環氧樹脂膠粘劑在水利工程中的應用

蔣金虎 胡光乾

摘要：環氧樹脂膠粘劑具有非常強的粘接力，耐腐蝕性及介電性能也很好。將其運用于水利工程的混凝土中能夠起到加固混凝土構件的作用。所以文章將環氧樹脂膠粘劑用于水利工程的混凝土中研究其表現性能。通過實驗研究的方法，研究內嵌式碳纖維混凝土使用環氧樹脂膠粘劑后的壓縮強度、分裂拉伸強度和彈性模量。結果表明，環氧樹脂膠粘劑與水泥基膠粘劑相比具有更好的性能;當溫度達到一定范圍后，環氧樹脂膠粘劑的性能將會降低;當暴露于高溫的時間越來越長后，混凝土的壓縮強度、彈性模量和開裂拉伸強度下降更多。

關鍵詞：環氧樹脂膠粘劑;水利工程;混凝土;內嵌式碳纖維

中圖分類號：TQ437

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2019）08-0015-05

近年來，人們越來越重視所有類型的水利工程建筑物的修復和翻新，而不是拆除和重建，混凝土結構也不例外。水利工程中有些建筑面臨的一個問題是暴露在高溫下，它們應具有足夠的結構耐火性以承受這種情況，以免建筑發生危險造成重大事故[1]。最近，很多學者對內嵌式碳纖維的使用進行了大量研究，并且已經對粘合性能、剪切和彎曲強化進行了研究[2]。使用內嵌式碳纖維加固混凝土的研究也有很多，會對這種混凝土進行性能試驗，得出混凝土的力學強度[3]。內嵌式碳纖維加固混凝土在水利工程中運用也較多[4]。但是內嵌式碳纖維加固鋼筋混凝土時需要用到膠粘劑，當受損的混凝土使用環氧樹脂膠粘劑進行粘接時其受溫度的影響的研究較少。作者將會研究環氧樹脂膠粘劑在水利工程中應用，通過拉拔試驗來研究其使用過程中受溫度影響的粘接性能，并且還會與水泥基膠粘劑進行比較，得出環氧樹脂膠粘劑在水利工程中的應用效果。

1 實驗部分

1.1 主要材料

規定了混凝土35MPa的目標壓縮強度，采用尺寸為lOOmmx200mm的圓筒，其混凝土平均劈裂拉伸強度為3.56MPa，28d的平均彈性模量是27.8GPa。使用研磨機對混凝土圓筒的頂部和底部表面進行平整，以在混凝土表面上提供均勻的應力分布。按重量計采用以下比例：1（水泥）、1.67（細集料）、2.73（粗集料）。水/水泥比為0.57，坍落度為約80mm。固化28天后，將混凝土棱柱在環境溫度（約19-22。C）和相對濕度（約63%）下放置在實驗室中90d，直到它們準備好加熱、修復，然后測試。拉拔試驗時混凝土的平均抗壓強度、彈性模量和劈裂拉伸強度分別為41.43Mpa， 29.5GPa和4.3MPa。

本研究采用具有剝離層的單向碳纖維層合板，去除保護層后表面紋理粗糙。碳纖維層合板的尺寸為20mmx l.4mm，有效粘接長度為175mm，碳纖維壓層板的性能如表1所示。該表中將實驗室測量的數據與制造商的數據進行了對比，發現兩種數據一致。環氧樹脂膠粘劑用于碳纖維層壓系統，以使用內嵌式方法將碳纖維條帶粘合到混凝土基材上。環氧樹脂膠粘劑的性能如表2所示。

1.2 實驗過程

使用環氧樹脂膠粘劑研究內嵌式碳纖維帶與暴露于高溫下的混凝土之間的粘合行為，以及在暴露于200qC、400qC和600。C的溫度下使用單搭接剪切測試的高溫對直接拉伸強度值的影響進行實驗計劃[5]。在實驗過程中，加熱對粘接強度行為的影響是基于實驗室鑄造的12個受損混凝土棱柱，并與未暴露于熱量的參考物進行比較。所有棱柱的長度均為250mm，正方形橫截面為75mmx75mm.設計混凝土棱柱以接近單搭接剪切試驗的設置。棱柱用鉻合金-KK熱電偶測量。在暴露于加熱期間，僅有一個附著在混凝土棱柱的表面上以測量混凝土表面上的溫度。為此，發現ATENA-GiD取決于實驗過程中測量的溫度，如圖1所示。在固化90d后，混凝土棱柱暴露在溫度為200℃、400℃和600qC中，在大型爐中進行兩次暴露th和2h。所有混凝土棱柱在iS0-834標準時間溫度曲線下加熱。圖1顯示目標溫度合理地遵循IS0-834火焰曲線。另外，將9個尺寸為lOOmmx200mm的混凝土圓筒加熱至每個水平，以獲得加熱后混凝土的壓縮強度，彈性模量和劈裂強度，并預測高溫對機械性能的影響。

記錄兩個系列的剩余直接拉伸強度值，一個用于參考，一個用于使用環氧樹脂膠粘劑用內嵌式碳纖維修復的受損混凝土棱柱。表3中描述了這些組。樣品標識“R”的第一個字母表示尺寸為1.4mmx20mm的粗糙碳纖維帶;第二個字母“E”表示環氧樹脂膠粘劑;數字“25”表示沒有加熱的樣品;數字“200”、“400”和“600”表示以攝氏度為單位的溫度;1h和2h表示小時數;“A”和“B”指的是第一和第二標本。在將樣品暴露于加熱之后，通過將平均最大拉出力除以膠粘劑材料和碳纖維帶之間的接觸面積2mmx20mmx175mm來計算最大粘合強度。其中“2”是碳纖維帶的兩個面，包括粘合材料和碳纖維帶之間的接觸面積;“20”是條帶寬度，“175”是碳纖維條帶和混凝土基材之間的粘合長度。

2 實驗結果和討論

為了更好地了解環氧樹脂膠粘劑在水利工程混凝土中的應用性能，考慮應用環氧樹脂膠粘劑的內嵌式碳纖維混凝土在受到熱損傷后的性能，首先要研究受高溫的混凝土的力學性能。在本研究中，研究了高溫對加熱后混凝土的壓縮強度、彈性模量和劈裂強度的影響。圖2顯示了暴露時間為2h的殘余壓縮和拉伸強度的結果。但是，圖3顯示了2h后的殘余彈性模量的結果。從結果可以清楚地看出，當加熱暴露時間增加時，壓縮強度、彈性模量和分裂拉伸強度下降更多，彈性模量和劈裂拉伸強度對加熱比壓縮強度更敏感。

2.1 暴露于200℃后樣品的粘合強度

在第一階段（lh）中，碳纖維層壓材料與環氧樹脂膠粘劑的殘余粘合強度的百分比為94%。在第二階段（2h）中，使用環氧樹脂膠粘劑的碳纖維層壓板的殘余粘合強度的百分比為86%。表3中描述了這些組。結果表明，當試樣暴露于200℃時，殘余強度略有下降。這表明當試樣暴露于200℃時，混凝土的剛度幾乎不受影響。很明顯，在100和200℃之間的較低溫度下，與在環境溫度（25℃）下的初始值相比，彈性模量略微降低。盡管環氧膠和水泥基膠粘劑的粘接強度降低有相似之處，但用環氧膠粘劑修復碳纖維帶的效果按平均順序排列為最高。由于環氧膠粘劑的優異性能以及碳纖維帶、環氧樹脂膠粘劑與混凝土表面之間的吸引力，使粘接強度達到最大值。此外，碳纖維帶的表面狀況對環氧膠粘劑的摩擦力的影響大于水泥基膠粘劑。

2.2 暴露于400℃后樣品的粘合強度

當溫度升至400℃時，使用環氧樹脂膠粘劑的碳纖維層壓板修復的殘余粘合強度值在1h后為79%。2h后，使用環氧樹脂膠粘劑的碳纖維層壓板修復的殘余粘合強度值為75%。表3中描述了這些組樣。從結果可以明顯看出，與200℃暴露相比，暴露于400℃的溫度后，環氧樹脂膠粘劑的粘合強度分別降低10% -15%，持續1h和2h。盡管粘合強度的降低趨于一致，但使用環氧樹脂膠粘劑的碳纖維帶修復顯示出優異的性能，并且根據平均最大粘合強度具有最高等級，而水泥基膠粘劑顯示出最差的性能，并且由于與水泥基膠粘劑相比，環氧樹脂膠粘劑具有優越的性能。此外，隨著壓縮和分裂強度的降低，混凝土的剛度降低。很明顯，彈性模量似乎隨著溫度大致線性降低，特別是當T>300℃時，當溫度升高到400℃時，混凝土的粘接強度和剛度降低更多。這意味著在此溫度下加熱混凝土受到的影響更大。

2.3 暴露于600℃后樣品的粘合強度

當溫度升至600℃時，1h后用環氧樹脂膠粘劑的碳纖維層壓板的試樣殘留粘合強度為49%。但是，2h后試樣的殘留粘合強度為41%。表3中描述了這些組。可以看出，加熱到600℃的樣品的粘合強度分別在一小時和兩小時后降低了45%，比加熱到200℃的樣品的降低幅度大得多。另一方面，環氧樹脂膠粘劑在1h和2h后的粘合強度分別降低30% -36%.比加熱到400℃的樣品的粘合強度大大降低。從這些結果可以清楚地看出彈性模量的降低。在普通強度混凝土中，可歸因于混凝土微觀結構中的過度熱應力和物理化學變化，混凝土在600℃下的剛度降低明顯是由于混凝土的微觀結構損壞隨溫度升高。

2.4 失效模型

使用環氧樹脂膠粘劑在常溫下觀察到的所有試樣的失效模式是沿著粘合長度在碳纖維帶狀環氧樹脂膠粘劑和混凝土基板之間的界面區域剝離。這種破壞模式與粘合劑表面上的開裂和混凝土的一部分分離以及隨后在混凝土表面開裂有關。當試樣暴露于200℃時，失效模式與常溫下的試樣相似，只是由于暴露于加熱，混凝土表面上的裂縫數量增加。在此溫度下，由于周圍混凝土的內嵌式技術有足夠的限制，因此使用了碳纖維帶的全部容量。400℃的失效模式是混凝土塊的開裂和碳纖維帶、環氧樹脂膠粘劑和混凝土之間的界面區域的剝離。當試樣暴露于600℃時，失效模式是混凝土塊的破裂，這導致試驗終止而在粘合區中沒有觀察到任何失效。裂縫沿著混凝土棱柱表面廣泛分布，混凝土塊中的裂縫是由于試樣暴露于高溫和加熱后混凝土的機械性能下降。基于此，當溫度升高時，發現在混凝土塊中發生破壞模式而在粘合區域沒有任何失效。

3 結語

環氧樹脂膠粘劑引起具有良好的性能，在水利工程中能發揮較好的作用。將環氧樹脂膠粘劑用于水利工程混凝土結構中，因其粘接性能強大，能夠加強混凝土的穩固性。本文通過實驗研究的方法，分析了環氧樹脂膠粘劑用于內嵌式碳纖維混凝土種受溫度影響的性能。分別放于常溫、200℃、400℃、600℃的溫度條件下觀察環氧樹脂膠粘劑在水利工程混凝土中的性能，并且與水泥基膠粘劑進行了比較，發現環氧樹脂膠粘劑具有更加優越的性能。而且當加熱暴露時間增加時，壓縮強度、彈性模量和劈裂拉伸強度下降更多，彈性模量和分裂拉伸強度對加熱比壓縮強度更敏感。由于環氧膠粘劑的優異性能以及碳纖維帶、環氧樹脂膠粘劑與混凝土表面之間的吸引力，使粘接強度達到最大值。此外，碳纖維帶的表面狀況對環氧膠粘劑的摩擦力的影響大于水泥基膠粘劑。當溫度越來越高時，環氧樹脂膠粘劑的粘接強度會下降得越快。

參考文獻

[1]張文淵.環氧樹脂膠粘劑在混凝土工程加固中的應用[J].河南建材，2001，（2）：43-43.

[2]尚守平，呂軍在，環氧樹脂膠泥在混凝土抗滲試驗中的應用[J].建筑結構，2016，（2）：26-29.

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[4]張濤，郭雙，新型NE環氧樹脂砂漿的研制及其在水利水電工程中的應用[J].新型建筑材料，2011，38（11）：94-97。

[5] Al-Saadi N T K，Al-Mahaidi， Riadh， Abdouka， Kami-ran. Bond behaviour between NSM CFRP strips and con-crete substrate using single-lap shear testing with ce-ment-based adhesives[J].ustralian Journal of StructuralEngineering， 2015， 17（ 1）：28-38.