加固钢板梁用的改性环氧树脂胶粘剂性能研究

2023-10-20杜祝遥

粘接 2023年10期

陈蓉,杜祝遥

(陕西国防工业职业技术学院,陕西西安 710300)

桥梁受设计和使用年限的影响,会出现明显的损伤,给大家的出行带来了极大的安全隐患。对桥梁进行有效加固是当前研究的热点。部分学者也进行了很多研究,如研究了FBG自感知预应力碳纤维板在桥梁加固中的应用[1]。制备了一种用于桥梁加固的抗扰动超高性能混凝土,并对其加固效果进行了研究[2]。制备了一种新型用于桥梁加固的改性环氧树脂材料,并对其性能进行研究,结果表明:该材料基本性能满足桥梁加固要求,可以在桥梁加固工程中发挥作用[3]。针对环氧树脂胶粘剂性能,选出合适的环氧树脂胶粘剂填料,以保证桥梁结构的稳定性、可靠性和安全性,结果表明:桥梁加固用环氧树脂胶粘剂具有良好的性能,可以为保证桥梁结构的坚固性和稳定性提供有力的保障[4]。基于此,本试验以文献[5]为参考,制备了一种用于桥梁加固的改性环氧树脂胶粘剂,并研究了其对桥梁钢板的加固作用。

1 试验材料与方法

1.1 材料与设备

主要材料:环氧树脂E51(AR),晴天化工科技;偶联剂KH-560(AR),臻铭化工;触变剂HB-139(AR),砼岩智能科技;固化剂(AR),宙合化工;促进剂DMP-30(AR),尤恩化工;消泡剂D240(AR),华晨新材料。

主要设备:JY92-IIN型超声细胞粉碎机,继谱电子;DZF型真空烘箱,靳澜仪器;EM-30AX型扫描电镜,翔研仪器;WDW型电子万能试验机,文腾仪器;DMA242E型动态热机械分析仪,泰立仪器。

1.2 试验方法

1.2.1环氧树脂胶粘剂的制备

(1)在真空烘箱的作用下去除纳米材料的水分,干燥时间约10 h。按比例将干燥后纳米材料与60 g环氧树脂混合并充分搅拌,搅拌时间为5 min;

(2)在JY92-IIN型超声波细胞粉碎机的作用下进行超声分散,超声功率和时间分别为300 W和2 h,得到纳米材料预分散液;

(3)将60 g环氧树脂加热至60 ℃后,倒入纳米材料预分散液,继续加热并充分搅拌,搅拌温度和时间分别为80 ℃和30 min;

(4)将温度冷却至50 ℃后加入偶联剂并进行机械搅拌,搅拌时间约为15 min。搅拌完成后,保持该温度加入触变剂,继续机械搅拌15 min后冷却至室温,得到A组分;

(5)按比例将促进剂、固化剂和消泡剂混合并进行机械搅拌,搅拌温度和时间分别为40 ℃和15 min,得到B组分;

(6)混合A、B组分,室温条件下进行机械搅拌,搅拌时间为10 min,得到环氧树脂胶粘剂。胶粘剂配比结果如表1所示。固化剂和纳米材料种类和掺量设计分别如表2、表3所示。

表1 胶粘剂配比

表2 固化剂配比

表3 纳米材料优化

1.2.2钢板加固试件的制备

按照设计方式对厚度为8 mm的Q235钢板进行粘接,具体粘接方式如图1所示[6-7]。

(a)“-”字形

1.3 性能测试

(1)力学性能测试:在电子万能试验机的作用下测试材料力学性能。

(2)微观形貌:扫描电镜可以观察材料内部结构的变化,进而表征材料强度变化原理。

(3)热力学试验:通过动态热机械分析仪进行热力学分析。

2 结果与讨论

2.1 胶粘剂配比优化

2.1.1固化剂优化

图2为固化剂种类对材料力学性能的影响。

(a)拉伸强度与弹性模量

由图2可知,以1∶2比例复配缩胺105与聚醚胺固化剂制备的环氧树脂胶粘剂拉伸强度和应变能最高,分别为52.9 MPa和0.073 N·mm,表明以1∶2比例复配缩胺105与聚醚胺固化剂制备的环氧树脂胶粘剂表现出良好的强度与韧性。因此选择适合的固化剂为1∶2复配缩胺105与聚醚胺固化剂。

2.1.2纳米材料用量优化

图3为功能性纳米SiO2掺量的影响。

图3 纳米SiO2的影响

由图3可知,随纳米SiO2掺量的增加,环氧树脂胶粘剂拉伸强度和应变能先增加后下降,弹性模量慢慢下降,断裂伸长率慢慢增加[8]。当纳米SiO2掺量为1.0%时,环氧树脂胶粘剂综合力学性能最佳,此时环氧树脂拉伸强度约为45.2 MPa,应变能约0.117 N·mm。

当纳米SiO2掺量为0.75%～1.0%时,应力应变曲线为非线性变化,证明在该掺量条件下,制备的环氧树脂胶粘剂具有较好的延性[9]。结合拉伸强度试验结果,在纳米SiO2掺量为1.0%时,环氧树脂胶粘剂在保持较高拉伸强度的同时,具备较好的延性,也就是说,该胶粘剂具备较强的韧性。继续增加纳米SiO2掺量至1.5%时,拉伸强度、弹性模量和应变能均下降至最低值,断裂伸长率提升至5%,应变几乎不随应力的变化,这是因为1.5%纳米SiO2胶粘剂难以固化,导致弹性较大;但是强度不足[10]。因此,适宜的纳米SiO2掺量为1.0%。

2.2 拉伸断面微观形貌

通过对拉伸断面微观形貌进行表征,确定纳米SiO2的作用机理,结果如图4所示。

(a)0%纳米SiO2胶体拉伸试件断面

由图4可知,未掺入纳米SiO2的胶粘剂固化材料拉伸断面光滑,裂纹为单一走向,其断面破坏方式为脆性破坏。随体系内纳米SiO2的增加,在拉伸断裂的过程中,有更多纳米SiO2剥离拔出,断面存在较多较密集的小孔洞,粗糙程度明显增加,塑性变形明显。从图4还可观察到,纳米SiO2在胶粘剂中均匀分散,并未出现相互团聚的现象,这说明纳米SiO2与树脂基体相容性良好。胶粘剂受到外力作用时,纳米SiO2出现应力集中的情况,包裹在纳米SiO2周围的胶粘剂出现屈服形变,进而导致局部塑性剪切带,大量的能量被吸收,增韧效果明显。再加上胶粘剂内部的纳米SiO2会对裂纹的扩散产生一定的阻碍作用,因此要产生新的裂纹就需要吸收更多的能量,增加荷载才能使得裂纹贯通[11]。同时,纳米SiO2可在裂纹尖端前方脱粘,在环氧树脂胶粘剂内部形成密集塑性空穴,有效提升了环氧树脂胶粘剂的韧性[12]。

2.3 动态热力学性能

由于本试验制备的胶粘剂主要用于桥梁钢板的加固,因此需要对胶粘剂的耐温性能进行研究。表4为动态热力学试验结果。

表4 玻璃转化温度

由表4可知,玻璃转化温度随胶粘剂体系内纳米SiO2掺量的增加而有一定增加,当纳米SiO2掺量为1.0%时,切线法、损耗模量法和损耗因子法对应的玻璃转化温度分别为66.1、68.9和80.1 ℃,明显高于市售商品胶粘剂玻璃转化温度,满足胶粘剂用于桥梁钢板时的耐温要求[13-14]。

2.4 与常用胶粘剂比较

通过CFRP/钢界面粘结-滑移本构模型及参数的比较对本试验制备的胶粘剂以市售商品胶粘剂整体性能进行比较,结果如图5所示;本构模型参数如表5所示。

图5 本构模型

表5 本构模型参数

由图5可知,市售胶粘剂本构模型为双线性三角形,而本试验制备的胶粘剂本构模型为三线性梯形,这说明市售胶粘剂需要低温存放,在施工的过程中需要在高温环境下,且往垂直被粘面施加压力,才能进行有效的粘接,这明显提升了施工难度,影响了粘接效果[15-16]。而本试验制备的二氧化硅环氧树脂胶粘剂在室温条件下就可以完全固化,且具备较好的界面韧性,这简化了在桥梁加固过程中的施工难度,可以在桥梁加固工程中进行广泛应用。

由表5可知,本试验制备的环氧树脂胶粘剂搭接试件的本构参数均高于市售胶粘剂搭接试件,这说明在几何参数和力学参数等外界条件均相同的情况下,本试验制备的环氧树脂CFRP/钢界面极限承载力、界面滑移刚度及断裂能均明显高于市售胶粘剂,也就是说,本试验制备的二氧化硅环氧树脂胶粘剂整体性能更优,更适合用于桥梁加固工程。

2.5 实际应用效果

以环氧树脂胶粘剂为粘结剂,以多种粘接方式进行钢板梁结构的粘接,进一步表征环氧树脂胶粘剂的实际应用效果。

2.5.1对剪切强度的影响

表6为钢板间粘接抗剪强度测试的结果。

表6 抗剪强度测试结果

2.5.2对钢板间扭矩的影响

粘接类型对钢板间扭矩的影响如表7所示。

表7 粘接类型的影响

由表7可知,从扭矩的角度出发,“口”字形粘接方式的粘接效果比“一”字形粘接方式要强一些。经过分析后,综合钢板抗剪强度、钢板间长度方向抗剪强度、钢板间宽度方向抗剪强度以及扭矩的结果,“口”字形在长度、宽度方向抗剪强度较好。所以,从粘接效果的角度出发,提出的4种粘接方式,选择最优的“口”字形粘接方式进行钢板粘接从而达到钢板梁加固的效果。

2.5.3温度的影响

图6为温度对钢板间粘接的影响。

由图6可知,在低温条件下,钢板长度方向和宽度方向上抗剪强度存在一定降低;但从降低幅度看,几乎可以忽略不计。因此,可认定温度不影响粘接效果,稳定性良好。在自然环境中经常能遇到低温5 ℃的情况,这从另一个方面证明了使用本试验制备的环氧树脂胶进行钢板粘接是满足要求的。