芳綸纖維加固混凝土結構專用粘浸樹脂的研究

王 帥，趙文濤，劉 麗

(1. 遼寧省建設科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110005；2. 遼寧建科特種建筑技術工程有限公司，遼寧 沈陽 110005)

粘貼纖維復合材料加固混凝土構件是目前最為常用的建筑結構加固與修復的方法之一，已經納入到2012年實施的《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》GB 50728—2011[1]中，其中研究和使用最多的纖維材料是碳纖維制品(CFRP)。碳纖維布的高拉伸強度、高彈性模量使其能長期承受靜荷載，但是，在動荷載加固領域以及一些對電磁波輻射有嚴格限制的特殊工程，如高速公路和高速鐵路的橋梁、隧道，人防和地鐵等地下工程，軍事工程等[2-3]。芳綸纖維復合材料(AFRP)則顯示出了其性能優勢，韌性遠高于CFRP，特別是承受疲勞荷載和沖擊荷載性能，因而它的應用數量與規模也在大幅提升[4-6]。

本文從浸漬樹脂和纖維增強復合材料(FRP)的拉伸性能角度，通過的實驗數據對比，探討浸漬樹脂對不同種類FRP的影響因素。并對規范GB 50728—2011相關內容進行深入的理解和討論。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

浸漬樹脂： 試驗用三種浸漬樹脂，樹脂Ⅰ為市售，國外某品牌；樹脂Ⅱ為JGN-C，遼寧省建設科學研究院產品；樹脂Ⅲ為JGN-JC-ZR，為實驗室特殊用途而自制。

芳綸纖維單向布：原絲由日本帝人公司制造，國內某企業編織生產；

碳纖維布單向布：原絲由日本東邦公司制造，國內某企業編織生產。

1.2 試驗設備

電子萬能試驗機，RGE-2，深圳瑞格爾公司；纖維拉直器，自制；恒溫箱；電子天平等。

1.3 試樣制備

1.3.1 膠體試樣制備

將浸漬樹脂各組分按相應比例攪拌混合均勻，注入標準《樹脂澆鑄體性能試驗方法》GB/T 2567—2008規定的模具中成型，并于23±2 ℃、50±5%RH條件下養護7 d后脫模測試。

1.3.2 纖維復合材試樣制備

(1)試樣準備。由于纖維布在織造的過程中存在張力分布不均勻、紗線分布不均勻、織物結構不均勻等特征，而布身部位(織物幅寬方向居中部位)織物的結構、紗線張力分布、排列密度等較均勻。因此，在取樣時一方面要保證抽取樣品的隨機性，同時又要避免纖維布本身的不均勻造成的數據失真，因而盡量在織布中部取樣，避開纖維布的瑕疵點。

(2)浸膠制片。在混合均勻的浸漬樹脂上放置纖維布，用滾筒輕輕滾壓纖維布，讓浸漬樹脂從纖維底面充分滲透到上表面，滾壓時順著纖維排列方向以保持纖維順直，不傷纖維；均勻刮涂面層樹脂，使用拉直器在把浸透樹脂的纖維布拉直，覆蓋上透明離型片，趕出氣泡和多余的樹脂，均勻施壓并釋出拉直應力，在23±2 ℃、50±5%RH條件下養護7 d。

(3)剪裁制件。選擇均勻完好無氣泡纖維片以每5束纖維為一組裁出230 mm長板條，檢查試樣邊緣兩測纖維束絲是否完整，檢查纖維復合材表面氣泡情況，將合格的試樣貼上標簽、編號。安裝鋁制增強片，完全固化后進行測試。

1.4 試驗方法

按照GB 50728—2011中規定的標準方法進行在電子萬能試驗機(配有相應數據采集系統)進行拉伸試驗，加載時保持試驗機的加載軸應與試樣的幾何中心一致。

2 結果與分析

2.1 不同浸漬樹脂的膠體拉伸性能

GB 50728—2011對于復合材料用浸漬樹脂已經明確做出強制性規定(見規范條文4.2.2和表4.2.2-2)，我們僅以膠體拉伸性能的抗拉強度、彈性模量、斷裂伸長率三項試驗結果進行比較，如表1所示。

表1 三種粘浸樹脂膠體拉伸性能的試驗結果

其中的樹脂Ⅰ和樹脂Ⅱ為定型產品，已在實際工程中大量應用，樹脂Ⅲ為具有特殊功能的產品，非常規應用品種。從表1中可以樹脂Ⅰ和樹脂Ⅱ的膠體性能均高于規范A級膠的指標要求，由于樹脂Ⅲ中含有一定比例的粉體材料影響到了其拉伸強度，因此只能達到規范B級膠指標要求。膠體拉伸強度由高到低的順序依次為樹脂Ⅰ>樹脂Ⅱ>樹脂Ⅲ，而三種樹脂的斷裂伸長率依次為樹脂Ⅲ>樹脂Ⅱ>樹脂Ⅰ。膠體拉伸呈彈-塑性變化，應力—應變曲線并非線性變化，沒有明顯的屈服點，甚至沒有初始直線段，膠體拉伸彈性模量的變化規律性不強，因此只能作為參考。

2.2 不同樹脂的CFRP和AFRP性能

碳纖維和芳綸纖維都是高強纖維，但是性能差異很大，其原絲主要技術性能如表2所示。由表2看出芳綸纖維的強度和模量低于建筑結構加固常用的12K碳纖維，延伸率遠高于碳纖維(纖維原絲技術性能由廠家產品說明書獲得)，因此芳綸纖維的韌性更好。

表2 原絲主要技術性能

纖維的差異化要求必須用相應的浸潤樹脂配套，否則無法最大程度地充分發揮出纖維的特性。芳綸纖維的延伸率高于碳纖維約50%，達到了2.2%，就要求與芳綸纖維配套的粘浸樹脂斷裂延伸率亦應大于2.2%(等變形原則)，這樣才能保證芳綸纖維復合材在承受拉伸荷載時基體樹脂不先于纖維破壞，樹脂的韌性將影響到復合材料的韌性。此外，樹脂/纖維的粘結界面的可靠性同樣十分重要，浸漬樹脂與CFRP和AFRP拉伸試驗結果如表3和表4所示。

表3 浸漬樹脂與CFRP的拉伸試驗結果

表4 浸漬樹脂與AFRP拉伸試驗結果

碳纖維的原絲斷裂伸長率為1.6%，三種粘浸樹脂的延伸率都高于1.6%，另外碳纖維屬無機纖維，與環氧樹脂的粘接性非常好，只要充分浸潤纖維束，它們的復合材料性能就能得到充分發揮。如表3所示，三種CFRP的斷裂延伸率達到或接近1.5%，符合規范要求，拉伸強度差異應該是在合理范圍內。其中粘浸樹脂Ⅰ觸變性較強影響到了其對碳纖維絲束的浸潤性，其膠體拉伸強度雖然最高，但碳纖維復合材拉伸強度反而低一些。

AFRP與CFRP的拉伸性能不同，三種樹脂的AFRP的拉伸性能實驗數據出現規律性變化，其表現為：AFRP拉伸性能隨粘浸樹脂的膠體延伸率提高而增長；AFRP的斷裂伸長率均低于相應樹脂的膠體延伸率。

其中，樹脂Ⅲ雖然拉伸強度只有達到規范B級膠的水平，但是由于其膠體延伸率高于芳綸纖維絲的斷裂伸長率，復合材拉伸性能中性最好，唯有它的芳綸纖維復合材拉伸強度平均值滿足規范要求。浸漬樹脂Ⅰ和Ⅱ雖然膠體性能好(A級)，可以保證碳纖維在相應的碳纖維復合材中充分發揮作用，卻沒有在相應的AFRP中取得合格成績。此外，在試驗中發現樹脂Ⅰ觸變性好但浸潤性差，其AFRP試樣受拉時局部纖維絲束因應力分布不均勻致使試樣提早破壞，宏觀表現為斷裂面上有游離絲束，因此試驗結果與鑒定指標要求相差很大。這些現象印證了基體樹脂與纖維等變形原則的必要性。

另一方面，由于粘浸樹脂的彈-塑性，與纖維的彈性變化不能很好的協調、樹脂/芳綸纖維表面粘接較差等因素，使得粘浸樹脂過早從纖維表面剝離，雖然粘浸樹脂的膠體拉伸斷裂伸長率大于纖維的斷裂伸長率，但是復合材的斷裂伸長率卻沒有達到指標要求。與碳纖維不同，芳綸纖維雖具有較高的斷裂延伸率(≥2.2%)，但是其龐大苯環的位阻作用，使得分子主鏈上的酰胺基團很難充分與浸漬樹脂的活性基團發生反應，纖維表面呈現較大的化學惰性，浸潤性很差，兩相的界面粘結不理想，容易影響復合材綜合性能的發揮。不同浸漬樹脂包含能與酰胺基團反應的活性基團不同，活性基團越少，潤濕效果越差，纖維與樹脂的粘結性能越低。因此，與各類纖維適配的浸潤樹脂的安全性鑒定標準差異化至關重要，且與芳綸纖維的適配性檢驗不可或缺。

由于國內建筑結構加固工程中芳綸纖維的應用量較少，實際“使用時間較短，所積累的經驗不多”，因此GB 50728—2011只對芳綸纖維及其復合材制定了安全性鑒定標準，而沒有專門制定用于芳綸纖維的粘浸樹脂(粘合劑)的安全性鑒定標準。規范中籠統規定“粘貼纖維復合材料用結構膠基本性能鑒定要求”(規范中的表4.2.2-2)，其中的膠體拉伸性能指標顯然并不適合于芳綸纖維復合材,伸長率只要求≥1.5%，遠低于AFRP斷裂伸長率(≥2.2%)。參閱GB 50728—2011第8章可見，在工程結構加固用纖維復合材料拉伸性能中，碳纖維的斷裂伸長率最低，在1.3 %～1.6%之間；芳綸纖維最高，在2.2%～3.0%之間，因此規范對粘貼纖維復合材用結構膠的鑒定要求完全適合維。

3 結 論

(1)芳綸纖維與碳纖維相比在斷裂伸長率上有較大優勢，斷裂伸長率取決于材料本身分子鏈的柔性，是材料韌性、耐沖擊性的表征參數。因此與之配套使用的粘合劑應當按照等變形原則確定。

(2)GB 50728—2011規定的粘貼纖維復合材用結構膠的基本性能鑒定指標不能滿足芳綸纖維復合材的材性要求，應當在試驗驗證的基礎上適時修正。