高溫環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)膠的性能研究

鄭全成 張啟志

摘要：高溫環(huán)境下，建筑結(jié)構(gòu)膠的性能會發(fā)生一定的變化。為了安全起見，在高溫下使用建筑結(jié)構(gòu)膠時必須對其進(jìn)行性能檢測。文章通過實(shí)驗(yàn)研究的方式，研究在不同溫度下兩種建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸性能和拉伸剪強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，高溫環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)膠的性能會發(fā)生顯著變化;當(dāng)溫度不斷升高時，建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量和拉伸剪切強(qiáng)度都會隨之降低，拉伸蠕變和拉伸斷裂伸長率會隨之增加。

關(guān)鍵詞：高溫環(huán)境;建筑結(jié)構(gòu)膠;性能

中圖分類號：TQ437+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0006-05

建筑結(jié)構(gòu)膠因其具有良好的力學(xué)性能、耐久性能等，在建筑維修加固中有著廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者對粘接纖維復(fù)合材料用來加固混凝土構(gòu)件的研究比較多[1-3]。也有學(xué)者單獨(dú)對建筑結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行研究，研究其性能對粘接纖維復(fù)合材料的影響[4-6]。這些研究很多情況下是在常溫環(huán)境中或者是低溫環(huán)境中進(jìn)行，沒有考慮到高溫情況下建筑結(jié)構(gòu)膠的性能是否會發(fā)生變化。根據(jù)國家的相關(guān)規(guī)范要求在使用建筑結(jié)構(gòu)膠用來加固結(jié)構(gòu)時溫度不能超過60℃[7]。當(dāng)常溫環(huán)境時，需要測試建筑結(jié)構(gòu)膠的性能隨著溫度的變化，可知當(dāng)在高溫環(huán)境下進(jìn)行施工時，高溫必然會對建筑結(jié)構(gòu)膠的性能造成一定的影響，所以對高溫環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)膠的性能進(jìn)行研究是非常有必要的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

本文選擇了兩種類型的建筑結(jié)構(gòu)膠，分別為建筑結(jié)構(gòu)膠A和建筑結(jié)構(gòu)膠B。實(shí)驗(yàn)所需的儀器為高低溫萬能材料試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)能夠根據(jù)不同溫度不同的要求實(shí)現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換。

1.2 性能測試標(biāo)準(zhǔn)

性能測試標(biāo)準(zhǔn)見表1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)主要研究的是高溫環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸性能，所以使用的試樣如圖1所示，兩塊鋼板的尺寸為40mmx40mrux4mm，鋼板之間所使用的建筑結(jié)構(gòu)膠厚度為1.5mm，所使用的鋼板是Q235鋼，其Ep= 2.08×10⁵MPa，fpy=235MPa。試樣的樣本制作好之后，為了能夠?qū)⑵鋳A在試驗(yàn)機(jī)上，在兩塊鋼板的中間焊接一節(jié)鋼筋，如圖1所示。讓后再將其夾在實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。將試驗(yàn)機(jī)的加載速度設(shè)置為ION/min，極限拉力為10000N，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)將兩塊鋼板拉開時即停止實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)會自動做好記錄。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

建筑結(jié)構(gòu)膠最重要的兩個性能就是粘接性能和拉伸性能，所以實(shí)驗(yàn)將主要研究高溫對這兩種性能的影響。拉伸性能的測試方法比較簡單，通過拉伸試驗(yàn)?zāi)軌蚍从吵鼋ㄖY(jié)構(gòu)膠的蠕變、拉伸強(qiáng)度和彈性。而粘接性能不能直接進(jìn)行測試，可以通過拉伸剪切強(qiáng)度來進(jìn)行表[8]。

2.1 高溫對建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸性能影響

為了更加突出高溫下結(jié)構(gòu)膠性能的變化，不僅研究了高溫對建筑結(jié)構(gòu)膠的影響，還分析了在常溫環(huán)境下的建筑結(jié)構(gòu)架性能，兩者可以形成對比。所以實(shí)驗(yàn)研究了在23℃、60℃、70℃和80℃下建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸性能。其中拉伸性能包含著拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、彈性模量和拉伸蠕變。

2.1.1 拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和彈性模量的變化

得到的結(jié)果如表2所示的不同溫度下建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸性能，圖2所示的不同溫度下兩種建筑結(jié)構(gòu)膠的粘接強(qiáng)度變化，圖3所示的兩種建筑結(jié)構(gòu)膠的彈性模量和斷裂伸長率的變化。

從表2和圖2可以明顯的看出溫度的變化能夠大幅度的改變建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸強(qiáng)度。當(dāng)溫度不斷升高時，建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸強(qiáng)度不斷降低。從表2中可以計(jì)算出，與23qC時的拉伸強(qiáng)度相比，60℃、70℃和80℃環(huán)境下的建筑結(jié)構(gòu)膠A的拉伸強(qiáng)度分別降低了24.7%、39.4%和71.6%，從而可以得出當(dāng)溫度不斷升高時，建筑結(jié)構(gòu)膠A的拉伸強(qiáng)度降低幅度不斷上升。建筑結(jié)構(gòu)膠B的拉伸強(qiáng)度隨著溫度的升高也在不斷降低，總的來講，當(dāng)溫度不變時，建筑結(jié)構(gòu)膠A的拉伸強(qiáng)度比B的好，尤其是當(dāng)高溫環(huán)境時，建筑結(jié)構(gòu)膠A的拉伸強(qiáng)度顯得更好。

從表2和圖3中可以看出，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，建筑結(jié)構(gòu)膠的斷裂伸長率和拉伸彈性模量發(fā)生了非常大的改變。當(dāng)溫度不斷升高時，建筑結(jié)構(gòu)膠A的拉伸彈性模量不斷下降，且當(dāng)溫度越高時，其下降的幅度就越大;而建筑結(jié)構(gòu)膠B也會隨著溫度的升高其拉伸彈性模量也在不斷下降，但是其下降幅度沒有建筑結(jié)構(gòu)膠A的明顯。當(dāng)溫度不斷升高時，建筑結(jié)構(gòu)膠A和B的斷裂伸長率不斷的升高，且當(dāng)溫度越高時，斷裂伸長率的增長幅度就會越大。從圖3中還可以發(fā)現(xiàn)，在23℃時，2種建筑結(jié)構(gòu)膠的彈性模量相差不大，但是當(dāng)溫度不斷升高時，兩者的比值就不斷增加，而當(dāng)溫度達(dá)到最高即80℃時，2種建筑結(jié)構(gòu)膠的彈性模量相差又不大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因就是2種建筑結(jié)構(gòu)膠的固化體系不一樣，溫度對它們的影響也會不同，在60℃和70℃的環(huán)境下，建筑結(jié)構(gòu)膠A的抗變形能力表現(xiàn)得更好，當(dāng)溫度不斷升高達(dá)到80℃時，此時的2種建筑結(jié)構(gòu)膠發(fā)生了玻璃化轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，于是彈性模量就相差不大。

2.1.2 拉伸蠕變

圖4為不同溫度下2種建筑結(jié)構(gòu)膠的階段拉伸試驗(yàn)，從圖4中可以看出，當(dāng)溫度不斷升高時，建筑結(jié)構(gòu)膠的糯變隨之增長，且其增長非常的明顯。當(dāng)溫度在23。C時，2種建筑結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)變與應(yīng)力呈正比關(guān)系，即當(dāng)應(yīng)力不斷升高時，應(yīng)變也隨之升高，此時建筑結(jié)構(gòu)膠是普彈性階段，其發(fā)生的蠕變是很小的。當(dāng)溫度不斷升高時，升高到60℃時，2種建筑結(jié)構(gòu)膠的曲線差不多還是線性關(guān)系，但是建筑結(jié)構(gòu)膠B發(fā)生了明顯的蠕變在應(yīng)力為8MPa時。當(dāng)溫度上升到70℃時，建筑結(jié)構(gòu)膠A發(fā)生了明顯的蠕變，但是應(yīng)力應(yīng)變曲線差不多還是線性相關(guān)，而建筑結(jié)構(gòu)膠B已經(jīng)不呈線性了，可以觀察到蠕變更加的明顯。當(dāng)溫度達(dá)到80℃時，2種建筑結(jié)構(gòu)膠都不成線性，蠕變比之前就更加明顯。

表3為不同溫度下2種建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸蠕變，圖5為其變化曲線。從圖5中可以看出當(dāng)溫度在70℃之前時，建筑結(jié)構(gòu)膠A的蠕變增長非常的緩慢，當(dāng)溫度大于70℃是，增長速度就非?？?。建筑結(jié)構(gòu)膠B在60℃之后，其蠕變增長才較為快速，很顯然，建筑結(jié)構(gòu)膠A比建筑結(jié)構(gòu)膠B大的蠕變發(fā)生得更加急促。從表3中可以看出，當(dāng)溫度小于或等于70℃時，建筑結(jié)構(gòu)膠A的蠕變比建筑結(jié)構(gòu)膠B小很多，當(dāng)溫度達(dá)到80℃時，2個建筑結(jié)構(gòu)膠的蠕變差別就比較小，以此反映了小于或者等于70℃時，建筑結(jié)構(gòu)膠A的抗形變性能較好，當(dāng)溫度非常高，到達(dá)80℃時，2種建筑膠就沒有什么區(qū)別。

表4為在不同溫度下兩種建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸彈性模量，表中E代表的是初始彈性模量，Es代表的是割線模量，Ed代表的是1h延時彈性模量。通過計(jì)算，將60℃、70℃和80℃下3種彈性模量與23℃下的3種彈性模量相比，當(dāng)溫度為70℃和60℃時，建筑結(jié)構(gòu)膠A的彈性模量比建筑結(jié)構(gòu)膠B下降少，當(dāng)溫度達(dá)到80℃時，2種建筑結(jié)構(gòu)膠的彈性模量就沒多大區(qū)別。

有相關(guān)規(guī)定表明Ed/Es≥0.75。通過表4可以計(jì)算出溫度在70℃時建筑結(jié)構(gòu)膠A的Ed/Es≥0.79，溫度為60℃時建筑結(jié)構(gòu)膠BDE的Ed/Es≥0.76，這2個溫度正好比0.75大一點(diǎn)，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，即建筑結(jié)構(gòu)膠A和B的最高溫度應(yīng)該分別在70℃和60℃左右。從圖4中可以看出，當(dāng)70℃建筑結(jié)構(gòu)膠A和60℃建筑結(jié)構(gòu)膠B已經(jīng)發(fā)生了一定的蠕變，所以為了保證建筑結(jié)構(gòu)膠的使用安全，在高溫環(huán)境下應(yīng)該采取一定的錨固措施。

2.2 高溫對建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸剪切強(qiáng)度的影響

表5和圖6為不同溫度下2種建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸剪切強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)研究了6個不同的溫度。從圖6中可以看出，當(dāng)溫度不斷升高時，2種建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸剪切強(qiáng)度不斷下降，且其下降較為明顯。從圖中可以仔細(xì)觀察到，當(dāng)溫度在60℃以下時，剪切強(qiáng)度下降的趨勢比較平緩，當(dāng)溫度在60-80℃之間時，下降趨勢比較快，當(dāng)溫度繼續(xù)上升時，下降又比較平緩。

從表5和圖7中可以看出，當(dāng)溫度上升到lOOcC時，雖然2種建筑結(jié)構(gòu)膠都有一定的剪切強(qiáng)度，但是其破壞面已經(jīng)發(fā)生了非常大的變化。尤其是從圖7的高溫下破壞形式是非常的明顯，其原因可能是當(dāng)高溫環(huán)境時，建筑結(jié)構(gòu)膠的粘附力出現(xiàn)了大幅度的降低。從表5中可以看出，2種建筑結(jié)構(gòu)膠復(fù)合規(guī)范時所合理的最高溫度分別是70℃和60℃，正好與拉伸蠕變研究的結(jié)果一樣。

3 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，對建筑結(jié)構(gòu)膠的性能會造成非常嚴(yán)重的影響，尤其是當(dāng)溫度上升到一定程度之后，建筑結(jié)構(gòu)膠的性能就不符合規(guī)范，不能在建筑維修加固中使用。通過上面的實(shí)驗(yàn)研究，建筑結(jié)構(gòu)膠A和建筑結(jié)構(gòu)膠B滿足規(guī)范時的最高溫度分別是70℃和60℃，然而在此環(huán)境下，2種建筑結(jié)構(gòu)膠發(fā)生了一點(diǎn)蠕變，需要對其進(jìn)行防護(hù)措施。

參考文獻(xiàn)

[1]肖建莊，于海生，秦燦燦，復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2003（03）：16-21.

[2]楊勇新，王敬，張小冬.碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能初步研究[J].港工技術(shù)，2002（2）：25-27.

[3]任慧韜，胡安妮，趙國藩，凍融循環(huán)對玻璃纖維布加固混凝土梁受力性能影響[J].土木工程學(xué)報(bào).2004，37（4）：104-110.

[4]張首文，王文軍，李紅旭.混凝土加固改造用建筑結(jié)構(gòu)膠黏劑在中國的發(fā)展[J]化學(xué)與粘合，2005（01）：38-41.

[5]申德妍，劉偉區(qū)，班文彬，等.納米聚氨酯改性環(huán)氧建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑的研制[J].綠色建筑，2005，21（4）：35-38.

[6]張新濤，鄭耀臣，孫生霞，低溫固化環(huán)氧建筑結(jié)構(gòu)膠的研制[J].新型建筑材料，2007（10）：47-49.

[7]岳清瑞，楊勇新.《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（ CECS146：2003）介紹[J].建筑結(jié)構(gòu)，2003（06）：69-72.

[8]林美，建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測定因素的分析[J].福建建設(shè)科技，2011（1）：56-57.

作者簡介：鄭全成（1972-），男，漢族，河南駐馬店人，大學(xué)本科，高級工程師，研究方向：建設(shè)工程造價管理。

通訊作者：張啟志（1968-），男，漢族，河南駐馬店人，大學(xué)本科，正高級工程師，研究方向：建設(shè)工程管理。 E-mail： 13939676800@163.com