增韧剂对预应力碳纤维板材锚固用结构胶性能的影响

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。

3 结论

a）增韧剂种类及用量对锚固用结构胶的压缩强度与压缩模量的影响是一致的，但是下降幅度有所不同。

b）增韧剂种类及用量对锚固用结构胶的拉伸-剪切强度的影响不同，其中增韧剂1、3在用量为10%时，出现了峰值。

c）增韧剂结构不同，增韧机理不同，对压缩强度、压缩模量、拉伸-剪切等性能的作用不同，需综合考虑各参数，确定增韧剂的使用方案。