增韧剂对预应力碳纤维板材锚固用结构胶性能的影响

2020-07-08邢婷婷

山西交通科技 2020年2期

邢婷婷

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

桥梁是跨越山沟、贯通江河的咽喉要道，也是城市发展，城际交流的重要枢纽。交通运输部的统计资料表明，截至2018年底，我国公路桥梁85.15万座、5 568.59万m，比上年增加1.90万座、342.97万m，其中特大桥梁5 053座、902.69万m，大桥98 869座、2 637.04万m。随着新建桥梁的增加，进入服役期，需要维修保养的桥梁数量也在逐渐增多。桥梁在服役期间受到氯离子、碳化、碱集料、冻融、盐冻等因素的侵蚀作用，以及设计不足、施工差错、不可预料的撞击、火灾、地震等因素的影响，性能逐渐劣化，造成一定的经济损失与生命财产损失[1]。对桥梁现状进行检测、评定，适时对桥梁结构进行加固维护，可以有效提高其承载能力，恢复其使用功能，从而延长其服役寿命[2]。

桥梁加固方法众多，粘贴纤维复合材料法因纤维复合材料抗拉强度高、比密度低、耐腐蚀、加固厚度小等优势，被广泛应用（示意图见图1）。现有的用于桥梁加固的纤维复合材料主要为碳纤维复合材料板材（以下简称：碳板），其施工工艺流程主要为：植筋并安装锚具、张拉机具，分级加载碳纤维板，然后固定张拉端，张拉完再进行一个碳纤维板材保护层的施工操作，锚具螺栓的螺帽上要涂抹黏合剂，对金属件进行一个防锈处理后，再安上张拉端与固定端锚具盖帽。在预应力碳纤维板加固技术中，锚具的可靠性是该技术性能优劣或成败的关键。锚具的种类众多，其中锚头端安装常采用的是平板楔式锚具，由上下两个楔式钢板将碳板夹在中间，钢板与碳板接触部位用锚固胶进行黏接[3]。在平板楔式锚具中，结构胶体系承担着与钢板的剪切、挤压等作用。基于此，本文将研究增韧剂种类、用量对预应力碳纤维板锚固系统中结构胶性能的影响。目前针对环氧树脂的增韧改性措施主要有橡胶类弹性体增韧[4-5]、热塑性树脂增韧[6]、纳米材料增韧[7]、聚氨酯增韧[8]等，文中选择其中3种不同结构形式的增韧剂进行研究。

图1 粘贴纤维复合材料加固法示意图

1 试验准备

1.1 原材料

环氧树脂E-51：济南七彩化工有限公司产，环氧值 0.48～0.51；固化剂：CP-970，大连凯华新技术工程有限公司产；增韧剂1：KH系列（遥爪型分子结构），大连凯华新技术工程有限公司产；增韧剂2：P系列（聚氨酯改性环氧树脂），北京金岛奇士材料科技有限公司产；增韧剂3：N系列（通用小分子型），北京金岛奇士材料科技有限公司产；促进剂：DMP-30，常州山峰化工有限公司产；硅微粉：400目，产于连云港浩森矿产品有限公司。

1.2 试验仪器

力学性能测试仪器采用电子万能试验机，型号CMT4304，深圳新三思材料检测有限公司生产。

1.3 样品的制备和测试

样品制备：按表1所述将环氧树脂、增韧剂与填料预先混合均匀，制备A组分。B组分为固化剂CP-970。制备压缩与剪切试件前将上述A、B组分混合均匀，并于真空干燥环境下排气。测试试件按照《树脂浇铸体性能试验方法》（GB/T 2567—2008）的要求进行制备。

表1 原材料种类及用量

将制备好的测试试件于室温下（20℃～23℃）养护7 d，然后根据规范《树脂浇铸体性能试验方法》（GB/T 2567—2008）对锚固用结构胶的压缩性能与拉伸剪切性能进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 增韧剂的种类与用量对锚固用结构胶压缩性能的影响

文中测试了3种增韧剂在5%、10%、15%三种用量下，增韧剂对锚固用结构胶压缩强度与压缩模量和拉伸剪切的影响。压缩强度与压缩模量的试验结果见图2～图4。

图2 增韧剂种类及用量对锚固用结构胶压缩强度的影响

图3 增韧剂种类及用量对锚固用结构胶压缩强度损失率的影响

图4 增韧剂种类及用量对锚固用结构胶压缩模量的影响

强度是指某种材料抵抗破坏的能力，如抗拉、抗压强度等。压缩强度是指材料在单轴压缩条件抵抗破坏的能力。变形模量是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。应力-应变曲线为直线型，这时的变形模量又称为弹性模量。

由图2、图3可以看出，3种不同增韧剂作用下，锚固用结构胶的压缩强度均随着增韧剂用量的增加逐渐降低，但是下降幅度差别较大，其中，增韧剂1、3压缩强度随增韧剂用量的变化加大，增韧剂用量由5%增加到10%时，压缩强度分别下降了13.6%、18.6%；增韧剂用量由10%增加到15%时，压缩强度分别下降了8.3%、5.5%，下降趋势减缓。增韧剂2体系中，增韧剂用量由5%、10%、15%变化时，压缩强度下降率为4.4%、3.1%，相较于增韧剂1、3体系，增韧剂2体系受用量影响的幅度较小。由图4可以看出，增韧剂的种类与用量变化对锚固用结构胶压缩性能的影响是一致的，且这种一致性与增韧剂的分子结构无关。这种一致性在文献[9]中也有体现。

2.2 增韧剂的种类与用量对锚固用结构胶拉伸-剪切性能的影响

材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不在一条直线上的两个外力作用，称为剪切作用。剪切强度即为试样在剪切力作用下破坏时单位面积上能承受的负荷。本文选择了3种不同结构增韧剂及3种不同用量，研究其对结构胶剪切性能的影响，试验结果见图5。

图5 增韧剂种类及用量对锚固用结构胶拉伸-剪切性能的影响

环氧树脂是应用领域很广的高性能热固性树脂，具有高强度、高硬度、质地脆等特点，需要引入刚性粒子、橡胶类弹性体、互穿网络聚合物和工程热塑性树脂等材料进行增韧。常采用拉伸-剪切强度作为韧性改善的评价指标。由图5可以看出，增韧剂结构不同，对结构胶拉伸-剪切性能的影响不同，其中增韧剂体系1、3在增韧剂用量为10%时，出现了剪切强度的峰值，而增韧剂体系2剪切强度随着增韧剂用量的增加逐渐增大，增加幅度减缓。由此可说明，增韧剂在改善环氧树脂韧性时，与环氧树脂及固化剂等有适应性及最高用量的限制。