姜樂樂,姜福香, 2,*,王富羚,王玉田
(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,青島 266525;2. 山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心,青島 266525)
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymers ,簡(jiǎn)稱CFRP)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、容易加工等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的安全加固領(lǐng)域。對(duì)比未經(jīng)加固的結(jié)構(gòu),加固結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、承載能力和抵抗變形能力都明顯提高。
傳統(tǒng)加固技術(shù)中普遍采用有機(jī)膠(環(huán)氧樹脂)粘貼CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu),有機(jī)膠在常溫下具有良好的黏結(jié)性能,但也存在明顯的缺陷,即有機(jī)膠的熱穩(wěn)定性和長(zhǎng)期化學(xué)穩(wěn)定性較差。鑒于堿激發(fā)膠凝材料具有耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),大量學(xué)者開始用堿激發(fā)膠凝材料作為無機(jī)膠代替有機(jī)膠粘貼CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外堿激發(fā)膠凝材料的制備方法、反應(yīng)機(jī)理、耐久性能及堿激發(fā)無機(jī)膠粘貼CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的主要研究進(jìn)展,并對(duì)未來發(fā)展方向進(jìn)行展望。
堿激發(fā)膠凝材料主要由前驅(qū)膠凝材料(如礦粉、粉煤灰、偏高嶺土等)、堿激發(fā)劑和水拌合后形成的膠凝物質(zhì)。常見的堿激發(fā)膠凝材料主要有堿激發(fā)粉煤灰膠凝材料、堿激發(fā)礦粉膠凝材料、堿激發(fā)粉煤灰/礦粉復(fù)合的膠凝材料等。
堿激發(fā)劑的種類、濃度和水玻璃模數(shù)對(duì)膠凝材料的力學(xué)性能、工作性能均有顯著影響[1-2]。李立坤等[3]對(duì)比了不同堿性激發(fā)劑(NaOH、Na2SO4、Na2CO3、水玻璃)對(duì)堿激發(fā)礦渣性能的影響,通過水化全過程分析表明水玻璃的激發(fā)效果最好。膠凝材料的抗壓強(qiáng)度隨水玻璃模數(shù)的增大,呈先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)模數(shù)低時(shí)堿性較強(qiáng),易于與空氣中的CO2反應(yīng)生成Na2CO3晶體;當(dāng)水玻璃的模數(shù)較高時(shí),堿性相對(duì)較弱從而影響激發(fā)效果[4]。同時(shí),有研究表明復(fù)合激發(fā)劑對(duì)膠凝材料的激發(fā)效果要好于單獨(dú)使用相同濃度堿溶液的激發(fā)效果[5]。
堿激發(fā)膠凝材料的水化反應(yīng)速度跟堿離子濃度有關(guān),堿離子濃度越高,水化反應(yīng)速度越快[6]。通過微觀分析發(fā)現(xiàn),堿激發(fā)礦粉膠凝材料的水化產(chǎn)物除C-S-H凝膠外,還有C-A-S-H凝膠生成[7]。雖然堿激發(fā)礦粉膠凝材料的抗壓強(qiáng)度較高,但堿激發(fā)礦粉膠凝材料的干燥收縮特別大[8]。在膠凝材料中摻加適當(dāng)?shù)姆勖夯?,可以改善堿激發(fā)膠凝材料的流動(dòng)性[9]、抗酸侵蝕[10]、抗干燥收縮[11]等性能。但是,堿激發(fā)礦渣膠凝材料抗壓強(qiáng)度也會(huì)隨著粉煤灰摻量的增加而下降。當(dāng)粉煤灰的摻量較大時(shí),單純的化學(xué)激發(fā)很難達(dá)到理想的激發(fā)效果,常利用高溫養(yǎng)護(hù)方式以促進(jìn)膠凝材料強(qiáng)度的發(fā)展[12]。
堿激發(fā)膠凝材料的前驅(qū)膠凝物主要由硅氧四面體和鋁氧四面體兩種基本結(jié)構(gòu)單元組合而成,根據(jù)Si/Al比的不同將前驅(qū)膠凝材料分為三種組成形式(表1):1)單硅鋁質(zhì)(Si/Al=1),以[-Si-O-Al-O-]為基本構(gòu)成單元;2)雙硅鋁質(zhì)(Si/Al=2),以[-Si-O-Al-O-Si-O-]為基本構(gòu)成單元;3)三硅鋁質(zhì)(Si/Al=3),以[-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-]為基本構(gòu)成單元[13]。
表1 前驅(qū)膠凝材料的基本結(jié)構(gòu)單元
≡Si-O-Ca-O-Si≡+2NaOH→2(≡Si-O-Na)+Ca(OH)2
(1)
≡Si-O-Si+H-O-H→2(≡Si-OH)
(2)
≡Si-OH+NaOH→≡Si-O-Na+H-O-H
(3)
水玻璃水解后,生成含水硅膠和NaOH,OH-使得礦渣玻璃體表面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解體分離,不斷釋放出Ca2+,Mg2+等,并不斷向內(nèi)部孔隙擴(kuò)散。含水硅膠Si(OH)4則與溶液中的Ca2+和OH-反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠(C-S-H),OH-的消耗又加速了水玻璃的水解。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,玻璃體由外到內(nèi)不斷被水解,釋放出更多的Mg2+,Ca2+和活性SiO2,繼續(xù)生成C-S-H凝膠。同時(shí),溶出的Mg2+,Ca2+與粉煤灰玻璃體反應(yīng)生成類沸石礦物[16]。
隨著研究不斷深入,學(xué)者們發(fā)現(xiàn)前驅(qū)膠凝物質(zhì)種類對(duì)堿激發(fā)膠凝材料的反應(yīng)機(jī)理有重要影響。鈣含量高的前驅(qū)物(如礦渣)主要生成以Q2為結(jié)構(gòu)單元的C-A-S-H凝膠結(jié)構(gòu)體系,而鈣含量低的前驅(qū)物(如粉煤灰、偏高嶺土)傾向于生成以Q4為結(jié)構(gòu)單元的類沸石N-A-S-H凝膠結(jié)構(gòu)體系[7],兩種凝膠物質(zhì)共同存在于膠凝材料中。隨著反應(yīng)的推進(jìn),生成的凝膠結(jié)構(gòu)不斷生長(zhǎng)、老化最終形成結(jié)晶的沸石相[17-18]。
1.3.1 抗酸侵蝕性能
堿激發(fā)膠凝材料具有良好的抗酸侵蝕性能。堿激發(fā)膠凝材料經(jīng)過酸性溶液浸泡后的質(zhì)量損失小[19]、腐蝕深度淺、殘余抗壓強(qiáng)度高[20]。侵蝕后的強(qiáng)度損失與SiO2/Al2O3比值有關(guān),材料的劣化是由于Na+和Al3+向溶液中遷移所致[21]。胡潔等[22]將堿激發(fā)礦渣和粉煤灰試塊放入40%的濃硫酸中浸泡28 d后發(fā)現(xiàn),試塊外觀保持完整,表面沒有起皮、發(fā)酥等現(xiàn)象。將堿激發(fā)礦渣、粉煤灰、偏高嶺土制成的試塊分別浸泡在稀硫酸中,試塊表面均保持完整,但抗壓強(qiáng)度有所降低。其中,堿礦渣膠凝材料的降低最少,堿激發(fā)偏高嶺土強(qiáng)度損失最大。伍勇華等[10]研究發(fā)現(xiàn),在堿激發(fā)礦渣膠凝材料中摻入40%的粉煤灰時(shí),試塊的耐鹽酸腐蝕性能明顯提高。BERNAL等[23]將堿激發(fā)礦渣試件浸入pH=4.5的醋酸中150 d發(fā)現(xiàn),堿激發(fā)礦渣試件的抗壓強(qiáng)度有所下降。而分別浸入pH=3的鹽酸、硝酸、硫酸時(shí),試件的抗壓強(qiáng)度變化不大。主要因?yàn)樵诖姿嶂挟a(chǎn)生的乙酸鈣易溶于水,從而導(dǎo)致試件的抗壓強(qiáng)度下降明顯。
1.3.2 耐硫酸鹽侵蝕性能
堿激發(fā)膠凝材料具有良好的抗硫酸鹽侵蝕性能。從膠凝材料的侵蝕機(jī)理來看,堿激發(fā)膠凝材料具有良好抗硫酸鹽侵蝕性能的主要原因?yàn)椋簤A激發(fā)膠凝材料的水化產(chǎn)物主要為C-S-H凝膠和水滑石凝膠,沒有可與硫酸鹽反應(yīng)的Ca(OH)2生成[24];堿激發(fā)礦渣膠凝材料的孔結(jié)構(gòu)致密,離子滲透能力低[25]。因此,堿激發(fā)膠凝材料耐硫酸鹽侵蝕性能優(yōu)異。賀亮[26]發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻入適量的粉煤灰后,堿激發(fā)礦渣膠凝材料的孔隙率減少,腐蝕性離子更難進(jìn)入試塊基體的內(nèi)部,耐硫酸鹽侵蝕性能有所提高。有研究表明:堿激發(fā)膠凝材料暴露于硫酸鹽溶液中,會(huì)造成硅離子、鈣離子的浸出,導(dǎo)致膠凝材料基體中Si/Al原子比降低[27]。
1.3.3 耐高溫性能
堿激發(fā)膠凝材料具有良好的耐高溫性能。鄭文忠等[28]對(duì)比了堿激發(fā)礦粉與水泥試塊的耐高溫性能,結(jié)果表明,堿激發(fā)礦渣的耐高溫性能優(yōu)于水泥石。通過微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度高于600 ℃時(shí),少量的裂紋才開始出現(xiàn)。通過X射線衍射分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度在800 ℃以下時(shí),膠凝材料保持相對(duì)穩(wěn)定;當(dāng)溫度超過800 ℃時(shí),有鎂黃長(zhǎng)石生成。在高溫下,膠凝結(jié)構(gòu)的部分分解導(dǎo)致堿激發(fā)膠凝材料的力學(xué)性能有所下降[29]。材料的導(dǎo)熱率會(huì)隨著膠凝體系的不同而發(fā)生變化,Ca/Si體系的導(dǎo)熱率隨著溫度的升高而降低;Al/Si體系的導(dǎo)熱率隨著溫度升高而增大[30]。
綜上可知:堿激發(fā)膠凝材料經(jīng)過酸性溶液浸泡后的腐蝕深度淺、殘余抗壓強(qiáng)度高,具有良好的抗酸侵蝕性能;堿激發(fā)膠凝材料孔結(jié)構(gòu)致密、離子滲透能力低,具有良好的耐硫酸鹽侵蝕性能;堿激發(fā)膠凝材料的耐高溫性能優(yōu)于水泥石,具有良好的耐高溫性能。
由上述關(guān)于堿激發(fā)膠凝材料的研究可見,作為一種綠色環(huán)保的新型建筑材料,堿激發(fā)膠凝材料的力學(xué)性能優(yōu)異,具有良好的耐高溫、耐腐蝕性能。所以,有學(xué)者考慮用堿激發(fā)膠凝材料作為無機(jī)膠代替有機(jī)膠應(yīng)用于CFRP加固技術(shù)中,并開展了相應(yīng)的研究工作。
在CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)中,CFRP-混凝土界面既是加固結(jié)構(gòu)的主要傳力部位,又是整個(gè)加固系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。界面的黏結(jié)性能直接決定著加固效果,因此,對(duì)界面黏結(jié)性能進(jìn)行研究具有重要意義。研究結(jié)果表明影響界面黏結(jié)性能的主要因素有無機(jī)膠對(duì)CFRP的浸潤(rùn)效果、無機(jī)膠的組分等。
吳波等[31]通過正交試驗(yàn)對(duì)堿激發(fā)偏高嶺土進(jìn)行優(yōu)選配比,進(jìn)行了粘貼CFRP的雙面剪切試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,無機(jī)膠對(duì)CFRP的浸潤(rùn)性能較差;無機(jī)膠粘貼CFRP加固混凝土試件的雙面剪切強(qiáng)度僅為環(huán)氧樹脂膠的67%。
在CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)中,界面的耐久性能直接決定了加固結(jié)構(gòu)服役年限與安全性能。關(guān)于無機(jī)膠界面的耐久性能研究較少,少數(shù)學(xué)者對(duì)堿激發(fā)無機(jī)膠的高溫性能進(jìn)行了研究。有機(jī)膠環(huán)氧樹脂對(duì)溫度變化非常敏感,當(dāng)溫度達(dá)到玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí),環(huán)氧樹脂膠的黏結(jié)性能顯著下降[32],對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全造成巨大威脅。吳波等采用堿激發(fā)偏高嶺土作為無機(jī)膠進(jìn)行雙鋼板拉伸剪切試驗(yàn)和CFRP雙面剪切試驗(yàn)[31]。隨著溫度升高,有機(jī)膠的平均拉伸剪切強(qiáng)度不斷下降,而無機(jī)膠的平均拉伸剪切強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定。當(dāng)溫度為60~80 ℃時(shí),無機(jī)膠的平均拉伸剪切強(qiáng)度超過有機(jī)膠。在堿激發(fā)無機(jī)膠的雙面剪切試驗(yàn)中,剪切強(qiáng)度隨著溫度升高基本保持不變,有機(jī)膠環(huán)氧樹脂的黏結(jié)強(qiáng)度隨著溫度升高而下降明顯。當(dāng)溫度為160 ℃時(shí),有機(jī)膠極限拉力為堿激發(fā)偏高嶺土的21%,如圖1、圖2所示[31]。由此可知,無機(jī)膠在高溫下的黏結(jié)性能優(yōu)于環(huán)氧樹脂膠。
鄭文忠等[33]以堿激發(fā)礦粉膠凝材料的基本力學(xué)性能為指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選配比,選出一組性能較為優(yōu)異的無機(jī)膠配合比。除了考慮無機(jī)膠組分對(duì)黏結(jié)性能的影響外,還考慮了無機(jī)膠對(duì)不同厚度的CFRP浸潤(rùn)性的影響。經(jīng)過搗杵處理后的無機(jī)膠粘貼CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的雙面剪切強(qiáng)度與有機(jī)膠基本持平,同時(shí)呈現(xiàn)出理想的界面破壞形式即界面破壞時(shí)大量的混凝土被剝離下來。
鑒于堿激發(fā)膠凝材料具有較好的界面黏結(jié)性能,有學(xué)者開始從加固結(jié)構(gòu)的剛度、承載能力、延性、破壞模式等方面對(duì)堿激發(fā)膠凝材料加固混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究。
1) 堿激發(fā)偏高嶺土膠凝材料。吳波等[31]以堿激發(fā)偏高嶺土為原材料制備膠凝材料對(duì)CFRP加固混凝土構(gòu)件進(jìn)行研究,從承載能力、破壞撓度和位移延性系數(shù)等方面對(duì)加固梁進(jìn)行分析,結(jié)果表明:對(duì)比未加固試件,加固梁的承載能力顯著提高,且與有機(jī)膠加固梁的提高幅度相當(dāng);有機(jī)膠加固梁破壞撓度大于無機(jī)膠;試件的位移延性系數(shù)(破壞撓度/屈服撓度)均比未加固梁有所降低,其中無機(jī)膠降低了約30%,如圖3、圖4所示[31]。
KURTZ等[34]研究了無機(jī)膠粘貼CFRP加固鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度、剛度、延性和破壞模式。用無機(jī)膠加固鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度和剛度與用有機(jī)膠同樣有效,但延性略有下降,如圖5所示。從破壞模式上來看,有機(jī)膠的破壞模式為界面混凝土被剝離下來,而無機(jī)膠為CFRP被撕裂或拉斷的破壞模式。
TOUTANJI等[35-36]考慮了CFRP粘貼層數(shù)變化對(duì)加固鋼筋混凝土梁的影響。隨著粘貼層數(shù)增加鋼筋混凝土梁的極限承載能力與對(duì)比梁相比分別提高了42.6%(三層)、49.2%(四層)、67.8%(五層)和70.2%(六層);當(dāng)為三、四層時(shí),破壞模式為CFRP被拉斷或?qū)娱g剝離;當(dāng)為四層以上時(shí),破壞發(fā)生在CFRP與混凝土的基層,CFRP沒有達(dá)到其極限抗拉強(qiáng)度,見表2。
表2 無機(jī)膠與有機(jī)膠加固梁的對(duì)比試驗(yàn)[36]
王旻等通過水玻璃激發(fā)礦粉與偏高嶺土、石膏、粉煤灰的混合物制得一種新型無機(jī)膠凝材料。在這種無機(jī)膠加固混凝土柱和面內(nèi)剪切試驗(yàn)中,表現(xiàn)出與有機(jī)膠類似的性能,但極限變形能力差[37]。同時(shí)做了無機(jī)膠加固鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)[38],與未加固梁相比,加固梁的抗彎極限承載能力提高了22%,極限撓度提高了50%。
2) 堿激發(fā)礦粉膠凝材料。鄭文忠等[39]在堿激發(fā)礦粉無機(jī)膠粘貼CFRP加固鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)中,加固試件表現(xiàn)為受拉鋼筋屈服后CFRP被拉斷和混凝土被壓碎這兩種破壞模式。通過平截面假定進(jìn)行理論分析,并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn),計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好。在加固組合梁[40]的試驗(yàn)中得到相似的結(jié)果。
綜上可知:堿激發(fā)膠凝材料粘貼CFRP加固混凝土試件的極限承載能力顯著提高;加固構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度方面與有機(jī)膠類似;在加固構(gòu)件的延性方面,無機(jī)膠加固構(gòu)件的極限變形能力較差;隨著黏結(jié)層數(shù)的增加,梁的極限承載能力有所提高;從破壞模式上來看,無機(jī)膠加固構(gòu)件的破壞模式為CFRP被撕裂或拉斷,有機(jī)膠的破壞模式為界面混凝土被剝離。
1) 堿激發(fā)偏高嶺土膠凝材料。有機(jī)膠的溫度達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(60~80 ℃)時(shí),黏結(jié)性能顯著下降,從而會(huì)對(duì)加固結(jié)構(gòu)的安全造成巨大威脅[41]。SUBHRA等[42]在利用堿激發(fā)偏高嶺土無機(jī)膠粘貼CFRP加固混凝土梁的試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)無機(jī)膠加固構(gòu)件在高溫下的熱穩(wěn)定性比有機(jī)膠好,試件承載能力更高。然而,在使用時(shí)無機(jī)膠不能很好地浸潤(rùn)C(jī)FRP,影響了最終的黏結(jié)質(zhì)量。祁術(shù)亮[43]以堿激發(fā)偏高嶺土無機(jī)膠粘貼CFRP加固混凝土梁的極限承載能力和剛度與有機(jī)膠加固梁相似,高溫下的黏結(jié)性能優(yōu)于環(huán)氧樹脂膠,但應(yīng)采取必要的防護(hù)措施,以保證加固結(jié)構(gòu)的安全性能。
2) 堿激發(fā)礦粉膠凝材料。鄭文忠等[44]在利用堿激發(fā)礦粉無機(jī)膠粘貼CFRP加固混凝土板的高溫試驗(yàn)中,經(jīng)過300 ℃以下的溫度后,CFRP與混凝土板黏結(jié)性能良好。防火涂層的應(yīng)用使得CFRP有良好的絕氧和控溫效果,從而更好的保證了加固質(zhì)量。鄭文忠等[45]在利用堿激發(fā)礦粉無機(jī)膠粘貼CFRP加固混凝土梁的火災(zāi)試驗(yàn)中,隨著溫度的升高,特別是溫度達(dá)到300 ℃時(shí),加固結(jié)構(gòu)的撓度、延性和極限承載能力均有所降低。通過有限元模擬和理論分析推導(dǎo)出考慮火災(zāi)影響的加固梁受彎承載力計(jì)算公式,通過計(jì)算得到的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。
1) 堿激發(fā)膠凝材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的耐高溫、耐酸堿腐蝕性能。堿激發(fā)膠凝材料孔結(jié)構(gòu)致密,早期強(qiáng)度高;堿激發(fā)膠凝材料經(jīng)過酸性或者硫酸鹽溶液浸泡后的質(zhì)量損失小、腐蝕深度淺,具有良好的抗酸和抗硫酸鹽侵蝕性能;堿激發(fā)膠凝材料的耐高溫性能良好,可以作為一種綠色環(huán)保的新型建筑材料應(yīng)用于建筑行業(yè)中。
2) 堿激發(fā)膠凝材料作為無機(jī)膠黏結(jié)CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的界面黏結(jié)性能良好;當(dāng)CFRP經(jīng)過堿激發(fā)礦渣膠凝材料的浸泡和搗杵處理后,雙面剪切強(qiáng)度與有機(jī)膠相當(dāng);在高溫下,堿激發(fā)無機(jī)膠的剪切強(qiáng)度基本保持不變,而有機(jī)膠的剪切強(qiáng)度下降明顯。
3) 無機(jī)膠粘貼CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的加固效果與有機(jī)膠類似,且加固結(jié)構(gòu)的耐高溫性能和長(zhǎng)期化學(xué)穩(wěn)定性能更優(yōu)。
但是,堿激發(fā)膠凝材料用于CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的極限變形能力差。為了更好地將堿激發(fā)膠凝材料應(yīng)用于工程實(shí)際,應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行更深入的研究:
①堿激發(fā)膠凝材料屬于粗分相體系,使得膠凝材料很難進(jìn)入CFRP內(nèi)部,導(dǎo)致CFRP的浸潤(rùn)效果較差,從而降低了黏結(jié)性能。浸潤(rùn)和搗杵雖能改善膠凝材料對(duì)CFRP的浸潤(rùn)性能,但其改善程度仍較為有限。因此,為獲得更好的黏結(jié)效果,加強(qiáng)膠凝材料對(duì)CFRP的浸潤(rùn)非常重要。
②堿激發(fā)膠凝材料的干燥收縮較大,破壞時(shí)往往發(fā)生脆性破壞。無機(jī)膠加固混凝土構(gòu)件的剛度和極限承載能力相比未加固梁均有較大提高,加固效果與有機(jī)膠類似,但加固結(jié)構(gòu)的極限變形能力差。堿激發(fā)膠凝材料作為無機(jī)膠用于CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的破壞發(fā)生較為迅速,對(duì)結(jié)構(gòu)不利。因此,有必要進(jìn)一步加強(qiáng)膠凝材料的改性增韌的研究。