加固鋼板梁用的改性環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑性能研究

陳 蓉,杜祝遙

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710300)

橋梁受設(shè)計(jì)和使用年限的影響,會(huì)出現(xiàn)明顯的損傷,給大家的出行帶來(lái)了極大的安全隱患。對(duì)橋梁進(jìn)行有效加固是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究,如研究了FBG自感知預(yù)應(yīng)力碳纖維板在橋梁加固中的應(yīng)用[1]。制備了一種用于橋梁加固的抗擾動(dòng)超高性能混凝土,并對(duì)其加固效果進(jìn)行了研究[2]。制備了一種新型用于橋梁加固的改性環(huán)氧樹(shù)脂材料,并對(duì)其性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明:該材料基本性能滿足橋梁加固要求,可以在橋梁加固工程中發(fā)揮作用[3]。針對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑性能,選出合適的環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑填料,以保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性,結(jié)果表明:橋梁加固用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑具有良好的性能,可以為保證橋梁結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性和穩(wěn)定性提供有力的保障[4]。基于此,本試驗(yàn)以文獻(xiàn)[5]為參考,制備了一種用于橋梁加固的改性環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑,并研究了其對(duì)橋梁鋼板的加固作用。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

主要材料:環(huán)氧樹(shù)脂E51(AR),晴天化工科技;偶聯(lián)劑KH-560(AR),臻銘化工;觸變劑HB-139(AR),砼巖智能科技;固化劑(AR),宙合化工;促進(jìn)劑DMP-30(AR),尤恩化工;消泡劑D240(AR),華晨新材料。

主要設(shè)備:JY92-IIN型超聲細(xì)胞粉碎機(jī),繼譜電子;DZF型真空烘箱,靳瀾儀器;EM-30AX型掃描電鏡,翔研儀器;WDW型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),文騰儀器;DMA242E型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀,泰立儀器。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的制備

(1)在真空烘箱的作用下去除納米材料的水分,干燥時(shí)間約10 h。按比例將干燥后納米材料與60 g環(huán)氧樹(shù)脂混合并充分?jǐn)嚢?攪拌時(shí)間為5 min;

(2)在JY92-IIN型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)的作用下進(jìn)行超聲分散,超聲功率和時(shí)間分別為300 W和2 h,得到納米材料預(yù)分散液;

(3)將60 g環(huán)氧樹(shù)脂加熱至60 ℃后,倒入納米材料預(yù)分散液,繼續(xù)加熱并充分?jǐn)嚢?攪拌溫度和時(shí)間分別為80 ℃和30 min;

(4)將溫度冷卻至50 ℃后加入偶聯(lián)劑并進(jìn)行機(jī)械攪拌,攪拌時(shí)間約為15 min。攪拌完成后,保持該溫度加入觸變劑,繼續(xù)機(jī)械攪拌15 min后冷卻至室溫,得到A組分;

(5)按比例將促進(jìn)劑、固化劑和消泡劑混合并進(jìn)行機(jī)械攪拌,攪拌溫度和時(shí)間分別為40 ℃和15 min,得到B組分;

(6)混合A、B組分,室溫條件下進(jìn)行機(jī)械攪拌,攪拌時(shí)間為10 min,得到環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑。膠粘劑配比結(jié)果如表1所示。固化劑和納米材料種類和摻量設(shè)計(jì)分別如表2、表3所示。

表1 膠粘劑配比

表2 固化劑配比

表3 納米材料優(yōu)化

1.2.2鋼板加固試件的制備

按照設(shè)計(jì)方式對(duì)厚度為8 mm的Q235鋼板進(jìn)行粘接,具體粘接方式如圖1所示[6-7]。

(a)“-”字形

1.3 性能測(cè)試

(1)力學(xué)性能測(cè)試:在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的作用下測(cè)試材料力學(xué)性能。

(2)微觀形貌:掃描電鏡可以觀察材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化,進(jìn)而表征材料強(qiáng)度變化原理。

(3)熱力學(xué)試驗(yàn):通過(guò)動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀進(jìn)行熱力學(xué)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠粘劑配比優(yōu)化

2.1.1固化劑優(yōu)化

圖2為固化劑種類對(duì)材料力學(xué)性能的影響。

(a)拉伸強(qiáng)度與彈性模量

由圖2可知,以1∶2比例復(fù)配縮胺105與聚醚胺固化劑制備的環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑拉伸強(qiáng)度和應(yīng)變能最高,分別為52.9 MPa和0.073 N·mm,表明以1∶2比例復(fù)配縮胺105與聚醚胺固化劑制備的環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度與韌性。因此選擇適合的固化劑為1∶2復(fù)配縮胺105與聚醚胺固化劑。

2.1.2納米材料用量?jī)?yōu)化

圖3為功能性納米SiO2摻量的影響。

圖3 納米SiO2的影響

由圖3可知,隨納米SiO2摻量的增加,環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑拉伸強(qiáng)度和應(yīng)變能先增加后下降,彈性模量慢慢下降,斷裂伸長(zhǎng)率慢慢增加[8]。當(dāng)納米SiO2摻量為1.0%時(shí),環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑綜合力學(xué)性能最佳,此時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度約為45.2 MPa,應(yīng)變能約0.117 N·mm。

當(dāng)納米SiO2摻量為0.75%～1.0%時(shí),應(yīng)力應(yīng)變曲線為非線性變化,證明在該摻量條件下,制備的環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑具有較好的延性[9]。結(jié)合拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,在納米SiO2摻量為1.0%時(shí),環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑在保持較高拉伸強(qiáng)度的同時(shí),具備較好的延性,也就是說(shuō),該膠粘劑具備較強(qiáng)的韌性。繼續(xù)增加納米SiO2摻量至1.5%時(shí),拉伸強(qiáng)度、彈性模量和應(yīng)變能均下降至最低值,斷裂伸長(zhǎng)率提升至5%,應(yīng)變幾乎不隨應(yīng)力的變化,這是因?yàn)?.5%納米SiO2膠粘劑難以固化,導(dǎo)致彈性較大;但是強(qiáng)度不足[10]。因此,適宜的納米SiO2摻量為1.0%。

2.2 拉伸斷面微觀形貌

通過(guò)對(duì)拉伸斷面微觀形貌進(jìn)行表征,確定納米SiO2的作用機(jī)理,結(jié)果如圖4所示。

(a)0%納米SiO2膠體拉伸試件斷面

由圖4可知,未摻入納米SiO2的膠粘劑固化材料拉伸斷面光滑,裂紋為單一走向,其斷面破壞方式為脆性破壞。隨體系內(nèi)納米SiO2的增加,在拉伸斷裂的過(guò)程中,有更多納米SiO2剝離拔出,斷面存在較多較密集的小孔洞,粗糙程度明顯增加,塑性變形明顯。從圖4還可觀察到,納米SiO2在膠粘劑中均勻分散,并未出現(xiàn)相互團(tuán)聚的現(xiàn)象,這說(shuō)明納米SiO2與樹(shù)脂基體相容性良好。膠粘劑受到外力作用時(shí),納米SiO2出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況,包裹在納米SiO2周圍的膠粘劑出現(xiàn)屈服形變,進(jìn)而導(dǎo)致局部塑性剪切帶,大量的能量被吸收,增韌效果明顯。再加上膠粘劑內(nèi)部的納米SiO2會(huì)對(duì)裂紋的擴(kuò)散產(chǎn)生一定的阻礙作用,因此要產(chǎn)生新的裂紋就需要吸收更多的能量,增加荷載才能使得裂紋貫通[11]。同時(shí),納米SiO2可在裂紋尖端前方脫粘,在環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑內(nèi)部形成密集塑性空穴,有效提升了環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的韌性[12]。

2.3 動(dòng)態(tài)熱力學(xué)性能

由于本試驗(yàn)制備的膠粘劑主要用于橋梁鋼板的加固,因此需要對(duì)膠粘劑的耐溫性能進(jìn)行研究。表4為動(dòng)態(tài)熱力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果。

表4 玻璃轉(zhuǎn)化溫度

由表4可知,玻璃轉(zhuǎn)化溫度隨膠粘劑體系內(nèi)納米SiO2摻量的增加而有一定增加,當(dāng)納米SiO2摻量為1.0%時(shí),切線法、損耗模量法和損耗因子法對(duì)應(yīng)的玻璃轉(zhuǎn)化溫度分別為66.1、68.9和80.1 ℃,明顯高于市售商品膠粘劑玻璃轉(zhuǎn)化溫度,滿足膠粘劑用于橋梁鋼板時(shí)的耐溫要求[13-14]。

2.4 與常用膠粘劑比較

通過(guò)CFRP/鋼界面粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型及參數(shù)的比較對(duì)本試驗(yàn)制備的膠粘劑以市售商品膠粘劑整體性能進(jìn)行比較,結(jié)果如圖5所示;本構(gòu)模型參數(shù)如表5所示。

圖5 本構(gòu)模型

表5 本構(gòu)模型參數(shù)

由圖5可知,市售膠粘劑本構(gòu)模型為雙線性三角形,而本試驗(yàn)制備的膠粘劑本構(gòu)模型為三線性梯形,這說(shuō)明市售膠粘劑需要低溫存放,在施工的過(guò)程中需要在高溫環(huán)境下,且往垂直被粘面施加壓力,才能進(jìn)行有效的粘接,這明顯提升了施工難度,影響了粘接效果[15-16]。而本試驗(yàn)制備的二氧化硅環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑在室溫條件下就可以完全固化,且具備較好的界面韌性,這簡(jiǎn)化了在橋梁加固過(guò)程中的施工難度,可以在橋梁加固工程中進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

由表5可知,本試驗(yàn)制備的環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑搭接試件的本構(gòu)參數(shù)均高于市售膠粘劑搭接試件,這說(shuō)明在幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)等外界條件均相同的情況下,本試驗(yàn)制備的環(huán)氧樹(shù)脂CFRP/鋼界面極限承載力、界面滑移剛度及斷裂能均明顯高于市售膠粘劑,也就是說(shuō),本試驗(yàn)制備的二氧化硅環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑整體性能更優(yōu),更適合用于橋梁加固工程。

2.5 實(shí)際應(yīng)用效果

以環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑為粘結(jié)劑,以多種粘接方式進(jìn)行鋼板梁結(jié)構(gòu)的粘接,進(jìn)一步表征環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的實(shí)際應(yīng)用效果。

2.5.1對(duì)剪切強(qiáng)度的影響

表6為鋼板間粘接抗剪強(qiáng)度測(cè)試的結(jié)果。

表6 抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.5.2對(duì)鋼板間扭矩的影響

粘接類型對(duì)鋼板間扭矩的影響如表7所示。

表7 粘接類型的影響

由表7可知,從扭矩的角度出發(fā),“口”字形粘接方式的粘接效果比“一”字形粘接方式要強(qiáng)一些。經(jīng)過(guò)分析后,綜合鋼板抗剪強(qiáng)度、鋼板間長(zhǎng)度方向抗剪強(qiáng)度、鋼板間寬度方向抗剪強(qiáng)度以及扭矩的結(jié)果,“口”字形在長(zhǎng)度、寬度方向抗剪強(qiáng)度較好。所以,從粘接效果的角度出發(fā),提出的4種粘接方式,選擇最優(yōu)的“口”字形粘接方式進(jìn)行鋼板粘接從而達(dá)到鋼板梁加固的效果。

2.5.3溫度的影響

圖6為溫度對(duì)鋼板間粘接的影響。

由圖6可知,在低溫條件下,鋼板長(zhǎng)度方向和寬度方向上抗剪強(qiáng)度存在一定降低;但從降低幅度看,幾乎可以忽略不計(jì)。因此,可認(rèn)定溫度不影響粘接效果,穩(wěn)定性良好。在自然環(huán)境中經(jīng)常能遇到低溫5 ℃的情況,這從另一個(gè)方面證明了使用本試驗(yàn)制備的環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行鋼板粘接是滿足要求的。

3 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)制備的納米SiO2環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑表現(xiàn)出良好的粘接性能,可以在橋梁加固方面進(jìn)行應(yīng)用。

(1)適宜的為1∶2復(fù)配比縮胺105與聚醚胺固化劑,納米SiO2摻量為1.0%,在此條件下,環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑拉伸強(qiáng)度約45.2 MPa,應(yīng)變能約0.117 N·mm;

(2)對(duì)其加固機(jī)理進(jìn)行分析,摻入納米二氧化硅后,固化后膠粘劑的強(qiáng)度和韌性明顯增加,斷裂方式從脆性斷裂轉(zhuǎn)別為延性斷裂;

(3)與市售環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑對(duì)比,切線法、損耗模量法和損耗因子法對(duì)應(yīng)的玻璃轉(zhuǎn)化溫度分別為66.1、68.9和80.1 ℃,明顯高于市售商品膠粘劑玻璃轉(zhuǎn)化溫度,滿足膠粘劑用于橋梁鋼板時(shí)的耐溫要求;

(4)本試驗(yàn)制備的二氧化硅環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑在室溫條件下就可以完全固化,且具備較好的界面韌性,這就簡(jiǎn)化了在橋梁加固過(guò)程中的施工難度,可以在橋梁加固工程中進(jìn)行廣泛應(yīng)用;

(5)粘接方式和制備的環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑不對(duì)鋼板本身的剪切強(qiáng)度產(chǎn)生影響,只對(duì)鋼板間長(zhǎng)度和寬度方向抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響。在目前常用粘接方式中,“口”字形粘接效果最高,可以對(duì)橋梁鋼板進(jìn)行有效加固;

(6)低溫條件下,鋼板長(zhǎng)度方向和寬度方向上抗剪強(qiáng)度存在一定降低;但從降低幅度看,幾乎可以忽略不計(jì),表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。