碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)有許多突出特點(diǎn)，例如：強(qiáng)度高、質(zhì)量輕；施工簡(jiǎn)便；結(jié)構(gòu)開(kāi)頭可自由裁剪；容易設(shè)計(jì)等等。因此該項(xiàng)技術(shù)被引進(jìn)我國(guó)雖然不到十年的時(shí)間，但已在混凝土結(jié)構(gòu)加固改造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且相應(yīng)的規(guī)范（或標(biāo)準(zhǔn)）（CECS 146：2003碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程）也已出臺(tái)。目前，除碳纖維片材（碳纖維布和碳纖維板）尚需進(jìn)口外，與之配套使用的膠粘劑已國(guó)產(chǎn)化。國(guó)產(chǎn)的碳纖維片材加固膠粘劑品牌很多，但產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外的相比仍有較大差距，主要表現(xiàn)膠粘劑的工藝性能方面，例如:觸變性差，垂直面及仰視面施工易流淌；沒(méi)有考慮施工環(huán)境溫度，配方?jīng)]有冬夏之分，致使在夏季膠粘劑的使用期很短而冬季膠粘劑又固化緩慢；對(duì)碳纖維浸潤(rùn)性差，施工質(zhì)量得不到保證等。
碳纖維片材加固膠粘劑一般包括三種膠（按用途分）：1、底涂膠（又稱(chēng)底層樹(shù)脂）；2、修補(bǔ)膠（又稱(chēng)整平材料或膩?zhàn)樱?、粘接膠（又稱(chēng)浸漬樹(shù)脂）。它們各自的作用分別是：1、底涂膠：涂刷于混凝土基層上，強(qiáng)化混凝土表面強(qiáng)度，從而使混凝土與碳纖維之間的粘結(jié)性得到提高。2、修補(bǔ)膠：整平混凝土表面，便于碳纖維片材的粘貼。3、浸漬樹(shù)脂：將碳纖維片材結(jié)合在一起，使之呈板狀硬化物；同時(shí)將碳纖維與混凝土粘接在一起，也形成一個(gè)復(fù)合整體，共抵抗外力。三種膠粘劑之中，浸漬樹(shù)脂最為重要，它的性能直接決定碳纖維片材能否有效地加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)雙組分改性環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的特點(diǎn)，對(duì)浸漬樹(shù)脂（膠粘劑）的工藝性能改進(jìn)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，配制所得膠粘劑工藝性能優(yōu)良。
1. 實(shí)驗(yàn)
1.1 主要原料及儀器
液體雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂，工業(yè)品；改笥胺類(lèi)固化劑，工業(yè)品；自制固化劑，工業(yè)品；觸變劑，工業(yè)品；助劑，工業(yè)品；NDJ-4旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；三輥研磨機(jī)；萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
（1）膠粘劑甲組分的配制：將環(huán)氧樹(shù)脂和助劑充分混合均勻制得甲組分。
（2）膠粘劑乙組分的配制：分別將各類(lèi)固化劑（或幾種混合復(fù)配的固化劑）和助劑充分混合均勻制得乙組分。
（3）適用期的測(cè)定
參照GB/T 12954-91將膠粘劑的甲乙組分按一定重量比例混勻后，置于23±0.5℃的恒溫水浴中測(cè)試膠粘劑的適用期。
（4）拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定
將甲乙組分按一定的重量比混合均勻后，參照GB/T 7124-1986粘接拉伸剪切碳鋼試片，在室溫下固化一段時(shí)間，然后測(cè)試?yán)旒羟袕?qiáng)度。
（5）觸變性的測(cè)定
將觸變劑加入到膠粘劑的甲組分中并混合均勻，參照GB/T 2794-1995選用二檔轉(zhuǎn)子速度（轉(zhuǎn)子速度為0.6r/min和6r/min）分別測(cè)試其粘度，低轉(zhuǎn)速所測(cè)粘度與高轉(zhuǎn)速所測(cè)粘度的比值即為觸變指數(shù)TI（TI≥1）。
（6）對(duì)碳纖維布浸潤(rùn)性的測(cè)定
參照CECS 146：2003的附錄A，粘貼2層200g/m2的碳纖維布后測(cè)試正拉粘接強(qiáng)度。
2. 結(jié)果與討論
2.1 固化劑對(duì)膠粘劑適用期的影響
標(biāo)準(zhǔn)CECS 146：2003并沒(méi)有對(duì)膠粘劑的適用期做出明確的規(guī)定。實(shí)際上適用期是一項(xiàng)很重要的工藝指標(biāo)：如果適用期短（例如常溫下小于30min），膠粘劑容易凝膠，而且一次配膠量也不能過(guò)多，這樣就給施工帶來(lái)困難；另一方面，適用期太短也不利于膠粘劑對(duì)碳纖維片材，特別是碳纖維布的充分滲透和浸潤(rùn)，從而影響工程質(zhì)量。適用期太長(zhǎng)（例如常溫下超過(guò)3小時(shí)），則膠粘劑固化緩慢，指干時(shí)間變長(zhǎng)，這樣就會(huì)減慢施工速度，影響工期。環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)膠粘劑的適用期決定于固化劑的種類(lèi)。實(shí)驗(yàn)比較了幾種改性胺類(lèi)固化劑的種類(lèi)。實(shí)驗(yàn)比較了幾種改性胺類(lèi)固化劑的適用期，結(jié)果見(jiàn)表1（其中，A、B、C、D分別代表：A-改性脂肪胺類(lèi)固化劑，B-改性芳香胺類(lèi)固化劑，C-改性脂環(huán)胺類(lèi)固化劑，D-自制固化劑）。
表1 固化劑對(duì)膠粘劑適用期的影響
固化劑 A B C D A+B B+D C+D B+C+D
適用期（min） 28 ＞180 92 25 35 61 49 58
備 注 常溫下指干超過(guò)24小時(shí) 常溫下固化不完全，剪切強(qiáng)度低 常溫下固化不完全，剪切強(qiáng)度低 注：固化劑組分：甲組分（重量比）=1：4
從表1得知，改性脂肪胺常溫下固化速度偏快，不適合配制碳纖維片材加固膠；另外，由于膠粘劑中幾乎不加入無(wú)機(jī)填料，沒(méi)有了對(duì)反應(yīng)熱的“稀釋”效果，也是導(dǎo)致該類(lèi)固化劑適用期短的原因之一。改性芳香胺類(lèi)和改性脂環(huán)胺類(lèi)固化劑一般需加溫才能固化，故不適合單獨(dú)用作固化劑。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)改性脂環(huán)胺類(lèi)固化劑在常溫下存在所謂“假固化”現(xiàn)象：表面上看是固化了，也指干了，實(shí)測(cè)剪切強(qiáng)度很低（一般不超過(guò)6Mpa），加溫后還能繼續(xù)固化，剪切強(qiáng)度大幅度上升（能達(dá)到14Mpa以上）。自制固化劑屬低溫潮濕環(huán)境中應(yīng)用的快固型品種，也不能單獨(dú)用于配制碳纖維膠粘劑，但與改性芳香胺或改性芳香胺和改性脂環(huán)胺復(fù)配后效果不錯(cuò)。
2.2 觸變劑
2.2.1 概述
碳纖維片材加固膠粘劑在垂直面、仰視在上進(jìn)行涂覆，不允許發(fā)生流淌和墜落。這就要求在施工時(shí)，膠粘劑既有一定的流動(dòng)性又能很快保持一定的形態(tài)。這些要求是采用分子量大的環(huán)氧樹(shù)脂以及添加普通無(wú)機(jī)填料都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，非采用觸變劑不可。觸變劑是一種具有很大比表面積的不溶性添加劑，它能使液體環(huán)氧樹(shù)脂形成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，從而阻止分子或存在任何其他微觀粒子的布朗運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)被作用在很大接觸界面上的吸附力所阻止。觸變指數(shù)（TI）用來(lái)表征觸變劑的觸變效果，TI值越高，觸變性越好。
2.2.2 觸變劑對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂組分觸變指數(shù)的影響
先用了幾種不同的觸變劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。
表2 觸變劑對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂組分觸變指數(shù)的影響
編號(hào) 增韌劑 觸變劑 觸 變 指 數(shù) 平均值
名稱(chēng) 加入量（%）
1# 增韌劑1 A-200 5 / / / 太粘
2# A-200 3 4.62 4.53 4.35 4.50*
3# WL-200 5 3.33 3.35 3.29 3.32*
4# TS-258 3 3.98 3.74 3.77 3.83*
5# 氫化蓖麻油 5 / / / 太稀
6# 增韌劑2 A-200 5 / / / 太粘
7# A-200 3 2.54 2.50 2.42 2.49*
8# WL-200 5 1.19 1.11 1.03 1.11
9# TS-258 3 1.57 1.59 1.60 1.59
10# 氫化蓖麻油 5 / / / 太稀

注：A-200和TS-258為氣相法白炭黑，WL-200為沉淀法白炭黑。一般要求TI≥2。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，觸變劑的觸變效果與環(huán)氧樹(shù)脂組分中的助劑（例如增韌劑）種類(lèi)和觸變劑的加入量有關(guān)，氣相法白炭黑的觸變效果優(yōu)于沉淀法白炭黑。另外，觸變劑的加入量一般不宜超過(guò)5%。
2.2.3 觸變指數(shù)的穩(wěn)定性
加入觸變劑的環(huán)氧樹(shù)脂組分在常溫放置一段時(shí)間后觸變指數(shù)會(huì)有所下降，即觸變性會(huì)變差。觸變指數(shù)的穩(wěn)定性與觸變劑密切相關(guān)。分別選用A-200、WL-200、TS-258來(lái)考察觸變指數(shù)的穩(wěn)定性，結(jié)果如下（見(jiàn)表3）：
表3 觸變指數(shù)的穩(wěn)定性
常溫放置時(shí)間（天） TI
WL-200 A-200 TS-258
1 3.11 5.35 3.22
6 1.43 5.27 3.18
11 - 5.04 3.15
16 - 4.71 3.14
21 - 4.57 3.13
TI保持率（%） 46.0 85.4 97.2

注：選用增韌劑1，用量為10%，WL-200用量為5%，A-200和TS-258用量均為3%。
TS-258的穩(wěn)定性最好，A-200次之，WL-200最差。WL-200是沉淀法白炭黑，比表面積小于氣相法白炭黑，觸變效果本身要弱一些；另外，WL-200有部分親水性，在存放過(guò)程中可能會(huì)與空氣中的水分相結(jié)合，這也是導(dǎo)致其觸變指數(shù)穩(wěn)定性最差的原因之一。因?yàn)闅庀喾ò滋亢?，比表面積幾乎相等，但A-200與TS-258的觸變指數(shù)穩(wěn)定性卻相差很大，原因在于TS-258是疏水性氣相法白炭黑，而A-200是新水性的，在這一點(diǎn)上，A-200觸變指數(shù)下降的原因可能與WL-200相同。
2.2.4 觸變劑的分散方式
氣相法白炭黑使環(huán)氧樹(shù)脂組分粘度增加及產(chǎn)生觸變行為，是二氧化硅聚集體相互作用并形成互相貫通網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果。這種網(wǎng)絡(luò)是由二氧化硅的表面特性決定，并受樹(shù)脂性能影響。分散過(guò)程的模型如下圖1：





從圖1中，我們可以看出，氣相二氧化硅在分散前，其顆粒由聚集體和團(tuán)聚體組成，團(tuán)聚體經(jīng)過(guò)分散可成尺寸更小的聚集體。二氧化硅在樹(shù)脂中被分散時(shí)，團(tuán)聚體被分裂。如果分散適度，聚集體能夠相互作用組成一種中間“鏈”結(jié)構(gòu)。在樹(shù)脂靜止時(shí)，足夠的相互作用可形成期望的網(wǎng)絡(luò)，粘度增加。當(dāng)對(duì)該體系施加剪切力時(shí)，網(wǎng)絡(luò)消失，體系回到單個(gè)鏈結(jié)構(gòu)，粘度下降。靜止后，網(wǎng)絡(luò)又重新形成，粘度大。但必須注意，如果施加過(guò)量的分散能可能會(huì)導(dǎo)致“過(guò)度分散”，從而失去觸變性能。
分散設(shè)備的性能直接影響到氣相二氧化硅的分散程度，從而影響其膠液粘度和觸變性能，本實(shí)驗(yàn)采用多種分散設(shè)備進(jìn)行分散，分散結(jié)果比較見(jiàn)下圖2：





圖2可以看出，超聲均化儀在給定氣相二氧化硅濃度及恒定的條件下顯示出最高分散能。但由于價(jià)格方面的因素，我們采用三輥研磨機(jī)來(lái)分散氣相法二氧化硅。用三輥研磨機(jī)分散氣相法二氧化硅，二氧化硅聚集體分散均勻，配成的環(huán)氧樹(shù)脂組分，其觸變指數(shù)隨時(shí)間變化不大，長(zhǎng)期儲(chǔ)存穩(wěn)定性能好。
2.3 冬夏配方的選定
液體雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂的粘度隨著環(huán)境溫度的變化而變化：溫度升高，粘度降低；溫度降低，粘度上升。另外，其固化速度也受到環(huán)境溫度的影響：溫度越高，固化速度也越快；溫度降低，固化速度變慢。我國(guó)幅員遼闊，南北氣候差異較大，一種配方很難滿足不同季節(jié)的施工需求。夏季氣溫較高（15～45℃），環(huán)氧樹(shù)脂的粘度較低，沒(méi)有必要在其中加入稀釋劑，而固化劑應(yīng)則選用緩慢型的品種；冬季環(huán)境溫度較低（-5～15℃），環(huán)氧樹(shù)脂的粘度急劇增加，此時(shí)應(yīng)加入稀釋劑，以便于涂抹施工，而固化劑應(yīng)選用快固化的種類(lèi)。本文自制了一種快速固化劑D，按照一定比例與改性芳香胺或改性脂環(huán)胺復(fù)配，分別得到了適用于夏季和冬季施工使用的配方，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 冬夏配方實(shí)驗(yàn)結(jié)果
固化時(shí)間 夏用（15～45℃） 冬用（-5～15℃）
適用期（min） 剪切強(qiáng)度（45#鋼-45#鋼）（MPa） 適用期（min） 剪切強(qiáng)度（45#鋼-45#鋼）（MPa）
12小時(shí) 50～90 ≥15 75～120 ≥12
24小時(shí) ≥18 ≥17
7天 ≥18 ≥18

注：冬用配方的甲組分中加入10%的雙官能團(tuán)環(huán)氧樹(shù)脂活性稀釋劑。
2.4 對(duì)碳纖維布浸潤(rùn)性的測(cè)定效果
浸漬樹(shù)脂對(duì)碳纖維布良好的浸潤(rùn)性是施工質(zhì)量得到保證的前提。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于浸潤(rùn)性的定量測(cè)定還沒(méi)有成熟的方法。本文認(rèn)為，按照標(biāo)準(zhǔn)CECS 146：2003的附錄A測(cè)試兩層碳布浸漬粘接后的正拉強(qiáng)度，觀察破壞形式（Af-混凝土破壞，Bf-層間破壞，Cf-碳纖維片材破壞，Df-粘接失效）能較準(zhǔn)確地判定浸漬樹(shù)脂的浸潤(rùn)性能。當(dāng)破壞形式為Cf或部分為Cf時(shí)，則浸潤(rùn)性不能滿足要求；當(dāng)破壞形式為Af或Bf或 Df時(shí)，浸潤(rùn)性良好。應(yīng)注意到破壞形式為Df時(shí)，雖然浸漬樹(shù)脂的浸潤(rùn)性不錯(cuò)，但其粘接力差，仍不符合要求。對(duì)選定的冬夏配方進(jìn)行了正拉粘接強(qiáng)度測(cè)試，破壞形式全部為Af，這說(shuō)明浸漬樹(shù)脂的粘接力和浸潤(rùn)性均非常優(yōu)良。
3. 結(jié)論
（1）不同種類(lèi)的改性胺類(lèi)固化劑復(fù)配，能滿足碳纖維片材加固膠粘劑對(duì)適用期的要求和冬夏施工的需要。
（2）疏水性氣相法白炭黑的觸變效果最佳，其在環(huán)氧樹(shù)脂中的分散應(yīng)選擇合適的方式（例如用三輥 研磨機(jī)分散）。
（3）正拉粘接強(qiáng)度結(jié)果可以反應(yīng)出浸漬樹(shù)脂對(duì)碳纖維布的浸潤(rùn)性。
4. 結(jié)束語(yǔ)
改進(jìn)碳纖維片材加固膠粘劑工藝性能的目的是使膠粘劑“好用”，便于實(shí)際施工，同時(shí)也有利于充分發(fā)揮出膠粘劑的粘接、力學(xué)等綜合性能。膠粘劑工藝性能改進(jìn)后，其粘接性能、本體性能和耐久性能等都必須滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
參 才 文 獻(xiàn)
［1］賀曼羅，蔣偉.建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑工藝性能改善的點(diǎn)滴體會(huì).第七屆全國(guó)建筑物鑒定與加固改造學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［M］.重慶：重慶出版社，2004，567
［2］王德中.環(huán)氧樹(shù)脂生產(chǎn)與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001，337
［3］胡玉明，吳良義.固化劑［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004，44

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