加固鋼板梁用的改性環氧樹脂膠粘劑性能研究

陳 蓉,杜祝遙

(陜西國防工業職業技術學院,陜西 西安 710300)

橋梁受設計和使用年限的影響,會出現明顯的損傷,給大家的出行帶來了極大的安全隱患。對橋梁進行有效加固是當前研究的熱點。部分學者也進行了很多研究,如研究了FBG自感知預應力碳纖維板在橋梁加固中的應用[1]。制備了一種用于橋梁加固的抗擾動超高性能混凝土,并對其加固效果進行了研究[2]。制備了一種新型用于橋梁加固的改性環氧樹脂材料,并對其性能進行研究,結果表明: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揮作用[3]。針對環氧樹脂膠粘劑性能,選出合適的環氧樹脂膠粘劑填料,以保證橋梁結構的穩定性、可靠性和安全性,結果表明:橋梁加固用環氧樹脂膠粘劑具有良好的性能,可以為保證橋梁結構的堅固性和穩定性提供有力的保障[4]?；诖?本試驗以文獻[5]為參考,制備了一種用于橋梁加固的改性環氧樹脂膠粘劑,并研究了其對橋梁鋼板的加固作用。

1 試驗材料與方法

1.1 材料與設備

主要材料:環氧樹脂E51(AR),晴天化工科技;偶聯劑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;促進劑DMP-30(AR),尤恩化工;消泡劑D240(AR),華晨新材料。

主要設備:JY92-IIN型超聲細胞粉碎機,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型電子萬能試驗機,文騰儀器;DMA242E型動態熱機械分析儀,泰立儀器。

1.2 試驗方法

1.2.1環氧樹脂膠粘劑的制備

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

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

(3)將60 g環氧樹脂加熱至60 ℃后,倒入納米材料預分散液,繼續加熱并充分攪拌,攪拌溫度和時間分別為80 ℃和30 min;

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

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

(6)混合A、B組分,室溫條件下進行機械攪拌,攪拌時間為10 min,得到環氧樹脂膠粘劑。膠粘劑配比結果如表1所示。固化劑和納米材料種類和摻量設計分別如表2、表3所示。

表1 膠粘劑配比

表2 固化劑配比

表3 納米材料優化

1.2.2鋼板加固試件的制備

按照設計方式對厚度為8 mm的Q235鋼板進行粘接,具體粘接方式如圖1所示[6-7]。

(a)“-”字形

1.3 性能測試

(1)力學性能測試:在電子萬能試驗機的作用下測試材料力學性能。

(2)微觀形貌:掃描電鏡可以觀察材料內部結構的變化,進而表征材料強度變化原理。

(3)熱力學試驗:通過動態熱機械分析儀進行熱力學分析。

2 結果與討論

2.1 膠粘劑配比優化

2.1.1固化劑優化

圖2為固化劑種類對材料力學性能的影響。

(a)拉伸強度與彈性模量

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

2.1.2納米材料用量優化

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,環氧樹脂膠粘劑拉伸強度和應變能先增加后下降,彈性模量慢慢下降,斷裂伸長率慢慢增加[8]。當納米SiO2摻量為1.0%時,環氧樹脂膠粘劑綜合力學性能最佳,此時環氧樹脂拉伸強度約為45.2 MPa,應變能約0.117 N·mm。

當納米SiO2摻量為0.75%～1.0%時,應力應變曲線為非線性變化,證明在該摻量條件下,制備的環氧樹脂膠粘劑具有較好的延性[9]。結合拉伸強度試驗結果,在納米SiO2摻量為1.0%時,環氧樹脂膠粘劑在保持較高拉伸強度的同時,具備較好的延性,也就是說,該膠粘劑具備較強的韌性。繼續增加納米SiO2摻量至1.5%時,拉伸強度、彈性模量和應變能均下降至最低值,斷裂伸長率提升至5%,應變幾乎不隨應力的變化,這是因為1.5%納米SiO2膠粘劑難以固化,導致彈性較大;但是強度不足[10]。因此,適宜的納米SiO2摻量為1.0%。

2.2 拉伸斷面微觀形貌

通過對拉伸斷面微觀形貌進行表征,確定納米SiO2的作用機理,結果如圖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。隨體系內納米SiO2的增加,在拉伸斷裂的過程中,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,并未出現相互團聚的現象,這說明納米SiO2與樹脂基體相容性良好。膠粘劑受到外力作用時,納米SiO2出現應力集中的情況,包裹在納米SiO2周圍的膠粘劑出現屈服形變,進而導致局部塑性剪切帶,大量的能量被吸收,增韌效果明顯。再加上膠粘劑內部的納米SiO2會對裂紋的擴散產生一定的阻礙作用,因此要產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,納米SiO2可在裂紋尖端前方脫粘,在環氧樹脂膠粘劑內部形成密集塑性空穴,有效提升了環氧樹脂膠粘劑的韌性[12]。

2.3 動態熱力學性能

由于本試驗制備的膠粘劑主要用于橋梁鋼板的加固,因此需要對膠粘劑的耐溫性能進行研究。表4為動態熱力學試驗結果。

表4 玻璃轉化溫度

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

2.4 與常用膠粘劑比較

通過CFRP/鋼界面粘結-滑移本構模型及參數的比較對本試驗制備的膠粘劑以市售商品膠粘劑整體性能進行比較,結果如圖5所示;本構模型參數如表5所示。

圖5 本構模型

表5 本構模型參數

由圖5可知,市售膠粘劑本構模型為雙線性三角形,而本試驗制備的膠粘劑本構模型為三線性梯形,這說明市售膠粘劑需要低溫存放,在施工的過程中需要在高溫環境下,且往垂直被粘面施加壓力,才能進行有效的粘接,這明顯提升了施工難度,影響了粘接效果[15-16]。而本試驗制備的二氧化硅環氧樹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,這簡化了在橋梁加固過程中的施工難度,可以在橋梁加固工程中進行廣泛應用。

由表5可知,本試驗制備的環氧樹脂膠粘劑搭接試件的本構參數均高于市售膠粘劑搭接試件,這說明在幾何參數和力學參數等外界條件均相同的情況下,本試驗制備的環氧樹脂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,本試驗制備的二氧化硅環氧樹脂膠粘劑整體性能更優,更適合用于橋梁加固工程。

2.5 實際應用效果

以環氧樹脂膠粘劑為粘結劑,以多種粘接方式進行鋼板梁結構的粘接,進一步表征環氧樹脂膠粘劑的實際應用效果。

2.5.1對剪切強度的影響

表6為鋼板間粘接抗剪強度測試的結果。

表6 抗剪強度測試結果

2.5.2對鋼板間扭矩的影響

粘接類型對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,“口”字形粘接方式的粘接效果比“一”字形粘接方式要強一些。經過分析后,綜合鋼板抗剪強度、鋼板間長度方向抗剪強度、鋼板間寬度方向抗剪強度以及扭矩的結果,“口”字形在長度、寬度方向抗剪強度較好。所以,從粘接效果的角度出發,提出的4種粘接方式,選擇最優的“口”字形粘接方式進行鋼板粘接從而達到鋼板梁加固的效果。

2.5.3溫度的影響

圖6為溫度對鋼板間粘接的影響。

由圖6可知,在低溫條件下,鋼板長度方向和寬度方向上抗剪強度存在一定降低;但從降低幅度看,幾乎可以忽略不計。因此,可認定溫度不影響粘接效果,穩定性良好。在自然環境中經常能遇到低溫5 ℃的情況,這從另一個方面證明了使用本試驗制備的環氧樹脂膠進行鋼板粘接是滿足要求的。

3 結語

本試驗制備的納米SiO2環氧樹脂膠粘劑表現出良好的粘接性能,可以在橋梁加固方面進行應用。

(1)適宜的為1∶2復配比縮胺105與聚醚胺固化劑,納米SiO2摻量為1.0%,在此條件下,環氧樹脂膠粘劑拉伸強度約45.2 MPa,應變能約0.117 N·mm;

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

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

(4)本試驗制備的二氧化硅環氧樹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,這就簡化了在橋梁加固過程中的施工難度,可以在橋梁加固工程中進行廣泛應用;

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

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