勻造成的數(shù)據(jù)失真，因而盡量在織布中部取樣，避開纖維布的瑕疵點。

(2)浸膠制片。在混合均勻的浸漬樹脂上放置纖維布，用滾筒輕輕滾壓纖維布，讓浸漬樹脂從纖維底面充分滲透到上表面，滾壓時順著纖維排列方向以保持纖維順直，不傷纖維；均勻刮涂面層樹脂，使用拉直器在把浸透樹脂的纖維布拉直，覆蓋上透明離型片，趕出氣泡和多余的樹脂，均勻施壓并釋出拉直應(yīng)力，在23±2 ℃、50±5%RH條件下養(yǎng)護7 d。

(3)剪裁制件。選擇均勻完好無氣泡纖維片以每5束纖維為一組裁出230 mm長板條，檢查試樣邊緣兩測纖維束絲是否完整，檢查纖維復(fù)合材表面氣泡情況，將合格的試樣貼上標(biāo)簽、編號。安裝鋁制增強片，完全固化后進行測試。

1.4 試驗方法

按照GB 50728—2011中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法進行在電子萬能試驗機(配有相應(yīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))進行拉伸試驗，加載時保持試驗機的加載軸應(yīng)與試樣的幾何中心一致。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸漬樹脂的膠體拉伸性能

GB 50728—2011對于復(fù)合材料用浸漬樹脂已經(jīng)明確做出強制性規(guī)定(見規(guī)范條文4.2.2和表4.2.2-2)，我們僅以膠體拉伸性能的抗拉強度、彈性模量、斷裂伸長率三項試驗結(jié)果進行比較，如表1所示。

表1 三種粘浸樹脂膠體拉伸性能的試驗結(jié)果

其中的樹脂Ⅰ和樹脂Ⅱ為定型產(chǎn)品，已在實際工程中大量應(yīng)用，樹脂Ⅲ為具有特殊功能的產(chǎn)品，非常規(guī)應(yīng)用品種。從表1中可以樹脂Ⅰ和樹脂Ⅱ的膠體性能均高于規(guī)范A級膠的指標(biāo)要求，由于樹脂Ⅲ中含有一定比例的粉體材料影響到了其拉伸強度，因此只能達(dá)到規(guī)范B級膠指標(biāo)要求。膠體拉伸強度由高到低的順序依次為樹脂Ⅰ>樹脂Ⅱ>樹脂Ⅲ，而三種樹脂的斷裂伸長率依次為樹脂Ⅲ>樹脂Ⅱ>樹脂Ⅰ。膠體拉伸呈彈-塑性變化，應(yīng)力—應(yīng)變曲線并非線性變化，沒有明顯的屈服點，甚至沒有初始直線段，膠體拉伸彈性模量的變化規(guī)律性不強，因此只能作為參考。

2.2 不同樹脂的CFRP和AFRP性能

碳纖維和芳綸纖維都是高強纖維，但是性能差異很大，其原絲主要技術(shù)性能如表2所示。由表2看出芳綸纖維的強度和模量低于建筑結(jié)構(gòu)加固常用的12K碳纖維，延伸率遠(yuǎn)高于碳纖維(纖維原絲技術(shù)性能由廠家產(chǎn)品說明書獲得)，因此芳綸纖維的韌性更好。

表2 原絲主要技術(shù)性能

纖維的差異化要求必須用相應(yīng)的浸潤樹脂配套，否則無法最大程度地充分發(fā)揮出纖維的特性。芳綸纖維的延伸率高于碳纖維約50%，達(dá)到了2.2%，就要求與芳綸纖維配套的粘浸樹脂斷裂延伸率亦應(yīng)大于2.2%(等變形原則)，這樣才能保證芳綸纖維復(fù)合材在承受拉伸荷載時基體樹脂不先于纖維破壞，樹脂的韌性將影響到復(fù)合材料的韌性。此外，樹脂/纖維的粘結(jié)界面的可靠性同樣十分重要，浸漬樹脂與CFRP和AFRP拉伸試驗結(jié)果如表3和表4所示。

表3 浸漬樹脂與CFRP的拉伸試驗結(jié)果

表4 浸漬樹脂與AFRP拉伸試驗結(jié)果

碳纖維的原絲斷裂伸長率為1.6%，三種粘浸樹脂的延伸率都高于1.6%，另外碳纖維屬無機纖維，與環(huán)氧樹脂的粘接性非常好，只要充分浸潤纖維束，它們的復(fù)合材料性能就能得到充分發(fā)揮。如表3所示，三種CFRP的斷裂延伸率達(dá)到或接近1.5%，符合規(guī)范要求，拉伸強度差異應(yīng)該是在合理范圍內(nèi)。其中粘浸樹脂Ⅰ觸變性較強影響到了其對碳纖維絲束的浸潤性，其膠體拉伸強度雖然最高，但碳纖維復(fù)合材拉伸強度反而低一些。

AFRP與CFRP的拉伸性能不同，三種樹脂的AFRP的拉伸性能實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)規(guī)律性變化，其表現(xiàn)為：AFRP拉伸性能隨粘浸樹脂的膠體延伸率提高而增長；AFRP的斷裂伸長率均低于相應(yīng)樹脂的膠體延伸率。

其中，樹脂Ⅲ雖然拉伸強度只有達(dá)到規(guī)范B級膠的水平，但是由于其膠體延伸率高于芳綸纖維絲的斷裂伸長率，復(fù)合材拉伸性能中性最好，唯有它的芳綸纖維復(fù)合材拉伸強度平均值滿足規(guī)范要求。浸漬樹脂Ⅰ和Ⅱ雖然膠體性能好(A級)，可以保證碳纖維在相應(yīng)的碳纖維復(fù)合材中充分發(fā)揮作用，卻沒有在相應(yīng)的AFRP中取得合格成績。此外，在試驗中發(fā)現(xiàn)樹脂Ⅰ觸變性好但浸潤性差，其AFRP試樣受拉時局部纖維絲束因應(yīng)力分布不均勻致使試樣提早破壞，宏觀表現(xiàn)為斷裂面上有游離絲束，因此試驗結(jié)果與鑒定指標(biāo)要求相差很大。這些現(xiàn)象印證了基體樹脂與纖維等變形原則的必要性。

另一方面，由于粘浸樹脂的彈-塑性，與纖維的彈性變化不能很好的協(xié)調(diào)、樹脂/芳綸纖維表面粘接較差等因素，使得粘浸樹脂過早從纖維表面剝離，雖然粘浸樹脂的膠體拉伸斷裂伸長率大于纖維的斷裂伸長率，但是復(fù)合材的斷裂伸長率卻沒有達(dá)到指標(biāo)要求。與碳纖維不同，芳綸纖維雖具有較高的斷裂延伸率(≥2.2%)，但是其龐大苯環(huán)的位阻作用，使得分子主鏈上的酰胺基團很難充分與浸漬樹脂的活性基團發(fā)生反應(yīng)，纖維表面呈現(xiàn)較大的化學(xué)惰性，浸潤性很差，兩相的界面粘結(jié)不理想，容易影響復(fù)合材綜合性能的發(fā)揮。不同浸漬樹脂包含能與酰胺基團反應(yīng)的活性基團不同，活性基團越少，潤濕效果越差，纖維與樹脂的粘結(jié)性能越低。因此，與各類纖維適配的浸潤樹脂的安全性鑒定標(biāo)準(zhǔn)差異化至關(guān)重要，且與芳綸纖維的適配性檢驗不可或缺。

由于國內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)加固工程中芳綸纖維的應(yīng)用量較少，實際“使用時間較短，所積累的經(jīng)驗不多”，因此GB 50728—2011只對芳綸纖維及其復(fù)合材制定了安全性鑒定標(biāo)準(zhǔn)，而沒有專門制定用于芳綸纖維的粘浸樹脂(粘合劑)的安全性鑒定標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范中籠統(tǒng)規(guī)定“粘貼纖維復(fù)合材料用結(jié)構(gòu)膠基本性能鑒定要求”(規(guī)范中的表4.2.2-2)，其中的膠體拉伸性能指標(biāo)顯然并不適合于芳綸纖維復(fù)合材,伸長率只要求≥1.5%，遠(yuǎn)低于AFRP斷裂伸長率(≥2.2%)。參閱GB 50728—2011第8章可見，在工程結(jié)構(gòu)加固用纖維復(fù)合材料拉伸性能中，碳纖維的斷裂伸長率最低，在1.3 %～1.6%之間；芳綸纖維最高，在2.2%～3.0%之間，因此規(guī)范對粘貼纖維復(fù)合材用結(jié)構(gòu)膠的鑒定要求完全適合維。

3 結(jié) 論

(1)芳綸纖維與碳纖維相比在斷裂伸長率上有較大優(yōu)勢，斷裂伸長率取決于材料本身分子鏈的柔性，是材料韌性、耐沖擊性的表征參數(shù)。因此與之配套使用的粘合劑應(yīng)當(dāng)按照等變形原則確定。

(2)GB 50728—2011規(guī)定的粘貼纖維復(fù)合材用結(jié)構(gòu)膠的基本性能鑒定指標(biāo)不能滿足芳綸纖維復(fù)合材的材性要求，應(yīng)當(dāng)在試驗驗證的基礎(chǔ)上適時修正。