（材料学专业论文）建筑结构加固用水泥基胶结材料的研究.pdf

摘要 摘要 碳纤维布加固技术和其他众多加固方法相比有很多优越性。环氧树脂作为碳纤 维布加固混凝土结构最常用的胶结材料具有粘结强度大、固化时间短和化学稳定 性好等优点，但是环氧树脂脆性大、耐久性差的缺点也很明显，限制了碳纤维布 的发展。需要对环氧树脂进行改进甚至开发新型的胶结材料，来改善现有胶结材 料存在的问题。 本文通过对大量胶结材料进行测试、筛选，选择其中的环氧树脂基胶结材料 和水泥基胶结材料作为新型胶结材料进行深入的试验。 对于环氧树脂基胶结材料，掺加的无机填料的种类和细度对其粘结强度有较 大影响。其中，比表面积最大( 1 5 0 0 0 m 2 蛔) 、与水泥相容性较好的硅灰效果较 为突出，掺量为2 5 0 时，正拉粘结强度达到4 2 7 m p a ，比用环氧树脂提高2 4 2 。 但是环氧树脂基胶结材料完全依赖于环氧树脂的粘结作用，不能根本解决环氧树 脂带来的耐久性差等问题。 本文还重点研究了以水泥基材为胶结材料的碳纤维布加固混凝土构件的性 能。测试了丙烯酸酯共聚乳液和苯丙乳液两种聚合物水泥浆的流动度，以满足施 工性能；测试了两种聚合物水泥浆体作为胶结材料加固混凝土柱、粱的加固效果。 进行了加固柱的轴向抗压强度和梁的抗弯荷载一挠度曲线测试，得到较好的加固 效果。丙烯酸酯共聚乳液水泥浆体和苯丙乳液水泥浆体为胶结料加固的混凝土柱 的轴向抗压强度撮高分别可以提高4 3 3 和4 3 4 ，抗弯挠度可以提高到3 r a m 。 主题词：c f r p 加固环氧树脂填料水泥基材丙烯酸酯共聚乳液苯丙乳液 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec a r b o nf i b e rs t r e n g t h e n i n gc o n c r e t et e c h n i q u eh a sm o r ea d v a n t a g e st h a na n y o t h e rs t r e n g t h e n i n ga p p r o a c h e s a st h em o s tc o m m e nb i n d i n gm a t e r i a lf o rc f r p ， e p o x yr e s i nh a sh i g hb i n d i n gs t r e n g t h s h o r ts o l i d i f i e dt i m ea n ds oo n b u te p o x y r e s i na l s oh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sb r i t t l e n e s s ，a n db a dw e a t h e r i n gr e s i s t a n c e i ti sn e c e s s a r yt of i n dn e wb i n d i n gm a t e r i a l st os o l v et h e s ep r o b l e m s i n t h i sr e s e a r c h ，w et e s tt h ep r o p e r t i e so fe p o x y - b a s e db i n d i n gm a t e r i a l sa n d c e m e n t b a s e db i n d i n gm a t e r i a l sd e e p l y a st h ee p o x y b a s e db i n d i n gm a t e r i a l s ，t h ev a r i e t ya n dd e g r e eo ff i n e n e s so f i n o r g a n i cf i l l i n gm a t e r i a l sh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h e i rb i n d i n gs t r e n g t h a m o n g t h e s ef i l l e r s ，s i l i c af u m eh a ss u p e r i o r i t yw h i c hh a sg r e a ts p e c i f i ca r e a ( 1 5 0 0 0 m 2 k g ) a n dg o o dc o n s i s t e n c yt oc o n c r e t e w h e n2 5 5 o fs i l i c af u m ei su s e dt or e p l a c e e p o x yr e s i n ，t h et e n s i l eb i n d i n gs t r e n g t hi s4 2 7 m p a ，w h i c hi sh i g h e rt h a n3 4 4 m p a f o re p o x yr e s i n b u tt h ee p o x y - b a s e db i n d i n gm a t e r i a l sc a n n o ts o l v e t h ep r o b l e m s c a u s e db ye p o x yr e s i n ，a st h ef u n d a m e n t a lb i n d i n gp e r f o r m a n c ed e p e n d so nt h en a t u r e o fe p o x yr e s i n i n t h i sr e s e a r c h ，w ea l s os t u d yt h ec e m e n t b a s e db i n d i n gm a t e r i a l sf o rc a r b o n f i b e rs t r e n g t h e n i n gc o n c r e t e f l o w a b i l i t yo fa c r y l a t e rc o p o l y m e r i ce m u l s i o np a s t e a n da c r y l a t ep o l y m e re m u l s i o np a s t ei sc a r r i e do u tt oc h e c kt h ew o r k a b i l i t y t h e u n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fa c r y l a t e rc o p o l y m e r i ce m u l s i o np a s t ea n da c r y l a t e p o l y m e re m u l s i o np a s t es t r e n g t h e n dc o n c r e t ec o l u m n sc a ri n c r e a s eb y4 3 3 a n d 4 3 4 r e s p e c t i v e l y , a n dt h ed e f l e c t i o nc a ni n c r e a s et o3 r a m k e yw o r d s ：c f r ps t r e n g t h e n i n ge p o x yr e s i n ，f i l l e r ，c e m e n t b a s e dm a t e r i a l s a c r y l a t e rc o p o l y m e r i ce m u l s i o n ，a c r y l a t ep o l y m e re m u l s i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：声导师 匕、) ，蕾 东南大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 很多房屋、桥梁、隧道等建筑物，由于材料老化、荷载增加、结构部分损坏、 使用功能改变、设计与施工缺陷以及地震、战争等原因，均会导致原有结构的承 载力满足不了要求。为此，需进行加固和修复。加固和修复的原则是保证加固部 分材料或构件与原结构连接可靠协同工作。常规的加固方法有增大截面加固、预 应力加固、粘钢加固、隔震或消震加固等霪。由于c f r p ( 碳纤维增强塑料，c a r b o n f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i cs ) 众多的优点，在许多情况下比传统的加固方法更有 优势，并已得到越来越广泛的应用。 碳纤维增强复合材料( c f r p ) 加固混凝土结构是用特制的胶粘材料将特制碳 纤维织物粘贴在混凝土构件表面，以提高结构承载力的一种新型加固方法。由于 碳纤维织物具有高强度、高弹性模量、耐腐蚀、耐久性能好、施工简捷、没有湿 作业、不需大型施工机具、适用面广，可广泛实用于各种结构类型、各种结构形 状、各种结构部位的加固修补，且不改变结构形状及不影响结构外观，这是目前 任何一种结构加固方法所不可比拟的。尤其适用于大型土木工程结构，如大型桥 梁的桥墩、桥梁和桥板以及隧道、大型简体及壳体结构工程等的加固修补。 2 0 世纪4 0 年代，c f r p 开始应用于航天航空领域现已广泛应用于汽车、化 工、机械、医学、电子、体育用品等工业领域。1 9 8 4 年，瑞士科学家m e i e r 首先 提出应用f r p 板代替钢板“1 ，开始了外部粘贴纤维复合材料加固技术的试验研究 并成功应用树脂粘结碳纤维加固了多跨连续箱形粱桥。此后，日本、美国及欧洲一 些发达国家相继开展了纤维增强材料应用于结构加固的研究。特别是1 9 9 5 年日 本阪神大地震后，碳纤维加固技术在日本迅速发展起来，仅在1 9 9 5 1 9 9 7 年之间， 纤维加固技术在工程中的应用就增长了5 倍，并编制了相应的设计施工规范。美国 各研究机构先后开展了f r p 加固混凝土结构的研究，美国混凝土协会( a c i ) 编制 并发布了外贴f r p 加固钢筋混凝土结构设计和施工指南。加拿大对f r p 加固修复 混凝土技术的长期性能进行了研究。特别是在干湿交替、冻融循环等恶劣环境下的 耐久性能。在欧美发达国家，这项技术已经进行了普遍的应用，英国在1 9 9 7 年就有 3 0 座桥和结构物采用了f r p 增强纤维加固技术”1 。 我国是在1 9 9 7 年开始对纤维片材加固混凝土结构进行研究的“1 ，由于其优良 的力学性能和经济有效的加固效果，很快被接受，很多科研机构和高等院校都开展 2 了f r p 加固性能的研究。据不完全统计，目前全国拥有专业碳纤维加固队伍达到 2 0 0 多个“1 ，足见其优越性和社会认可性。2 0 0 0 年4 月北京市运用碳纤维布对四 环路上大型立交桥的盖梁进行了加固，加固的碳纤维面积近4 0 0 m 2 。 1 2c f r p 在土木工程中的应用 c f r p 应用于土木工程中有以下优点： ( 1 ) 抗拉强度高。c f r p 的抗拉强度明显超过了钢筋，与高强钢丝差不多，且在 达到抗拉强度之前几乎没有塑性变形产生。 ( 2 ) 抗腐蚀性和耐久性好。与钢材相比，c f r p 均具有很好的抗腐蚀性和耐久性， 因而可提高结构使用寿命，尤其用于腐蚀性较大的环境效果更为显著。 ( 3 ) 自重轻，施工方便。c f r p 密度仅为钢材的2 5 左右，这样，当建筑结构中采 用c f r p 时，施工非常方便，可降低劳动力费用。当用于旧有结构的维修加固时效 果更为明显。 ( 4 ) 热膨胀系数与混凝土相近。这样当环境温度发生变化时，c f r p 与混凝土协 同工作，两者间不会产生大的温度应力。 ( 5 ) 弹性模量小。c f r p 的弹性模量约为普通钢筋的2 0 一7 0 ，这样，c f r p 混凝土 结构的挠度较大和裂缝开展较宽将不可避免。 一 ( 6 ) 抗剪强度低。c f r p 抗剪强度很低，通常不超过其抗拉强度的1 0 左右，在将 c f r p 用作预应力筋以及进行c f r p 的材性试验时，相应的锚、夹具需专门研制。 ( 7 ) 抗疲劳性能好。 ( 8 ) 磁感应低。 ( 9 ) 材料较为昂贵。 目前，c f r p 在土木工程中的一个主要应用就是对旧有结构的加固与修复， 常见的形式有： ( 1 ) 梁、板 采用c f r p 对受损混凝土梁或板进行修复加固是非常有效的途径之一。一般是 在混凝土梁板拉应力出现部位利用胶粘剂粘贴c f r p ，c f r p 纤维方向与拉应力方 向平行，图1 1 所示为几种典型的加固方式。如何保证c f r p 与加固后混凝土的 有效粘接，即保证c f r p 和混凝土的共同工作是进行梁板结构修复加固时的关键问 题之一。利用类似的方法也可对钢梁进行修复加固“1 。通常抗弯港督可以增强 1 7 9 9 ，抗弯承载力提高约1 9 9 9 。 3 第一章绪论 秒秒秒 【- l - l o ) 图1 1 钢筋混凝土梁的加固修复 ( 2 ) 柱 进行修复加固时，c f r p 纤维沿柱子环向缠绕，井用环氧树脂将c f r p 与旧有 混凝土粘接，图1 2 所示为几种典型的加固方式。用c f r p 对柱结构进行修复加固 的关键问题是除了要保证c f r p 和混凝土的有效粘接外，还要对由于c f r p 的约束 而使混凝土性能的改变进行合理估算。进行方形截面和矩形截面钢筋混凝土柱的 修复加固时，为了提高加固效果，可根据实际情况采用类似于图1 3 和图1 4 所 示的方法。 ( a ) ( b )( c ) 图1 2 用c f r p 对柱结构进行加固修复 ( a )( b )( c ) 图1 3 方形截面柱的修复加固 3 东南大学硕士学位论文 ( a )( b )( c ) 图1 4 矩形截面柱的修复加固 1 3c f r p 加固用胶粘材料 f r p 胜 混凝土结构加固补强需要考虑修补材料的相容性和粘结性，混凝土基材与修 补材料的相容性要考虑热膨胀系数、弹性模量、干缩量、蠕变和化学相容性等。 碳纤维增强复合材料的重点在于胶粘剂，碳纤维布只有在胶粘剂粘贴于混凝 土上后才能发挥其优越性能和特点，c f r p 增强或加固混凝土结构的整体复合效果 主要通过c f r p 和混凝土之间良好的粘结来实现，因此所选用胶粘剂性能好坏尤 为重要。 碳纤维加固胶粘剂一般包括三种胶：底涂胶( 又称底层树脂) 、修补胶( 又称 找平树脂或腻子) 和粘结胶( 又称浸渍树脂) 。它们各自的作用分别为：( 1 ) 底涂 胶：涂刷于混凝土基层上，强化混凝土表面强度，从而使混凝土与碳纤维之间的 粘结性得到提高。( 2 ) 修补胶：整平混凝土表面，便于碳纤维布的粘结。( 3 ) 浸 浈树脂：将碳纤维布结合在一起，使之成片状硬化物：同时将碳纤维于混凝土牯 结在一起，也形成一个复合整体，共同抵抗外力“”。 三种胶粘剂之中，浸渍树脂最为重要，它的性能直接决定碳纤维布能否有效 的加固补强混凝土结构。 目前胶粘剂主要品种有环氧树脂、不饱和聚酯树脂( u p ) 、酚醛树脂、乙烯 基酯聚氨酯树脂及其它热固性和热塑性树脂。其中常见的几种胶粘剂的性能特点 见表1 1 。 现在所用的胶粘剂主要是以环氧树脂为主的，结构加固用环氧树脂的性能指 标如表1 2 ，1 3 q * j 所示。环氧树脂是线性结构的热塑性聚合物，加热呈塑性本 身不会硬化，当加入一定量硬化剂后，经室温放置或加热处理后，与固化剂发生 交联固化反应，变为不溶于水的坚固体型网状结构的巨大分子高聚物，其性能 4 第一章绪论 表1 1 常见几种胶粘剂的性能特点1 胶粘剂种类 特点 环氧树脂 丙烯酸树脂 聚醋酸乙烯 酚醛树脂 聚氨酯 氯丁橡胶 有机硅 丁苯橡胶 使用多种固化剂配制成多种应用产品，粘结强度高，耐潮湿、 耐腐蚀性较好 乳液型，耐紫外线性较好，无色透明，耐热性较差 乳液型或溶液型，耐油、耐老化性较好，价廉，但在应力下蠕 变。 双组分，固化快，耐潮湿、耐化学腐蚀性较好，强度高 双组分或单组分，有较好的弹性和耐高低温性能，耐潮湿性较 差 以乳液或溶液形式使用，强度高，耐热、耐紫外线，对油和弱 酸稳定性较好 单组分或双组分，耐候性好，耐高温，耐紫外线，耐震动，价 格较高 不合适混凝土使用 表1 2 底层树脂和找平材料的性能指标 表1 3 浸渍树脂和粘结树脂的性能指标 亦能由热塑性变为热固性。 环氧树脂胶粘荆有很多优点： ( 1 ) 能将不同性质的材料牢固粘接： ( 2 ) 固化后粘结强度比混凝土还高，且固化时间短，只需约6 小时就能达到强 度要求； 5 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) 相对于铆结等连接方式，结构胶粘结处受力较均匀，无明显应力集中现象。 ( 4 ) 粘结力大，收缩性小，化学稳定性好。 但是环氧树脂也有不少的缺点： ( 1 ) 它具有难闻的气味，在运输施工时散发出极大的气味，对人体有着较大 的不利影响，对周围的环境也会造成一定的不良影响。 ( 2 ) 在使用的时候对环境的要求高，一般需要在6 0 以下，而且温度越高其 强度越低。 ( 3 ) 在其硬化后，其强度虽然很高，但是耐热性较差，不能在高温下很好的 实现其工作性。这就使其不能用在一些要求高温下工作的场合。 ( 4 ) 目前还缺乏科学有力的论证表明其具有与混凝土相当的耐老化性能，有 机高分子化合物结合键的不稳定性使得它在不同环境条件下的老化和劣化成为必 然，这样就不能保证其始终保持良好的工作性能的要求“ ( 5 ) 其固化物质脆、耐热性较差等缺点，使其在用作玻璃纤维、碳纤维及芳纶 纤维增强复合材料的基体时，材料的耐热性和冲击性能显得明显不足，从而限制了 其在承力结构件中的应用。通用e p 的使用温度为6 0 1 5 0 。用于湿法成型的e p 使用温度低于7 0 。许多研究表明e p 体系在1 0 0 的空气中会发生明显的热氧化 降解作用，其表面热氧化层在应力作用下成为开裂引发点。 ( 6 ) 它属于危险的化学品，在运输和储藏时均需要采取专门的措施。 ( 7 ) 使用环氧树脂的话，其成本也较高，约为5 0 0 元每平方米 针对这些缺点，需要对现用的胶粘剂进行改进，在满足基本性能要求的前提 下，尽量少用甚至不用环氧树脂。 1 4 研究的目的及意义 因为目前环氧树脂胶粘剂存在不足，主要体现在脆性大，耐久性差等方面， 所以，本试验的目的在于寻找新型的胶结材料，在满足施工性能和粘结强度的要 求下，能够弥补环氧树脂在这几方面性能上的不足。 新型的碳纤维布加固胶结材料，还可以降低旧混凝土结构修复成本。更高的 耐久性，可以延长混凝土结构使用寿命，节省资源，保护环境。 本试验通过大量试验，选取部分可用于碳纤维布加固的胶结材料，对其进行 改性，测量其粘结强度、施工性能以及加固效果，包括加固柱的轴向抗压强度测 试和加固梁的荷载一挠度曲线测试，都得到了一定的加固效果。 尤其是其中的水泥基胶结材料，与旧混凝土结构有很好的相容性，耐老化性 能优于环氧树脂，而且价格低廉，施工方便，如果能改善其粘结强度较低的缺点 6 第一章绪论 将会有很好的使用前景。 7 东南大学硕士学位论文 第二章原材料及实验方法 2 1 原材料 2 1 1 碳纤维布 由于碳纤维布具有强度大( 约为普通钢筋的l o 倍以上) 、比重小、抗腐蚀、耐 老化等优点，在对混凝士结构进行加固时，达到同样的效果，碳纤维布用量少， 而且几乎不增加结构的自重还适用于需承受动荷载结构的加固。而且由于碳纤 维布是柔性材料，施工过程中可用剪刀进行加工裁剪，施工基本是手工作业，不 需大型设备和机具，所需施工空间小，施工速度快，而且粘贴质量容易保证，按 规程施工可保证有效粘贴面达到9 8 以上”。 本实验中所使用的碳纤维布( 见图2 1 ) 的基本性能如表2 1 所示。 图2 1 试验中使用的碳纤维布 表21 碳纤维布的基本性能 碳纤维性能项目 数据 拉伸强度 弹性模量 单丝纤维直径 3 5 x 1 0 3m p a 2 3 1 0 5m p a 8um 第二章原材料及实验方法 2 1 2 环氧树脂 本实验中使用的环氧树脂为e 一4 4 及配套的固化剂。 2 1 3 水泥 试验中水泥主要用于两个方面： ( a ) 成型被加固的试块及构件 使用p i i4 2 5 硅酸盐水泥成型c 3 0 试块( 包括测量正拉粘结强度的试块 和加固效果测试中的柱、梁) ，使用p i i5 2 5 硅酸盐水泥成型被加固试块( 即加 固效果测试中的柱、梁) 。 ( b ) 作为胶粘剂的原材料之一 在第三章介绍环氧树脂基胶结材料中，p i i5 2 5 硅酸盐水泥被用作填料。 作为胶粘材料，要保证与碳纤维布和旧混凝土之间的枯结，所以就要求所使用的 水泥要满足高的细度，使其能够渗透到碳纤维布的缝隙中去，同时还要有高的强 度，以保证粘结强度。所以本试验选用p i i5 2 5 硅酸盐水泥。 试验使用的水泥分别为江南水泥厂生产的金宁羊p i i4 2 5 硅酸盐水泥和江 南小野田水泥有限公司生产的p i i5 2 5 硅酸盐水泥。两种水泥的化学成分和物 理力学指标分别如表2 2 和表2 3 所示。 表2 2 水泥化学成分( w t ) 水泥 、 c a o s i 0 2 a 12 0 3 f e 2 0 3 m g o s 0 3k 2 0n a 2 0 l o i ”t o t a l 标号 p i l 4 2 56 1 9 51 9 84 8 44 2 25 1 82 1 6 一一 1 3 09 9 4 5 p i l 5 2 56 4 5 02 2 0 44 7 63 1 00 9 21 9 0 一一 1 0 19 8 2 3 9 东南大学硕士学位论文 2 1 4 砂、石 本试验中所用的砂为普通河砂最大粒径为5 m m ，细度模数为2 7 ；石子为玄 武岩，最大粒径为2 0 m m 和3 0 m m 。 2 1 5 丙烯酸酯共聚乳液 本试验中所使用的丙烯酸共聚乳液由南京永丰化工厂生产，丙烯酸乙酯含量 9 8 。 2 1 6 苯丙乳液 本试验中所使用的苯丙乳液为南京优派化工有限公司生产，固含量为5 5 。 2 1 7 硅灰 本实验中使用的硅灰化学成分见表2 4 。比表面积为1 5 0 0 0 m 2 k g 。 表2 4 硅灰化学成分( w t ) 2 i 8 粉煤灰 本试验中使用的粉煤灰为南京热电厂生产的低钙i 级粉煤灰，用于成型被加固 混凝土试块，化学成分见表2 5 。 表2 5 粉煤灰化学成分( w t ) 2 1 9 石灰石粉 本试验中使用的石灰石粉的比表面积为3 5 0 ，1 2 k g 。 1 0 第二章原材料及实验方法 2 1 1 0 减水剂 本试验中使用的减水剂是江苏省博特新材料有限公司生产的p c a 聚羧酸类高 效减水剂。 2 1 1 1 水 普通自来水。 2 3 研究思路 ( a )试验前期，设想在环氧树脂的基础上，掺加其他材料，降低环氧树脂 的用量，从而改善由环氧树脂带来的问题。 通常施工中使用的环氧树脂胶粘剂，主要由环氧树脂、固化剂、少量的填料 以及稀释剂等其他助剂组成。尝试使用不同种的填料，并且加大填料的用量，来 取代环氧树脂，从而降低环氧树脂用量，来改善脆性和耐久性的问题。 ( b ) 试验中期，考虑到要从根本上解决环氧树脂带来的问题，仅仅降低环 氧树脂的用量是不能解决问题的。尝试寻找其他胶结材料来代替环氧树脂。 本试验考虑使用无机类的胶粘剂。因为部分无机类胶粘剂跟有机类胶粘剂 相比，具有更好的耐久性。 在这一阶段，对现有的、在各个领域使用的无机胶结类材料进行筛选，选择 适合在混凝土结构加固中使用的，且各方面性能可能较好的材料，进行粘结强度 测试。 ( c )试验后期，在前段时间工作的基础上，考虑使用水泥基的胶结材料。 因为在各种无机胶结材料中，水泥基的胶结材料与旧混凝土的粘结情况较好。 尝试使用聚合物水泥浆体作为胶结材料，选择不同的聚合物，不同的掺量， 不同的水灰比进行混凝土梁，柱的加固效果测试。 2 4 试验方法 碳纤维布加固用胶结材料的性能测试主要有三方面： ( 1 ) 力学性能指标：主要包括拉伸强度、压缩强度、拉伸剪切强度、正拉粘结 强度。 ( 2 ) 长期使用性能指标：长期使用性能指标主要指胶结材料的耐久性及蠕变性 1 1 东南大学硕士学位论文 能。c f r p 片材粘贴用胶结材料应具有良好的耐久性能。耐久性包括：耐大气腐蚀 性；耐水性：耐化学药品性：耐寒和耐热性：耐疲劳性。 ( 3 ) 施工性能指标：胶结材料的施工性能指标对结构的加固修复效果非常关 键。施工性能指标主要包括在不同施工温度下，如较高温( 3 5 以上) ，常温( 5 3 5 ) 。低温( 5 - 2 0 ) 的适用期与干燥时间。 在本试验中，判断某种胶结材料是否适用于碳纤维布加固的标准，首先就是 与碳纤维布和旧混凝土的粘结强度，其次就是施工性能和耐久性。 2 4 1 正拉粘结强度 参照中国工程建设标准化协会标准碳纤维片材加固混凝土结构技术规程 ( c e c s1 4 6 ：2 0 0 3 ) ，对于加固用的胶结材料，需要测试正拉粘结强度、拉伸剪 切强度、拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、弹性模量、伸长率等方面性能，且需 要达到的强度标准见表2 4 ，2 5 ，2 6 。 本试验主要研究的是浸渍树脂，而浸渍树脂的各项性能中，最重要的是粘结 强度，所以主要测试材料的正拉粘结强度。 2 4 2 正拉粘结强度测试方法 中国工程建设标准化协会标准碳纤维片材加固混凝土结构技术规程规定 的正拉粘结强度测试方法为： 拉力试验机。试验时所用的夹具应能使试样对中、固定，试验机应能使拉 力平稳的增加。 试验机具。试验所用的机具用钢材加工而成，尺寸如图2 2 。 试验所用的混凝土试块尺寸为7 0 m m x 7 0 x 4 0 。预切缝深度取2 m m 一3 m m ， 宽度i m m - 2 m m ，如图2 3 。 试样制备。试样为钢标准块与混凝土试块的组合件。在混凝土试块的中央 位置按照正常的施工工序粘贴尺寸为4 0 m m x 4 0 m m 的碳纤维片材，然后将钢标准块 与混凝土试块粘结。 试验环境保持在：温度2 3 1 ，相对湿度6 0 7 0 。 将制备好的试样放入拉力机的夹具中并对中，以1 5 0 0 2 0 0 0 n m i n 的速度 进行加载，直至破坏。 正拉粘结试验中，成型试块的设计强度为c 3 0 ，水灰比为0 4 1 ，配合比如表 2 7 所示。 1 2 第二章原材料及实验方法 l 生0 j ( o ) 钢标准块 图2 2 试验机具尺寸示意 每 ) 钢夹具 表2 7 正拉粘结强度试验试块成型配合比 图2 3 混凝土试块尺寸( 1 一预切缝) f_iilldz_ili 1 i d l - 1 东南大学硕士学位论文 实际试块见图2 4 。 图2 4 正拉粘结强度测试实际试块 实验时机具装配如图2 5 ： 图2 5 实际装配机具示意图 正拉粘结强度计算公式： f = p a f - - 正拉粘结强度，m p a ； p - - 试样破坏时的荷载值，n ； 一钢标准块的粘结面积，2 。 在实际试验过程中，对于所有被加固试块都要进行预处理： ( 1 ) 去除表面油渍和浮灰。在试验室中可以使用丙酮或者无水酒精之类的有机溶 剂进行清洗。 ( 2 ) 表面凿毛。为了增加胶粘材料与旧混凝土之间的粘结强度，要在旧混凝土表 面进行凿毛处理，除去表面的浮浆，提高粘结表面积。 1 4 第二章原材料及实验方法 ( 3 ) 转角粘贴处进行倒角处理。将转角处打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于2 0 m m 。 目的在于防止加固时应力集中在转角处，导致胶层不连续或者碳纤维布断裂。 2 4 3 正拉粘结强度试验方法改进 中国工程建设标准化协会标准碳纤维片材加固混凝土结构技术规程中规定 的正拉粘结强度的试验方法主要针对于环氧树脂胶粘剂，而环氧树脂胶粘剂可以 用于大部分材料之间的粘结，对于钢铁的粘结强度也很高。 在本试验中，一部分胶粘材料是水泥基材料。水泥基胶粘材料对于旧混凝土的 粘结强度较高，但是对于钢铁的粘结强度就很低。所以使用标准中规定的方法进 行测试时，在拉力较小时，钢标准块和碳纤维布之间就发生脱粘，而这时的破坏 拉力远小于碳纤维布和旧混凝土之间粘结破坏的强度，并不能代表真正的正拉粘 结强度。 所以，本试验对于标准中规定的方法进行改进，当使用水泥基胶粘材料时，在 钢标准块和碳纤维布之间使用环氧树脂胶粘荆进行粘结。同时，为了防止环氧树 脂渗透到碳纤维布和下层水泥基胶粘材料之间，从而影响粘结情况，导致实测数 据不能正确反映水泥基胶粘材料与旧混凝土及碳纤维布之间的粘结情况，我们在 试验中将这两道工序错开，在下层水泥基胶粘材料养护1 4 天，达到一定强度后， 再使用环氧树脂将钢标准块粘贴到碳纤维布上( 流程如图2 6 所示) 。测量时， 因为环氧树脂的粘结强度大大高于水泥基胶结材料的粘结强度，破坏一定发生在 水泥基胶结材料的粘结面上，可以很好的反映胶结材料的粘结强度。 图2 6 改进后正拉粘结强度试验流程 1 5 测试 天 东南大学硕士学位论文 2 4 4 施工性能测试 结构加固用的胶结材料是完全为实际施工服务的，所以胶结材料的施工性能也 非常重要。 在胶结材料的施工性能中，最为重要的就是胶结材料的稠度，这对施工能否完 成起到了决定性作用。如果胶结材料稠度过大，在施工时就不易于抹平，对旧混 凝土的附着力低，对碳纤维布的渗透性差，导致粘结强度低；如果胶结材料的稠 度过小，胶体太稀，会导致胶层流淌，导致过薄或是胶层不均，尤其对于粱的加 固造成施工困难。 对于环氧树脂类胶粘剂，因为粘结强度高，胶层厚度可以较薄，施工也较为方 便。而对于水泥基胶结材料，工作性的要求就比较高。 在本实验中，通过测量胶结材料的流动度，来反映胶结材料施工性能的好坏。 测试仪器见图2 7 。 因为将水泥基胶结材料用于碳纤维加固，目前国内还没有相关的标准，在本试 验中根据实际操作情况，确定流动度在1 5 m m 3 0 m m 之间的胶结材料的施工性能较 好。 2 4 5 砂浆抗折强度测试 图2 7 胶结材料流动度测试 对于水泥基胶结材料，通过测试其砂浆抗折强度，来反映其自身粘结强度。 试块尺寸为4 0 m m x4 0 m m 1 6 0 m m 。 1 6 第二章原材料及实验方法 2 4 6 胶结材料加固混凝土短柱轴向抗压强度测试 将选定的胶结材料进行柱的加固效果测试。 混凝土柱的尺寸为l o o m m x1 0 0 m m x3 0 0 m m 。 对混凝土柱进行加固，有多种包裹方式。如图1 3 。为了达到更好的加固效 果，同时满足经济性要求，本试验中选择单层全部包裹的方式，搭接长度为1 0 0 m m ， 如图2 8 所示。 对于混凝土柱，要在四条长棱边进行倒角处理，如图2 9 所示。倒角半径大 于2 0 m m ，目的在于使胶层连续，并且防止应力集中。 将养护好的混凝土柱进行轴向抗压强度测试，来反映加固效果。 轴向抗压强度计算公式： f p = 0 9 5 二- 图2 8碳纤维布加固混凝土柱包裹示意图 柱 cf _ rp 图2 9 碳纤维布加固混凝土柱横截面示意图 1 7 东南大学硕士学位论文 图2 1 0 加固后混凝土柱轴向抗压强度测试用压力机 2 4 7 胶结材料加固混凝土梁抗弯强度测试 将选定的胶结材料进行粱的加固效果测试 混凝土梁的尺寸为1 0 0 m m x1 0 0 m m x 4 0 0 m m 。 对混凝土粱进行加固，也有多种包裹方式。本试验中选择受拉面单层加固并 在两端加u 形箍的方式，如图2 1 l 所示。 图2 1 1 碳纤维布加固混凝土粱包裹示意图 其中，u 形箍的搭接长度为l o o m m 。 加载方式如图2 1 2 所示。 1 8 第二章原材料及实验方法 l ()() 伞。o 5 0 图2 1 2 碳纤维布加固混凝土小粱抗弯试验加载示意图 图2 1 3 碳纤维布加固混凝土粱抗弯荷载一挠度曲线测试实验 使用应力应变仪测试试块的荷载一挠度曲线，判断加固后梁的极限荷载、挠 度、韧性情况。 2 4 8 试验前操作要求 对于混凝土结构的加固，为了提高加固效果，在加固之前要对被加固构件 进行预先处理。 1 表面处理：应清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝 土，露出混凝土结构层，并用修复材料将表面修复平整：如有裂缝，要进行灌缝 或封闭处理；被粘贴的混凝土表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直 至完全露出混凝土结构新面，转角处应进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径 不应小于2 0 r a m ；混凝土表面应清理干净并保持干燥。 1 9 东南大学硕士学位论文 2 涂刷底层树脂：均匀涂抹；在底层树脂表面指触干燥后尽快进行下一道工 序。 3 找平处理：对混凝土表面凹陷部位使用找平材料填补平整，不应有棱角； 转角处用找平材料修理成光滑的圆弧；在找平材料表面指触干燥后尽快进行下一 道工序。 4 粘贴碳纤维布：按设计要求的尺寸剪裁碳纤维布；将胶结材料均匀涂抹于 粘贴部位；粘贴碳纤维布，使用专业滚筒顺纤维方向多次滚压，挤出气泡，也使 胶结材料充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布；在碳纤维表层均匀涂抹 一层胶结材料。 5 其他注意事项：要保持碳纤维布表面干净无粉尘；涂刷的胶结材料层平均 厚度不应少于2 m m 【1 ”。 2 5 正拉粘结强度初步试验 本文的主要思想是使用无机胶结材料取代部分甚至全部的环氧树脂胶粘剂。参 考国内外现有无机胶粘剂，选取可以在混凝土或者其他相近建筑材料范围内使用 的无机胶粘剂，使用现有的较好的配方，进行正拉粘结强度试验，从中选出较为 可行的胶粘剂类型。 。 试验初期进行了大量的尝试，其中氯丁胶、氧化铅一铁胶泥等等强度都很低， 不适用于混凝土中使用。但是有部分胶结材料虽然强度不够，但是可以通过掺加 聚合物等方法进行改进，从而达到基本强度要求。 2 5 1 氧化铜一磷酸无机胶粘剂 氧化铜一磷酸无机胶粘剂是目前使用较为广泛的无机胶粘剂之一。 本试验中使用的配合比为： 氧化铜组分质量( g ) 磷酸铝组分质量= 4 1 固化2 4 小时后测量正拉粘结强度，结果如表2 8 。 表2 8 使用氧化铜一磷酸无机胶粘剂测得的正拉粘结强度 氧化铜一磷酸无机胶粘剂的固化速度快，粘结强度低，同时，过短的固化时间 也不利于施工。 第二章原材科及实验方法 2 5 2 水泥净浆 选用p 1 1 4 2 5 硅酸盐水泥和p 1 1 5 2 5 硅酸盐水泥，水灰比分别为0 5 8 、0 4 5 、 0 4 0 ，标准养护1 4 天，测量正拉粘结强度，测试结果如表2 9 、2 1 0 、2 1 1 所示。 表2 9p 1 1 5 2 5 硅酸盐水泥、水灰比0 4 0 水泥净浆加固的正拉粘结强度 表2 i 0p 1 1 5 2 5 硅酸盐水泥、水灰比0 4 5 水泥净浆加固的正拉粘结强度 表2 1 1p 1 1 4 2 5 硅酸盐水泥、水灰比0 5 8 水泥净浆加固的正拉粘结强度 三个配比测试的破坏方式均为碳纤维布与水泥胶层之间破坏，水泥净浆基 本上没有渗透到碳纤维布里面，渗透性很差。同时，由实验数据可以看到，使用 水泥净浆加固的离散性非常大。从在实验过程中就可以看到，水泥净浆的粘性很 低，施工非常困难。如果使用较高的水灰比，浆体较稀，可以给施工带来方便， 但是胶体很难达到一定厚度，从而导致水泥浆体硬化后强度很低：如果使用较低 的水灰比，浆体较稠，可以保证胶体的厚度，从而达到一定强度，但是施工时就 极为困难，旧混凝土和碳纤维布都会吸收部分水分，导致浆体更加难以涂抹平整， 从而使粘结强度大大降低。 本实验证明水泥净浆并不适合直接作为碳纤维加固用的胶粘剂。 2 5 4 在环氧树脂中掺加水泥及细砂作为填料 使用e 一4 4 型环氧树脂及配套的e d a 固化剂，配比如表2 1 2 。 2 i 东南大学硕士学位论文 表2 1 2 环氧砂浆配合比1 组分质量比 e - 4 4 型环氧树脂 e d a 固化剂 p 1 1 4 2 5 硅酸盐水泥 细砂( 粒径0 5 m s ) 1 0 0 7 1 0 0 8 0 掺加细砂后，因为细砂粒径大于碳纤维之间缝隙宽度，胶体对碳纤维布的渗透 性很低。 本试验证明，作为加固用的胶粘剂，胶体中不应掺加粒径过大的成分，以免导 致渗透性太差。 第三章环氧树脂基胶结材料 第三章环氧树脂基胶结材料 本试验中所指的环氧树脂基胶结材料是指以环氧树脂胶粘剂为基材并发挥 主要粘结作用，在其中掺加了其他有机或者无机材料来改善性能的胶结材料。因 为本试验是作为一种探索，研究掺加不同材料所带来的性能差异，并且考虑到施 工上需要便于操作的原因，所以只掺加单一材料，使用不同的掺量。本试验主要 考虑掺加较高掺量的无机填料，从而替代部分的环氧树腊，降低环氧树脂的用量， 降低成本、提高耐久性。 3 1 粘结强度测试 本试验的目的主要在于改善环氧树脂胶粘剂存在的问题，因此试验过程中 都以相同条件下使用环氧树脂胶粘剂得到的数据作为参照数据，进行比较。 3 1 i 以环氧树脂作为胶粘剂的正拉粘结强度 本试验中使用的环氧树脂胶粘剂的配比为环氧树脂：固化剂( 质量比) = 4 ： 1 。根据第二章介绍的正拉粘结强度测试方法进行测试。 使用碳纤维布对结构进行加固时，加固面发生破坏的主要方式有： 混凝土破坏：混凝土试块破坏； 层间破坏：树脂与混凝土间复合涂层界面破坏； 碳纤维片材破坏：碳纤维片材内部破坏； 粘结失效：碳纤维片材与钢标准块之间破坏。 其中，当破坏方式为时，测量结果符合粘结强度测试要求；当破坏方式 为时，测量结果应予以删除“”。 用于测量正拉粘结强度的试块的设计强度为c 3 0 ，实际抗压强度测试平均值 为3 2 3 i p a 。正拉粘结强度实验结果见表3 1 。 表3 1以环氧树脂为胶粘剂加固时的正拉粘结强度 破坏方式：旧混凝土表层破坏。 东南大学硕士学位论文 在以下的正拉粘结强度中，参考的环氧树脂加固正拉粘结强度值为3 4 4 m p a 3 1 2 在环氧树脂中掺加硅灰作为填料 3 2 。 使用不同掺量硅灰作为填料，比表面积为1 5 0 0 0 m 2 k g ，测量的结果如表 表3 2 在环氧树脂中掺加不同掺量硅灰后的正拉粘结强度 其中，硅灰掺量指硅灰替代环氧树脂的质量百分数。增强幅度都是以环氧树 脂加固所测得的正拉粘结强度作为基准值，强度增加则增强幅度为正值，强度降 低则增强幅度为负值，下同。 图3 1 在环氧树脂中掺加不同掺量硅灰的正拉粘结强度 试验中硅灰掺量试验范围的确定主要由施工性能决定，当填料掺量过高( 超 过3 3 3 5 ) 时，胶体稠度过大，无法施工。 在前期试验中，测试了硅灰掺量小于2 5 0 时胶结材料的正拉粘结强度。从 掺量为零到掺量为2 5 0 的胶结材料的正拉粘结强度基本为抛物线型，当硅灰掺 第三章环氧树脂基胶结材料 量为1 2 0 左右时，所测得的正拉粘结强度最高，达到了4 6 m p a 。但是本试验的 目的之一就是在满足强度要求的情况下尽量减少环氧树脂的用量。当硅灰掺量为 2 5 0 时，虽然正拉粘结强度不是最高，但已经远远高于单纯环氧树脂粘结的 3 4 4 m p a ，硅灰的掺量较大，同时胶结材料的流动性仍然较好，是较为理想的掺量。 从试验结果中可以看到，在2 5 0 到3 3 3 的掺量范围内，所测得正拉粘结 强度都要高于单纯环氧树脂测得的正拉粘结强度，同时，随着硅灰掺量的增加， 正拉粘结强度逐渐降低。 3 1 3 在环氧树脂中掺加p 1 1 4 2 5 硅酸盐水泥作为填料 3 3 。 p 1 1 4 2 5 硅酸盐水泥比表面积为3 5 0 研2 k g ，正拉粘结强度测试结果见表 表3 3 在环氧树脂中掺加不同掺量p 1 1 4 2 5 硅酸盐水泥的正拉粘结强度 其中，水泥掺量指水泥替代环氧树脂的质量百分数。 4 6 0 4 皇4 型 罂。， 羹3 崮3 5 0 ，05 2 65 565 8 8 6 2 5 水泥掺量( - t ) 图3 2 在环氧树脂中掺加不同掺量p 1 1 4 2 5 硅酸盐水泥的正拉粘结强度 东南大学硕士学位论文 因为试验的目的之一就是要尽量降低环氧树脂的用量，因此，本试验中选择的水 泥掺量主要从5 0 于f 始进行测试，当水泥掺量高于6 2 5 时，胶体稠度过大，基本 上无法施工，所以经过试验后将水泥掺量范围定在5 0 6 2 5 。 3 1 4 在环氧树脂中掺加p 1 1 5 2 5 硅酸盐水泥作为填料 p i i 5 2 5 硅酸盐水泥比表面积为3 8 0 ，1 2 k g ，测试结果见表3 4 。 表3 4 在环氧树脂中掺加不同掺量p 1 1 5 2 5 硅酸盐水泥的正拉粘结强度 其中，水泥掺量指水泥替代环氧树脂的质量百分数。 水泥掺量范围的确定与掺加p 1 1 4 2 5 硅酸盐水泥相同。 图3 3 在环氧树脂中掺加不同掺量