增韌劑對預應力碳纖維板材錨固用結構膠性能的影響

邢婷婷

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

橋梁是跨越山溝、貫通江河的咽喉要道，也是城市發展，城際交流的重要樞紐。交通運輸部的統計資料表明，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，進入服役期，需要維修保養的橋梁數量也在逐漸增多。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，以及設計不足、施工差錯、不可預料的撞擊、火災、地震等因素的影響，性能逐漸劣化，造成一定的經濟損失與生命財產損失[1]。對橋梁現狀進行檢測、評定，適時對橋梁結構進行加固維護，可以有效提高其承載能力，恢復其使用功能，從而延長其服役壽命[2]。

橋梁加固方法眾多，粘貼纖維復合材料法因纖維復合材料抗拉強度高、比密度低、耐腐蝕、加固厚度小等優勢，被廣泛應用（示意圖見圖1）。現有的用于橋梁加固的纖維復合材料主要為碳纖維復合材料板材（以下簡稱：碳板），其施工工藝流程主要為：植筋并安裝錨具、張拉機具，分級加載碳纖維板，然后固定張拉端，張拉完再進行一個碳纖維板材保護層的施工操作，錨具螺栓的螺帽上要涂抹黏合劑，對金屬件進行一個防銹處理后，再安上張拉端與固定端錨具蓋帽。在預應力碳纖維板加固技術中，錨具的可靠性是該技術性能優劣或成敗的關鍵。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行黏接[3]。在平板楔式錨具中，結構膠體系承擔著與鋼板的剪切、擠壓等作用。基于此，本文將研究增韌劑種類、用量對預應力碳纖維板錨固系統中結構膠性能的影響。目前針對環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種不同結構形式的增韌劑進行研究。

圖1 粘貼纖維復合材料加固法示意圖

1 試驗準備

1.1 原材料

環氧樹脂E-51：濟南七彩化工有限公司產，環氧值 0.48～0.51；固化劑：CP-970，大連凱華新技術工程有限公司產；增韌劑1：KH系列（遙爪型分子結構），大連凱華新技術工程有限公司產；增韌劑2：P系列（聚氨酯改性環氧樹脂），北京金島奇士材料科技有限公司產；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；促進劑：DMP-30，常州山峰化工有限公司產；硅微粉：400目，產于連云港浩森礦產品有限公司。

1.2 試驗儀器

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

1.3 樣品的制備和測試

樣品制備：按表1所述將環氧樹脂、增韌劑與填料預先混合均勻，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℃）養護7 d，然后根據規范《樹脂澆鑄體性能試驗方法》（GB/T 2567—2008）對錨固用結構膠的壓縮性能與拉伸剪切性能進行測試。

2 試驗結果與分析

2.1 增韌劑的種類與用量對錨固用結構膠壓縮性能的影響

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

圖2 增韌劑種類及用量對錨固用結構膠壓縮強度的影響

圖3 增韌劑種類及用量對錨固用結構膠壓縮強度損失率的影響

圖4 增韌劑種類及用量對錨固用結構膠壓縮模量的影響

強度是指某種材料抵抗破壞的能力，如抗拉、抗壓強度等。壓縮強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，軸向壓應力與軸向應變之比。應力-應變曲線為直線型，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，錨固用結構膠的壓縮強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構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構無關。這種一致性在文獻[9]中也有體現。

2.2 增韌劑的種類與用量對錨固用結構膠拉伸-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荷。本文選擇了3種不同結構增韌劑及3種不同用量，研究其對結構膠剪切性能的影響，試驗結果見圖5。

圖5 增韌劑種類及用量對錨固用結構膠拉伸-剪切性能的影響

環氧樹脂是應用領域很廣的高性能熱固性樹脂，具有高強度、高硬度、質地脆等特點，需要引入剛性粒子、橡膠類彈性體、互穿網絡聚合物和工程熱塑性樹脂等材料進行增韌。常采用拉伸-剪切強度作為韌性改善的評價指標。由圖5可以看出，增韌劑結構不同，對結構膠拉伸-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，出現了剪切強度的峰值，而增韌劑體系2剪切強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，增韌劑在改善環氧樹脂韌性時，與環氧樹脂及固化劑等有適應性及最高用量的限制。

3 結論

a）增韌劑種類及用量對錨固用結構膠的壓縮強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構膠的拉伸-剪切強度的影響不同，其中增韌劑1、3在用量為10%時，出現了峰值。

c）增韌劑結構不同，增韌機理不同，對壓縮強度、壓縮模量、拉伸-剪切等性能的作用不同，需綜合考慮各參數，確定增韌劑的使用方案。