基于無機膠浸漬碳纖維束的拉伸性能研究

杜運興，彭鈺蘭

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

織物增強混凝土(Textile Reinforced Concrete，簡稱為TRC，它是一種能夠承受由外力在其中引起的非常高的應力，并能夠抵抗裂紋的傳播的復合材料)在之前二十多年里已得到了廣泛的研究[1-2]。TRC結構中的碳纖維織物主要使用有兩種材料：其中一種是碳纖維織物，另一種則是有機膠環(huán)氧樹脂。有機環(huán)氧樹脂用于浸漬碳纖維網格布利于碳纖維束整體受力，但是當環(huán)境溫度將要達到環(huán)氧樹脂的玻化溫度Tg(60 ℃～82 ℃)時，其承載性能將顯著地降低，且環(huán)氧樹脂的楊氏模量和抗剪切模量將減少90%以上[3]。胡克旭等[4]通過試驗得出常用于浸漬碳纖維織物的有機環(huán)氧樹脂在溫度達到60℃以上時，不僅出現(xiàn)了顯著的軟化現(xiàn)象，且隨著試驗溫度的逐漸增加，環(huán)氧樹脂還會由固化態(tài)轉變?yōu)榫哂忻黠@流動性的液體狀態(tài)，除此外，當試驗溫度提高到140 ℃以上時，環(huán)氧樹脂此時表現(xiàn)出明顯的氣態(tài)化現(xiàn)象。文獻[5-6]也表明，環(huán)氧樹脂有機膠在溫度為65 ℃～150 ℃時，將會使其力學性能顯著惡化，易使建筑維修、加固結構等存在嚴峻的安全性禍患。鄭文忠等[7]表明，想要提升浸膠碳纖維織物網格布的高溫拉伸力學性能，一是采用高軟化點的有機膠，或使用耐高溫性能優(yōu)越的無機膠凝材料，二是采用良好的的隔絕氧氣的措施以避免碳纖維織物絲在高溫下發(fā)生化學氧化反應。普通環(huán)氧樹脂類的有機膠的耐高溫性能極差，使得碳纖維織物增強混凝土加固建筑結構構件的耐高溫力學性能差。對有機環(huán)氧樹脂膠進行耐溫性能的改性，或者直接使用無機膠以代替環(huán)氧樹脂，可以從本質上解決織物增強混凝土加固構件的耐高溫力學性能差的漏洞[8-9]。

迄今為止，在我國建筑加固領域中廣泛被使用的無機膠凝材料主要被分為以下三大類[10-13]：①堿激發(fā)膠凝材料；②氯氧鎂水泥；③水泥基復合材料。硅酸鹽礦物制備的無機膠凝材料由于其耐高溫、界面鍵強度高和對碳纖維織物具備良好的潤濕性能等優(yōu)點，在理論上可用于浸漬碳纖維網格布的織物增強混凝土[14]，而未經任何處理的鈉水玻璃耐水性差[15]，不能適用于TRC澆筑初期的濕潤環(huán)境。因此本文研制了主要由水玻璃制備的無機膠黏劑，選擇以防水劑甲基硅酸鈉作為添加劑，提升固化后防水效果，旨在通過研究得出鈉水玻璃與防水劑的適宜配比，以及其作為無機膠浸漬碳纖維束在常溫和低高溫下的拉伸力學性能，并與浸漬傳統(tǒng)有機環(huán)氧樹脂的碳纖維束的拉伸強度做對比得出相應結論。

1 試驗概況

1.1 試驗材料性能

試驗采用的碳纖維織物由江蘇無錫宜興市鴻德碳纖維制品有限公司所提供，形狀如圖1(a)所示，纖維類型為T700S-12K，即每根經緯向碳纖維束均包含12 000根碳纖維絲，碳纖維布的網孔尺寸為20 mm×20 mm，其中選取碳纖維織物的經向(主要受力方向)碳纖維束用于制作本文試驗中的試件，碳纖維具體相關性能參數(shù)如下：抗拉強度3 500 MPa，彈性模量240 GPa，極限拉應變1.5 mm/mm，單絲直徑7 μm，泊松比0.307。試驗所使用的鈉水玻璃為嘉善縣優(yōu)瑞耐火材料有限公司所生產的液體硅酸鈉，鈉水玻璃的模數(shù)為3.3，n表示模數(shù)，表示鈉水玻璃中SiO2和Na2O的物質的量之比[即n(SiO2)/n(Na2O)的比值]，其中鈉水玻璃的模數(shù)n越大，表示其黏結效果越強，利于成膜。波美度Be表示鈉水玻璃的稀稠度，其值越小，代表其稠度越低可操作性較好，具體參數(shù)如下：型號SP38，二氧化硅(SiO2)含量27.3%，氧化鈉(Na2O)含量8.54，n=3.3，Be為38.5/20 ℃，密度ρ為1.368 g/cm3；外觀如圖1(b)所示。甲基硅酸鈉又稱為建筑防水劑，除本身具有的優(yōu)越的防水性外，還是目前使用較為廣泛防水性材料之一，同時還具備耐高溫、不可燃且成本低廉等優(yōu)點，本文試驗所采用的甲基硅酸鈉則是采用北京嘉晟建筑有限公司所提供的甲基硅酸鈉原液，其質量分數(shù)為58%，用于提升鈉水玻璃的耐水性能。

1.2 試驗設計和制作

試驗考慮了浸漬膠種類、無機膠配比和浸漬無機膠是否耐高溫等參數(shù)的影響。在選擇適宜配比前設計了7種工況，具體見表1。選擇出適宜配比后，為測試浸漬該配比無機膠的碳纖維束是否耐受高溫，隨后進行了在不同溫度下的高溫拉伸試驗，上述每種工況均制作5個試件。

試件制作過程如下：試件的標距長度等于100 mm的單根經向碳纖維束，對于2-E試件需將碳纖維布浸漬在環(huán)氧樹脂中10～15 min，且在浸漬過程中反復翻動碳纖維網格布2～3次，然后取出晾干。此外，除1-N試件外的其它工況均需按照相應比例調制完成后，將碳纖維布放置到該調制液體中，采用木刷進行按壓式浸漬10～15 min，然后取出晾干。以上不同工況的晾干時長為：在溫度不大于25 ℃時，浸漬環(huán)氧樹脂的試件晾干時長不低于4 d，其它類型試件不低于3 d;大于25 ℃時，浸漬環(huán)氧樹脂的試件晾干時長不低于3 d，其它類型試件不低于2 d。晾干后采用電動剪刀在浸膠碳纖維網格布上裁剪出經向長度為180 mm(即9個網格)的纖維束，再剪裁適宜大小(厚度為0.2 mm)的鋁片若干，使用湖南固特邦公司所提供的的JN系列的黏鋼膠將鋁片粘貼在試件兩端，制成的試件在較為干燥的室溫條件下放置24 h，使其完全固化。環(huán)氧樹脂和無機膠浸漬碳纖維束橫截面效果圖、未浸漬碳纖維束橫截面效果圖，以及待測的單根經向纖維束的試件式樣分別如圖2(a)～圖2(d)中所示。

表1 試件工況設計Table 1 Design of specimen working conditions試件編號試件標距/mm浸膠處理1-N100未浸漬2-E100浸漬環(huán)氧樹脂3-S1W1100鈉水玻璃(n=3.3):甲基硅酸鈉=1:1混合后浸漬4-S2W1100鈉水玻璃(n=3.3):甲基硅酸鈉=2:1混合后浸漬5-S3W1100鈉水玻璃(n=3.3):甲基硅酸鈉=3:1混合后浸漬6-S1W2100鈉水玻璃(n=3.3):甲基硅酸鈉=1:2混合后浸漬7-S1W3100鈉水玻璃(n=3.3):甲基硅酸鈉=1:3混合后浸漬

(a)環(huán)氧樹脂浸漬效果圖

1.3 加載方式和裝置

依據(jù)規(guī)范《GB/T 3362—2005 碳纖維復絲拉伸性能試驗方法》中所述方式，設置碳纖維織物束試件的標距為100 mm，軸向拉伸試驗在量程為30 kN的MTS萬能試驗儀上進行見圖3(a)，采用由位移控制的加載方式，控制試驗位移加載速率為2 mm/min，試驗數(shù)據(jù)采集頻率則為20 Hz。高溫試驗在與該MTS對應配置的溫度箱內進行，試驗儀器見圖3(b)。上述試驗過程中所產生的荷載與變形分別由該試驗儀器所配置的力-位移傳感器相同頻采集。試驗過程中，當試件拉伸荷載出現(xiàn)驟然下降的情況，或者當拉伸荷載在達到極限荷載后，在下降至峰值荷載的60%以上時，停止加載。

(a)MTS萬能試驗機

2 確定無機膠的配比

2.1 試驗現(xiàn)象

試驗后試件破壞形態(tài)如圖4各圖所示(3-S1W1～7-S1W3這5組中各工況破壞階段相似，故該5組試件斷裂面形態(tài)均以3-S1W1工況試件斷裂面為例)。在加載初期，各工況下的纖維束試件均處在線彈性階段，其試件外觀并無明顯變化，隨著荷載增大，將要至各工況試件的峰值荷載時,試件斷斷續(xù)續(xù)地發(fā)出“呲呲”的聲音，試件內部出現(xiàn)部分纖維絲斷裂的情況。待到達峰值荷載后，試件的持載能力驟然下降，纖維束完全斷裂，無塑性破壞現(xiàn)象。對于圖4(a)可以看出未浸漬膠體的碳纖維束斷裂現(xiàn)象很蓬松，導致纖維束絲未能協(xié)同受力，圖4(b)～圖4(c)為整體斷裂，但圖4(b)相較于圖4(c)中的斷口更加整體，可表明環(huán)氧樹脂的整體約束力略優(yōu)于無機膠浸漬的碳纖維束。

(a)1-N

2.2 荷載-應變曲線

試驗后各工況碳纖維束的荷載-應變曲線如圖5中所示，在加載初始階段，曲線總體呈線性發(fā)展階段，碳纖維束處于彈性階段，當荷載達到各工況下的碳纖維束的極限荷載時，曲線進入急劇下降階段，碳纖維束斷裂，失去承載能力。圖5(a)為未浸漬的碳纖維束，其拉伸強度由圖5(h)通過計算對比，可得其相較于其它組工況的拉伸荷載降低約32%，且荷載-應變曲線相較于其它工況其離散性略大。由圖4(a)可知碳纖維束未浸漬膠體時會導致碳纖維束絲斷裂面蓬松，因未能整體約束而導致碳纖維束絲未能整體協(xié)同受力，顯著地降低了碳纖維束的強度利用率。圖5(b)為浸漬環(huán)氧樹脂的拉伸荷載-應變曲線，曲線整體應變略低于其它浸漬無機膠的碳纖維束的應變，但平均峰值荷載則略高于其它浸漬無機膠的碳纖維束的平均峰值荷載的3%～4%。圖5(c)～圖5(g)峰值荷載相差在1%～2%之間，其中4-S2W1的平均峰值荷載值相對其他組平均峰值荷載略微偏高1%～2%，同時由荷載-應變曲線的圖5(c)～圖5(e)可以對比看出其荷載-應變曲線的整體離散性隨著水玻璃的占比增大和防水劑的占比減小而整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，而由圖5(c)、圖5(f)、圖5(g)對比可得其荷載-應變曲線的整體離散性隨著水玻璃的占比減少和防水劑的占比增加而整體呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。且由于防水劑甲基硅酸鈉在添加量占比逐漸增多時，試件表面會表現(xiàn)出逐漸增多的“白色粉末”(如圖6所示)，但本文試驗中甲基硅酸鈉的添加量對試件拉伸荷載值無明顯影響，而產生這種“白色粉末”現(xiàn)象是在試驗操作中甲基硅酸鈉添加過多、硬化干燥后析出所致。相比于環(huán)氧樹脂浸漬碳纖維束的常溫拉伸峰值荷載，浸漬該無機膠的碳纖維束的常溫拉伸峰值荷載平均可達到其峰值荷載的96%以上。綜上表述，基于拉伸荷載和甲基硅酸鈉的添加量兩種因素的考慮，可選擇出該無機膠的較適宜的配比為：在每百份無機膠黏膠中，鈉水玻璃(模數(shù)n=3.3)占2/3份，甲基硅酸鈉占1/3份(以上為質量占比)。

(a)1-N

圖6 不同配比無機膠碳纖維束表面現(xiàn)象

3 溫度試驗結果和分析

采用上述2.2節(jié)中分析所選擇得到的無機膠的適宜配比(即4-S2W1)配置溶液，再用此浸漬碳纖維束10～15 min，晾干后制成試件進行高溫持溫拉伸力學性能試驗，高溫試驗設計工況分別為：50 ℃、100 ℃、200 ℃，并按照每分鐘升溫5 ℃的升溫速率升溫至目標溫度，并使試件在該溫度下保持1 h，隨后直接對該碳纖維束試件進行軸向拉伸性能試驗，高溫拉伸裝置如圖3(b)所示。

3.1 試驗結果分析

分別測試了浸漬該無機膠的碳纖維束(即4-S2W1試件)在50 ℃、100 ℃、200 ℃的拉伸性能，所得荷載-應變曲線如圖7(b)～圖7(d)所示，同時在高溫工況中還測試了浸漬環(huán)氧樹脂的碳纖維束(即2-E試件)在50 ℃下的拉伸性能，得到的荷載-應變曲線如圖7(a)所示，由于環(huán)氧樹脂在60 ℃溫度以上會出現(xiàn)明顯軟化現(xiàn)象甚至轉化為可流動狀態(tài)[4]，因此未進行其他組高溫試驗。50 ℃時，4-S2W1的拉伸荷載相較于圖5(d)常溫時拉伸荷載整體相持平，而2-E試件在50 ℃時，其平均峰值荷載相對于常溫時2-E試件的平均峰值荷載顯著下降，荷載降低率約26%；且荷載-應變曲線圖中的初始段部分的“滑移”平臺相較于圖7(b)～圖7(d)長出近50%，該現(xiàn)象表明2-E試件碳纖維束上浸漬的環(huán)氧樹脂在50 ℃時已經出現(xiàn)部分脫黏產生滑移，在此溫度下的黏結強度明顯降低，表明環(huán)氧樹脂隨著溫度的升高其熱穩(wěn)定性差，受溫度限制以至于無法在高溫環(huán)境中穩(wěn)定承載。

(a)50 ℃時2-E

而4-S2W1試件在在50 ℃、100 ℃、200 ℃的平均拉伸荷載分別為：2 301、2 388、2 197 N，相對于圖5(h)圖中常溫下的平均拉伸荷載，4-S2W1在50 ℃和100 ℃時的平均荷載分別增加了1.7%和5.5%，而在200 ℃時的平均荷載相對于常溫僅下降了3.1%。但相比于50 ℃時2-E試件的平均荷載減少率，仍具備顯著耐高溫的優(yōu)勢?？杀砻鹘n無機膠的碳纖維束隨著溫度的不斷升高，強度會先略有增加隨后緩慢下降，下降率變得較為緩慢，適宜于在高溫環(huán)境的條件下作為結構加固件，且不會因溫度高產生脫黏滑移現(xiàn)象。

4 結論

本文首先針對碳纖維束的不同浸膠情況進行了拉伸性能測試，分析了碳纖維束在不同浸漬膠下的優(yōu)缺點，并選擇出適宜的無機膠配比。隨后進行高溫持時拉伸試驗，以研究高溫對于浸漬適宜配比無機膠的碳纖維束的拉伸性能的影響規(guī)律，同時對比于涂覆環(huán)氧樹脂的碳纖維束在50 ℃時的拉伸荷載，得出碳纖維束浸漬該無機膠可耐受高溫的顯著優(yōu)勢。具體得出結論如下：

a.浸膠碳纖維束拉伸峰值荷載的平均值比未浸膠碳纖維束峰值荷載的平均值高出29%～32%，表明碳纖維束浸膠有利于約束碳纖維束絲利于整體協(xié)同受力，從而提升碳纖維束的承載能力以保障碳纖維織物的利用率。

b.無機膠中甲基硅酸鈉的添加比例對于碳纖維束的平均峰值荷載無顯著影響，但甲基硅酸鈉的添加比例越大，碳纖維束表面泛白越嚴重，通過試驗測試可知4-S2W1的拉伸峰值荷載略高于其他組，故選擇的無機膠適宜配比為：在每百份無機膠黏膠中，鈉水玻璃(模數(shù)n=3.3)占2/3份，甲基硅酸鈉占1/3份(以上均為質量占比)。

c.在50 ℃時，浸漬環(huán)氧樹脂的碳纖維束整體平均峰值荷載相對于常溫時下降了26%；在50 ℃和100 ℃時，浸漬適宜配比無機膠的碳纖維束拉峰值伸荷載相對于常溫時分別增加了1.7%和5.5%；而在200 ℃時，浸漬適宜配比無機膠的碳纖維束平均拉伸峰值荷載相對于常溫時僅下降了3.1%。試驗表明浸漬該無機膠的碳纖維束的拉伸峰值荷載會隨著溫度的不斷增加，總體表現(xiàn)出先略微增加隨后緩慢下降的趨勢。當溫度高于50 ℃時，浸漬該無機膠碳纖維束的拉伸性能明顯優(yōu)于浸漬環(huán)氧樹脂碳纖維束的拉伸性能。