碳纖維混凝土結構加固補強用環氧膠粘劑改性測試研究

摘 要：以環氧樹脂為基礎并在其中加入制備好的氧化石墨烯，實現環氧樹脂膠粘劑改性。利用膠粘劑將碳纖維粘接到混凝土結構基體上，得到粘接性能測試用試件。將試件放入不同的測試環境中，進行粘接性能3個描述指標的測試，結果表明，隨著測試時間的不斷進行，3個粘接性能的測試指標均呈現下降的趨勢。在平均剪切強度中，工況2環境下平均剪切強度下降的最快、最多，其次是工況4，然后是工況3，最后是工況1。剝離強度與粘接強度一樣，其從低到高排序是工況3、工況2、工況4、工況1，說明高溫環境會造成膠粘劑在一定程度上分解，最終導致粘接性下降。

關鍵詞：碳纖維；混凝土結構；膠粘劑制備；粘接性能分析

中圖分類號：TQ433.4+37" " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " 文章編號：1001-5922（2024）07-0005-04

Study on the modification test of epoxy adhesive for structural reinforcement of carbon fiber concrete

JIN Yuchuan1，2

（1. Tianjin Vocational and Technical Normal University，Tianjin 300222，China；2. Tianjin University，Tianjin 00072）

Abstract： The bonding performance of adhesive is directly related to whether carbon fiber materials can effectively reinforce concrete structures. Therefore， it is necessary to prepare the adhesive for the reinforcement of carbon fiber reinforced concrete structures and analyze the bonding performance. In this study， based on epoxy resin， graphene oxide/epoxy resin adhesive was obtained by modifying the prepared graphene oxide. Carbon fiber was bonded to the structural matrix of concrete structure by adhesive， and the test specimen for bonding performance was obtained. The specimens were put into different test environments， and three descriptive indexes of adhesive properties were tested. The results showed that with the continuous testing time， all three indexes of adhesive properties showed a downward trend. Among the average shear strength， the average shear strength decreases fastest and most in the environment of working condition 2， followed by working condition 4， then working condition 3 and finally working condition 1. The peeling strength is the same as the bonding strength， and its order is case 3 lt; case 2 lt; case 4" lt; case 1， which shows that the high temperature environment will cause the adhesive to decompose to some extent， and eventually lead to the decline of adhesion.

Key words： carbon fiber；concrete structure；preparation of adhesive；bonding performance analysis

混凝土材料價格低廉、高強耐久、可塑性強，因此是工程建造中的首選，但是該材料也存在一定的缺陷，即抗拉強度低，因此很容易出現裂縫，影響了該結構的穩定性和安全性［1］。加固補強主要用到2種材料：一是碳纖維材料；二是粘接碳纖維預混凝土的膠粘劑，其中后者膠粘劑的粘接性能直接關系到加固效果［2］。以復配雙酚F型環氧樹脂為原料，通過在其中添加不同助劑制備出不同配比的膠粘劑，測試了低溫環境下這些膠粘劑的性能［3］。以環氧樹脂為基礎，然后在其中加入有機硅材料，實現膠粘劑的改性，證明了改性效果［4］。以環氧樹脂為基體，在其中加入丁腈橡膠和聚乙二醇，對其進行改性，實現膠粘劑制備，然后針對制備好的改性膠粘劑進行若干性能測試［5］。

結合前人研究經驗，以實驗的方式進行碳纖維混凝土結構加固補強用膠粘劑制備及粘接性能研究。

1" "實驗部分

1.1" "材料與設備

主要材料為：環氧樹脂（工業級，湖北信康醫藥化工有限公司）；高錳酸鉀（工業級，上海嘉楚生物工程有限公司）；丙酮溶液（化學純，廣州和為醫藥科技有限公司）；去離子水（化學純，上海景純水處理技術有限公司）；碳纖維片材（工業級，武漢睿辰標物科技有限公司）；鹽酸溶液（化學純，廣東翁江化學試劑有限公司）；石墨粉（工業級，北京華科盛精細化工產品貿易有限公司）；硝酸鈉（化學純，上海欽誠生物科技有限公司）；過氧化氫溶液（化學純，西安錦源生物科技有限公司）；環氧樹脂固化劑（工業級，湖北鑫潤德化工有限公司）；濃硫酸（化學純，南京沃博生物科技有限公司）。

主要設備包括：上海惠誠生物科技有限公司的JA10003電子天平；佛山恒源力機械設備有限公司的tensiTech+拉伸實驗機；濟南一諾世紀試驗儀器有限公司的WDW-10剝離強度實驗機；北京漢達森機械技術有限公司的HH-WO-5L油浴鍋；上海艾研生物科技有限公司的5427R高速臺式離心機；愛必信（上海）生物科技有限公司的JK-88數控超聲波清洗器；自制的聚四氟乙烯模具；保定友格儀器儀表制造有限公司的FZG10真空干燥箱、IPC250-T1真空箱；江蘇星科元信息科技有限公司的HH-2恒溫水浴鍋；上海昀冠機電設備有限公司的KLG-9020A電熱恒溫鼓風干燥箱；上海那艾實驗儀器有限公司的SHZ-111A循環水式多用真空泵；南京瑞尼克科技開發有限公司的AIR-1S恒溫攪拌器；滄州億軒試驗儀器有限公司的YT1200拉拔試驗儀。

1.2" "膠粘劑制備

基于準備的材料和設備制備一種混凝土結構加固補強用的改性膠粘劑［6］。

1.2.1" "改性材料的制備

步驟1：在圓底燒瓶中放入250 mL的濃硫酸；

步驟2：利用電子天平稱取一定量的石墨粉和硝酸鈉并放入圓底燒瓶中；

步驟3：將裝有混合物的圓底燒瓶放入到恒溫水浴鍋中，冰水浴中攪拌30 min，讓圓底燒瓶中的混合物充分混合反應［7］；

步驟4：稱取12 g的高錳酸鉀溶液，分3次滴入圓底燒瓶中，每滴入1次都需要在30 ℃水浴中攪拌10 min。高錳酸鉀溶液滴完后，室溫下靜置反應12 h；

步驟5：12 h后將圓底燒瓶置于油浴鍋當中并在其中加入500 mL去離子水，80 ℃水浴30 mim，以促進氧化；

步驟6：將圓底燒瓶中的反應溶液轉移到燒杯中，加入1 000 mL的去離子水以及20 mL的氧化氫溶液，靜置反應，直至燒杯中上層懸浮液的顏色變成淺黃色，這時就去除了燒杯中未反應的高錳酸鉀［8］；

步驟7：繼續室溫放置12 h；

步驟8：在燒杯中加入10 mL的鹽酸溶液；

步驟9：利用高速臺式離心機進行離心處理，得到洗滌后的沉淀物；

步驟10：去離子水洗滌，直至達到中性；

步驟11：將最終的沉淀物在去離子水中，然后在數控超聲波清洗器超聲2 h；

步驟12：高速臺式離心機在離心分離后將沉淀物進行真空干燥，烘干沉淀物，得到氧化石墨烯改性材料［9］。

1.2.2" "環氧樹脂改性膠粘劑

將制備好的氧化石墨烯改性材料，制備改性膠粘劑，過程如下：

步驟1：稱取固體環氧樹脂，恒溫水浴鍋加熱融化；

步驟2：稱取一定量的氧化石墨放入裝有丙酮溶液的燒杯中并超聲分散10 min；

步驟3：將步驟2制得的氧化石墨烯溶液倒入步驟1的環氧樹脂液體當中，恒溫攪拌器攪拌10 min；

步驟4：在氧化石墨烯與環氧樹脂混合液當中加入環氧樹脂固化劑，先恒溫攪拌后超聲分散，時間各自2 h［10］；

步驟5：混合液抽真空處理；

步驟6：消泡處理，形成氧化石墨烯/環氧樹脂預膠粘劑。為方便保存，可以將液體氧化石墨烯/環氧樹脂預膠粘劑倒入聚四氟乙烯模具中進行固化，得到氧化石墨烯/環氧樹脂膠粘劑固化物［11］。

1.3" "試件制備

接著利用制備好的氧化石墨烯/環氧樹脂預膠粘劑，將碳纖維材料粘接到混凝土結構上，制成試件［12］。

1.3.1" "制作混凝土結構基體

混凝土結構基體制作的配合比，如表1所示。

按照表1配合比稱取材料并混合攪拌，制成混凝土漿液。混凝土漿液倒入10 cm×10 cm×7 cm的模具當中并進行振搗，幫助排出其中的氣體，然后表面抹平處理，最后養護3 d，脫模后得到混凝土結構基體，如圖1所示［13］。

1.3.2" "碳纖維材料粘接

步驟1：對制作好的混凝土結構基體進行打磨和吹掃，去除表面的雜質；

步驟2：利用滾刷在混凝土結構基體1面涂抹氧化石墨烯/環氧樹脂膠粘劑；

步驟3：裁剪碳纖維片材并將其粘接到混凝土結構基體上并進行滾壓，排除其中的氣泡，使得碳纖維片材與混凝土結構基體充分接觸；

步驟4：在粘接的碳纖維片材表面再均勻涂抹一層氧化石墨烯/環氧樹脂膠粘劑，形成浸漬；

步驟5：等待氧化石墨烯/環氧樹脂膠粘劑干燥，完成試件制備［14］。

2" "粘接性能測試

2.1" "測試環境

現實中加固補強后的碳纖維混凝土結構會暴露在不同的環境中。因此，本研究匯總模擬出不同環境來對粘接性能進行測試，測試時間設置為100 d，測試環境設置情況如表2所示［15］。

2.2" "粘接性能測試指標

2.2.1" "粘接剪切強度

采用拉伸實驗機對從4種環境取出的試件進行軸向拉伸實驗，測量粘接剪切強度［16］。

根據軸向拉伸實驗測得的數據，按照下述公式計算粘接剪切強度，即

[P=EfAd?dx]" " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：[P]代表粘貼界面上的平均剪切強度；[Ef]代表碳纖維片的彈性模量；[A]代表碳纖維片厚度；[?]代表平均應變；[x]代表微段的距離［17］。

2.2.2" "剝離強度

采用剝離強度實驗機進行剝離強度實驗，操作是使試樣沿著膠接線產生剝離，由此測量出氧化石墨烯/環氧樹脂膠粘劑的剝離強度［18］。

根據實驗過程中測得的數據，按照下述公式計算剝離強度，即

[ψ=EM]" " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式中：[ψ]代表剝離強度；[E]代表剝離力；[M]代表試樣粘接面積。

2.2.3" "粘接強度

通過拉拔試驗來測試氧化石墨烯/環氧樹脂膠粘劑的粘接強度［19］。

將拉拔試驗儀的錠子與被測試件上粘接面連接到一起，然后通過施加拉拔力來測試碳纖維在混凝土試件上的附著力，最后按照下述公式計算出粘接強度［20］。

[G=ZM]" " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

式中：[G]代表粘接強度；[Z]代表拉拔力；[M]代表粘接面積。

3" "結果與討論

4個測試環境下測得的3個粘接性能指標如圖2所示。

由圖2可知，隨著測試時間的不斷進行，由于受到了環境的侵蝕，3個粘接性能的測試指標均呈現下降的趨勢。其中，剝離強度下降的最快，其次是粘接強度，最后是平均剪切強度。

在平均剪切強度中，工況2環境下平均剪切強度下降的最快、最多，說明經過水浸泡，水分子進入了氧化石墨烯/環氧樹脂膠粘劑與混凝土試件之間的膠層當中，破壞了比表面積，從而使得相容性降低，與混凝土結構的的結合更為薄弱，其次是工況4，然后是工況3，最后是工況1。

剝離強度與粘接強度一樣，其由低到高排序依次是工況3、工況2、工況4、工況1，說明高溫環境對氧化石墨烯/環氧樹脂膠粘劑的粘接性能影響最大。這是因為高溫會使得膠粘劑中分子的穩定性下降，膠粘劑在一定程度上分解，最終導致粘接性下降。

4" "結語

混凝土結構在長期使用下，難以避免的會出現各種形態和尺寸的裂縫，降低了結構的穩定性和安全性。因此，一旦出現裂縫就需要及時進行加固補強。本研究針對加固補強所使用到的膠粘劑進行研究，因為膠粘劑的使用直接關系到加固補強的效果。研究制備了一種氧化石墨烯/環氧樹脂膠粘劑并與碳纖維材料一起制成了試驗用試件。通過對試件進行粘接性能測試以及3個指標的對比，證明了氧化石墨烯/環氧樹脂膠粘劑的可用性。

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