增韌劑對預(yù)應(yīng)力碳纖維板材錨固用結(jié)構(gòu)膠性能的影響

邢婷婷

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

橋梁是跨越山溝、貫通江河的咽喉要道，也是城市發(fā)展，城際交流的重要樞紐。交通運(yùn)輸部的統(tǒng)計資料表明，截至2018年底，我國公路橋梁85.15萬座、5 568.59萬m，比上年增加1.90萬座、342.97萬m，其中特大橋梁5 053座、902.69萬m，大橋98 869座、2 637.04萬m。隨著新建橋梁的增加，進(jìn)入服役期，需要維修保養(yǎng)的橋梁數(shù)量也在逐漸增多。橋梁在服役期間受到氯離子、碳化、堿集料、凍融、鹽凍等因素的侵蝕作用，以及設(shè)計不足、施工差錯、不可預(yù)料的撞擊、火災(zāi)、地震等因素的影響，性能逐漸劣化，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失與生命財產(chǎn)損失[1]。對橋梁現(xiàn)狀進(jìn)行檢測、評定，適時對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固維護(hù)，可以有效提高其承載能力，恢復(fù)其使用功能，從而延長其服役壽命[2]。

橋梁加固方法眾多，粘貼纖維復(fù)合材料法因纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高、比密度低、耐腐蝕、加固厚度小等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用（示意圖見圖1）?，F(xiàn)有的用于橋梁加固的纖維復(fù)合材料主要為碳纖維復(fù)合材料板材（以下簡稱：碳板），其施工工藝流程主要為：植筋并安裝錨具、張拉機(jī)具，分級加載碳纖維板，然后固定張拉端，張拉完再進(jìn)行一個碳纖維板材保護(hù)層的施工操作，錨具螺栓的螺帽上要涂抹黏合劑，對金屬件進(jìn)行一個防銹處理后，再安上張拉端與固定端錨具蓋帽。在預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)中，錨具的可靠性是該技術(shù)性能優(yōu)劣或成敗的關(guān)鍵。錨具的種類眾多，其中錨頭端安裝常采用的是平板楔式錨具，由上下兩個楔式鋼板將碳板夾在中間，鋼板與碳板接觸部位用錨固膠進(jìn)行黏接[3]。在平板楔式錨具中，結(jié)構(gòu)膠體系承擔(dān)著與鋼板的剪切、擠壓等作用?；诖?，本文將研究增韌劑種類、用量對預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)膠性能的影響。目前針對環(huán)氧樹脂的增韌改性措施主要有橡膠類彈性體增韌[4-5]、熱塑性樹脂增韌[6]、納米材料增韌[7]、聚氨酯增韌[8]等，文中選擇其中3種不同結(jié)構(gòu)形式的增韌劑進(jìn)行研究。

圖1 粘貼纖維復(fù)合材料加固法示意圖

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 原材料

環(huán)氧樹脂E-51：濟(jì)南七彩化工有限公司產(chǎn)，環(huán)氧值 0.48～0.51；固化劑：CP-970，大連凱華新技術(shù)工程有限公司產(chǎn)；增韌劑1：KH系列（遙爪型分子結(jié)構(gòu)），大連凱華新技術(shù)工程有限公司產(chǎn)；增韌劑2：P系列（聚氨酯改性環(huán)氧樹脂），北京金島奇士材料科技有限公司產(chǎn)；增韌劑3：N系列（通用小分子型），北京金島奇士材料科技有限公司產(chǎn)；促進(jìn)劑：DMP-30，常州山峰化工有限公司產(chǎn)；硅微粉：400目，產(chǎn)于連云港浩森礦產(chǎn)品有限公司。

1.2 試驗儀器

力學(xué)性能測試儀器采用電子萬能試驗機(jī)，型號CMT4304，深圳新三思材料檢測有限公司生產(chǎn)。

1.3 樣品的制備和測試

樣品制備：按表1所述將環(huán)氧樹脂、增韌劑與填料預(yù)先混合均勻，制備A組分。B組分為固化劑CP-970。制備壓縮與剪切試件前將上述A、B組分混合均勻，并于真空干燥環(huán)境下排氣。測試試件按照《樹脂澆鑄體性能試驗方法》（GB/T 2567—2008）的要求進(jìn)行制備。

表1 原材料種類及用量

將制備好的測試試件于室溫下（20℃～23℃）養(yǎng)護(hù)7 d，然后根據(jù)規(guī)范《樹脂澆鑄體性能試驗方法》（GB/T 2567—2008）對錨固用結(jié)構(gòu)膠的壓縮性能與拉伸剪切性能進(jìn)行測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 增韌劑的種類與用量對錨固用結(jié)構(gòu)膠壓縮性能的影響

文中測試了3種增韌劑在5%、10%、15%三種用量下，增韌劑對錨固用結(jié)構(gòu)膠壓縮強(qiáng)度與壓縮模量和拉伸剪切的影響。壓縮強(qiáng)度與壓縮模量的試驗結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 增韌劑種類及用量對錨固用結(jié)構(gòu)膠壓縮強(qiáng)度的影響

圖3 增韌劑種類及用量對錨固用結(jié)構(gòu)膠壓縮強(qiáng)度損失率的影響

圖4 增韌劑種類及用量對錨固用結(jié)構(gòu)膠壓縮模量的影響

強(qiáng)度是指某種材料抵抗破壞的能力，如抗拉、抗壓強(qiáng)度等。壓縮強(qiáng)度是指材料在單軸壓縮條件抵抗破壞的能力。變形模量是指單軸壓縮條件下，軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比。應(yīng)力-應(yīng)變曲線為直線型，這時的變形模量又稱為彈性模量。

由圖2、圖3可以看出，3種不同增韌劑作用下，錨固用結(jié)構(gòu)膠的壓縮強(qiáng)度均隨著增韌劑用量的增加逐漸降低，但是下降幅度差別較大，其中，增韌劑1、3壓縮強(qiáng)度隨增韌劑用量的變化加大，增韌劑用量由5%增加到10%時，壓縮強(qiáng)度分別下降了13.6%、18.6%；增韌劑用量由10%增加到15%時，壓縮強(qiáng)度分別下降了8.3%、5.5%，下降趨勢減緩。增韌劑2體系中，增韌劑用量由5%、10%、15%變化時，壓縮強(qiáng)度下降率為4.4%、3.1%，相較于增韌劑1、3體系，增韌劑2體系受用量影響的幅度較小。由圖4可以看出，增韌劑的種類與用量變化對錨固用結(jié)構(gòu)膠壓縮性能的影響是一致的，且這種一致性與增韌劑的分子結(jié)構(gòu)無關(guān)。這種一致性在文獻(xiàn)[9]中也有體現(xiàn)。

2.2 增韌劑的種類與用量對錨固用結(jié)構(gòu)膠拉伸-剪切性能的影響

材料受到與截面平行、大小相等、方向相反，但不在一條直線上的兩個外力作用，稱為剪切作用。剪切強(qiáng)度即為試樣在剪切力作用下破壞時單位面積上能承受的負(fù)荷。本文選擇了3種不同結(jié)構(gòu)增韌劑及3種不同用量，研究其對結(jié)構(gòu)膠剪切性能的影響，試驗結(jié)果見圖5。

圖5 增韌劑種類及用量對錨固用結(jié)構(gòu)膠拉伸-剪切性能的影響

環(huán)氧樹脂是應(yīng)用領(lǐng)域很廣的高性能熱固性樹脂，具有高強(qiáng)度、高硬度、質(zhì)地脆等特點(diǎn)，需要引入剛性粒子、橡膠類彈性體、互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物和工程熱塑性樹脂等材料進(jìn)行增韌。常采用拉伸-剪切強(qiáng)度作為韌性改善的評價指標(biāo)。由圖5可以看出，增韌劑結(jié)構(gòu)不同，對結(jié)構(gòu)膠拉伸-剪切性能的影響不同，其中增韌劑體系1、3在增韌劑用量為10%時，出現(xiàn)了剪切強(qiáng)度的峰值，而增韌劑體系2剪切強(qiáng)度隨著增韌劑用量的增加逐漸增大，增加幅度減緩。由此可說明，增韌劑在改善環(huán)氧樹脂韌性時，與環(huán)氧樹脂及固化劑等有適應(yīng)性及最高用量的限制。

3 結(jié)論

a）增韌劑種類及用量對錨固用結(jié)構(gòu)膠的壓縮強(qiáng)度與壓縮模量的影響是一致的，但是下降幅度有所不同。

b）增韌劑種類及用量對錨固用結(jié)構(gòu)膠的拉伸-剪切強(qiáng)度的影響不同，其中增韌劑1、3在用量為10%時，出現(xiàn)了峰值。

c）增韌劑結(jié)構(gòu)不同，增韌機(jī)理不同，對壓縮強(qiáng)度、壓縮模量、拉伸-剪切等性能的作用不同，需綜合考慮各參數(shù)，確定增韌劑的使用方案。