芳纶纤维加固混凝土结构专用粘浸树脂的研究

王 帅，赵文涛，刘 丽

(1. 辽宁省建设科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110005；2. 辽宁建科特种建筑技术工程有限公司，辽宁 沈阳 110005)

粘贴纤维复合材料加固混凝土构件是目前最为常用的建筑结构加固与修复的方法之一，已经纳入到2012年实施的《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》GB 50728—2011[1]中，其中研究和使用最多的纤维材料是碳纤维制品(CFRP)。碳纤维布的高拉伸强度、高弹性模量使其能长期承受静荷载，但是，在动荷载加固领域以及一些对电磁波辐射有严格限制的特殊工程，如高速公路和高速铁路的桥梁、隧道，人防和地铁等地下工程，军事工程等[2-3]。芳纶纤维复合材料(AFRP)则显示出了其性能优势，韧性远高于CFRP，特别是承受疲劳荷载和冲击荷载性能，因而它的应用数量与规模也在大幅提升[4-6]。

本文从浸渍树脂和纤维增强复合材料(FRP)的拉伸性能角度，通过的实验数据对比，探讨浸渍树脂对不同种类FRP的影响因素。并对规范GB 50728—2011相关内容进行深入的理解和讨论。

1 材料与方法

1.1 试验材料

浸渍树脂： 试验用三种浸渍树脂，树脂Ⅰ为市售，国外某品牌；树脂Ⅱ为JGN-C，辽宁省建设科学研究院产品；树脂Ⅲ为JGN-JC-ZR，为实验室特殊用途而自制。

芳纶纤维单向布：原丝由日本帝人公司制造，国内某企业编织生产；

碳纤维布单向布：原丝由日本东邦公司制造，国内某企业编织生产。

1.2 试验设备

电子万能试验机，RGE-2，深圳瑞格尔公司；纤维拉直器，自制；恒温箱；电子天平等。

1.3 试样制备

1.3.1 胶体试样制备

将浸渍树脂各组分按相应比例搅拌混合均匀，注入标准《树脂浇铸体性能试验方法》GB/T 2567—2008规定的模具中成型，并于23±2 ℃、50±5%RH条件下养护7 d后脱模测试。

1.3.2 纤维复合材试样制备

(1)试样准备。由于纤维布在织造的过程中存在张力分布不均匀、纱线分布不均匀、织物结构不均匀等特征，而布身部位(织物幅宽方向居中部位)织物的结构、纱线张力分布、排列密度等较均匀。因此，在取样时一方面要保证抽取样品的随机性，同时又要避免纤维布本身的不均匀造成的数据失真，因而尽量在织布中部取样，避开纤维布的瑕疵点。

(2)浸胶制片。在混合均匀的浸渍树脂上放置纤维布，用滚筒轻轻滚压纤维布，让浸渍树脂从纤维底面充分渗透到上表面，滚压时顺着纤维排列方向以保持纤维顺直，不伤纤维；均匀刮涂面层树脂，使用拉直器在把浸透树脂的纤维布拉直，覆盖上透明离型片，赶出气泡和多余的树脂，均匀施压并释出拉直应力，在23±2 ℃、50±5%RH条件下养护7 d。

(3)剪裁制件。选择均匀完好无气泡纤维片以每5束纤维为一组裁出230 mm长板条，检查试样边缘两测纤维束丝是否完整，检查纤维复合材表面气泡情况，将合格的试样贴上标签、编号。安装铝制增强片，完全固化后进行测试。

1.4 试验方法

按照GB 50728—2011中规定的标准方法进行在电子万能试验机(配有相应数据采集系统)进行拉伸试验，加载时保持试验机的加载轴应与试样的几何中心一致。

2 结果与分析

2.1 不同浸渍树脂的胶体拉伸性能

GB 50728—2011对于复合材料用浸渍树脂已经明确做出强制性规定(见规范条文4.2.2和表4.2.2-2)，我们仅以胶体拉伸性能的抗拉强度、弹性模量、断裂伸长率三项试验结果进行比较，如表1所示。

表1 三种粘浸树脂胶体拉伸性能的试验结果

其中的树脂Ⅰ和树脂Ⅱ为定型产品，已在实际工程中大量应用，树脂Ⅲ为具有特殊功能的产品，非常规应用品种。从表1中可以树脂Ⅰ和树脂Ⅱ的胶体性能均高于规范A级胶的指标要求，由于树脂Ⅲ中含有一定比例的粉体材料影响到了其拉伸强度，因此只能达到规范B级胶指标要求。胶体拉伸强度由高到低的顺序依次为树脂Ⅰ>树脂Ⅱ>树脂Ⅲ，而三种树脂的断裂伸长率依次为树脂Ⅲ>树脂Ⅱ>树脂Ⅰ。胶体拉伸呈弹-塑性变化，应力—应变曲线并非线性变化，没有明显的屈服点，甚至没有初始直线段，胶体拉伸弹性模量的变化规律性不强，因此只能作为参考。

2.2 不同树脂的CFRP和AFRP性能

碳纤维和芳纶纤维都是高强纤维，但是性能差异很大，其原丝主要技术性能如表2所示。由表2看出芳纶纤维的强度和模量低于建筑结构加固常用的12K碳纤维，延伸率远高于碳纤维(纤维原丝技术性能由厂家产品说明书获得)，因此芳纶纤维的韧性更好。

表2 原丝主要技术性能

纤维的差异化要求必须用相应的浸润树脂配套，否则无法最大程度地充分发挥出纤维的特性。芳纶纤维的延伸率高于碳纤维约50%，达到了2.2%，就要求与芳纶纤维配套的粘浸树脂断裂延伸率亦应大于2.2%(等变形原则)，这样才能保证芳纶纤维复合材在承受拉伸荷载时基体树脂不先于纤维破坏，树脂的韧性将影响到复合材料的韧性。此外，树脂/纤维的粘结界面的可靠性同样十分重要，浸渍树脂与CFRP和AFRP拉伸试验结果如表3和表4所示。

表3 浸渍树脂与CFRP的拉伸试验结果

表4 浸渍树脂与AFRP拉伸试验结果

碳纤维的原丝断裂伸长率为1.6%，三种粘浸树脂的延伸率都高于1.6%，另外碳纤维属无机纤维，与环氧树脂的粘接性非常好，只要充分浸润纤维束，它们的复合材料性能就能得到充分发挥。如表3所示，三种CFRP的断裂延伸率达到或接近1.5%，符合规范要求，拉伸强度差异应该是在合理范围内。其中粘浸树脂Ⅰ触变性较强影响到了其对碳纤维丝束的浸润性，其胶体拉伸强度虽然最高，但碳纤维复合材拉伸强度反而低一些。

AFRP与CFRP的拉伸性能不同，三种树脂的AFRP的拉伸性能实验数据出现规律性变化，其表现为：AFRP拉伸性能随粘浸树脂的胶体延伸率提高而增长；AFRP的断裂伸长率均低于相应树脂的胶体延伸率。

其中，树脂Ⅲ虽然拉伸强度只有达到规范B级胶的水平，但是由于其胶体延伸率高于芳纶纤维丝的断裂伸长率，复合材拉伸性能中性最好，唯有它的芳纶纤维复合材拉伸强度平均值满足规范要求。浸渍树脂Ⅰ和Ⅱ虽然胶体性能好(A级)，可以保证碳纤维在相应的碳纤维复合材中充分发挥作用，却没有在相应的AFRP中取得合格成绩。此外，在试验中发现树脂Ⅰ触变性好但浸润性差，其AFRP试样受拉时局部纤维丝束因应力分布不均匀致使试样提早破坏，宏观表现为断裂面上有游离丝束，因此试验结果与鉴定指标要求相差很大。这些现象印证了基体树脂与纤维等变形原则的必要性。

另一方面，由于粘浸树脂的弹-塑性，与纤维的弹性变化不能很好的协调、树脂/芳纶纤维表面粘接较差等因素，使得粘浸树脂过早从纤维表面剥离，虽然粘浸树脂的胶体拉伸断裂伸长率大于纤维的断裂伸长率，但是复合材的断裂伸长率却没有达到指标要求。与碳纤维不同，芳纶纤维虽具有较高的断裂延伸率(≥2.2%)，但是其庞大苯环的位阻作用，使得分子主链上的酰胺基团很难充分与浸渍树脂的活性基团发生反应，纤维表面呈现较大的化学惰性，浸润性很差，两相的界面粘结不理想，容易影响复合材综合性能的发挥。不同浸渍树脂包含能与酰胺基团反应的活性基团不同，活性基团越少，润湿效果越差，纤维与树脂的粘结性能越低。因此，与各类纤维适配的浸润树脂的安全性鉴定标准差异化至关重要，且与芳纶纤维的适配性检验不可或缺。

由于国内建筑结构加固工程中芳纶纤维的应用量较少，实际“使用时间较短，所积累的经验不多”，因此GB 50728—2011只对芳纶纤维及其复合材制定了安全性鉴定标准，而没有专门制定用于芳纶纤维的粘浸树脂(粘合剂)的安全性鉴定标准。规范中笼统规定“粘贴纤维复合材料用结构胶基本性能鉴定要求”(规范中的表4.2.2-2)，其中的胶体拉伸性能指标显然并不适合于芳纶纤维复合材,伸长率只要求≥1.5%，远低于AFRP断裂伸长率(≥2.2%)。参阅GB 50728—2011第8章可见，在工程结构加固用纤维复合材料拉伸性能中，碳纤维的断裂伸长率最低，在1.3 %～1.6%之间；芳纶纤维最高，在2.2%～3.0%之间，因此规范对粘贴纤维复合材用结构胶的鉴定要求完全适合维。

3 结 论

(1)芳纶纤维与碳纤维相比在断裂伸长率上有较大优势，断裂伸长率取决于材料本身分子链的柔性，是材料韧性、耐冲击性的表征参数。因此与之配套使用的粘合剂应当按照等变形原则确定。

(2)GB 50728—2011规定的粘贴纤维复合材用结构胶的基本性能鉴定指标不能满足芳纶纤维复合材的材性要求，应当在试验验证的基础上适时修正。