无机粘结胶和有机粘结胶应用于碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的对比研究1.docx
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无机粘结胶和有机粘结胶应用于碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的对比研究1
摘要：
对用于碳纤维外包加固钢筋混凝土梁的有机粘结胶和无机粘结胶的性能作了比较研究。
试验内容是测定用无机粘结胶粘结碳纤维加固钢筋混凝土梁的各项性能。
试验是模仿一个早先的试验，在那个试验中，钢筋混凝土梁以同样的方式用有机粘结胶加固。
对两种粘结胶加固后梁的强度、刚度、延性、破坏特征和裂缝开展状况等作了比较。
结果表明，用无机粘结胶加固后梁强度和刚度的提高与用有机粘结胶加固后的情形同样有效，只是在延性上降低一点。
破坏机理也从有机粘结胶加固情形的片材剥离破坏变为无机粘结胶加固情形的片材破裂破坏。
破坏机理的改变是由于无机粘结胶的脆性导致了聚合物中裂缝的形成和聚合物与混凝土交界面上变形积累最小。
引言
众所周知，对内部结构的修补和修复存在着广泛的需求。
许多的修补和修复技术正在被应用。
20世纪60年代发展起来的外包粘钢法加固钢筋混凝土梁就是其中之一。
最近，高强度的碳纤维、玻璃纤维等聚合物材料作为钢板的替代物正在被发展和应用[aci440-r-57（“美国”1996）]。
这些被称作纤维增强聚合物（frps）的系列具有许多重要的优点：
自重轻、耐腐蚀和应用便捷等。
自重轻可以减少施工时间和工程造价，因为不需要重型机械。
应用时，frps不仅可以一层一层的粘贴使用，还可以以薄板的形式使用。
有机粘结胶聚合物的一个缺点是耐火性差。
一些聚合物还容易在紫外线下变性老化，导致长期的耐久性问题。
由于碳纤维、玻璃纤维不但能够坚持于正常地暴露于火中，而且能够忍受紫外线的照射。
因此，将这些纤维织物与混凝土粘结在一起的有机粘结胶就成了一个薄弱环节。
本文论述的无机粘结胶不易燃，而且在紫外线下不会发生变性老化。
用无机粘结胶粘结碳纤维聚合物做的温度暴露试验表明：
暴露于80℃中1小时后，仅仅37%的碳纤维聚合物开始丧失抗弯承载力（fodenetal1996）。
无机粘结胶是一种低粘性树脂，适用于粘结碳纤维、玻璃纤维等片材或织物。
它的预先配制是混合一种铝矽酸盐粉末和一种以水为基础的催化剂。
在室温情况下，大约可以存放3个小时。
无机粘结胶已经被应用于粘结碳纤维片材加固钢筋混凝土梁中。
下面的部分分别讲述了这些内容：
有关无机粘结胶聚合物的背景资料；有机粘结胶加固钢筋混凝土梁性能的综述；无机粘结胶和碳纤维加固钢筋混凝土梁的性能；用两种粘结胶加固后，梁在强度、刚度、延性、破坏特征和裂缝开展状况等方面的比较。
无机粘结胶的特性—高强度纤维聚合物
l无机粘结胶系列应用非常方便，所有用于有机粘结胶的技术也适用于它。
l无机粘结胶和碳纤维、玻璃纤维能很好的协调工作。
以单向纤维的方式，碳纤维聚合物能承受650mpa的拉应力、550mp的受弯应力和30mpa的剪应力。
相比而言，有机粘结胶粘结的碳纤维聚合物的这些值在一定程度上要低一些，这是由于无机粘结胶的脆性。
l无机粘结胶能很好地与木材、混凝土或钢材粘结。
在外包钢板之间的受剪承载力为15mpa。
l在无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系中，疲劳性能相当。
迄今为止，所有的研究成果表明，在内部结构修补方面，无机粘结胶有着非常巨大的应用潜力。
有机粘结胶和碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的综述
在世界范围内，已经有许多研究者对用frps板或片材加固的钢筋混凝土梁进行了广泛的研究。
梁可以用预先制作的frps板（ritchieetal1991；saadatmaneshandehsani1991a；sharifetal1994；rossetal1999）加固，也可以柔软的片材或织物（m'baszaaetal196；nakamuraetal1996；arduiniandnanni1997）加固。
在所有的这些实验中，一种二组份的环氧树脂被作为粘结胶使用。
在最先的研究报告（saadatmaneshandehsani1990）中，玻璃纤维增强聚合物（gfrp）板被粘在4根不同的钢筋混凝土梁上，并且用不同的环氧树脂粘结，这些环氧树脂有着从1%到170%的变形能力。
由此得出的结论是，这项加固技术中最适用的粘结胶是它必须具有足够的粘性。
因此，在后来的研究（saadatmaneshandehsani1991a）中，使用的是一种橡胶粘性的环氧树脂，它具有超过40%的变形能力。
然而，在gfrp板中，记录的最大变形仅仅只有0.8%。
在那次研究（saadatmaneshandehsani1991a）中，最常见的破坏特征是frp板的剥离破坏。
ritchieetal（1991）也得出同样的结论：
最适用于结构修补的粘结胶是它具有足够的粘性。
他们评价了14根钢筋混凝土梁的性能，这些梁用一种二组份橡胶粘性的环氧树脂粘结碳纤维、玻璃纤维等聚合物板。
在这次研究当中，最常见的破坏特征是在钢筋水平位置发生混凝土保护层的受剪破坏。
从这些研究中得出的主要结论如下：
l外包聚合物板的钢筋混凝土梁的抗弯承载力有明显提高，并且低配筋率梁的效果更加显著。
l裂缝的数量增多但平均裂缝宽度减小。
l由于板材的剥离破坏或钢筋螺纹水平位置上的混凝土保护层受剪破坏所引起的失效行为需要进一步的试验和分析研究。
这些破坏模式的破坏准则需要建立，以便正确地推测梁的极限承载力。
其它一些论文的作者也得出同样的结论。
所有这些研究的一个共同特点是，由于聚合物破裂而引起破坏的情形几乎没有。
研究程序
这次研究的焦点是比较粘结纤维片材加固钢筋混凝土梁时脆性的无机粘结胶和柔软的有机粘结胶的性能。
要做的主要比较有：
l两种破坏模式的区别。
l相对各自的基准梁，承载力增加的大小。
l相对各自的基准梁，刚度增加的大小。
l挠度和延性。
l裂缝开展特征。
设计的试验程序是模仿sherbrooke大学，quebec，canada（m'bazaaetal1996）的试验。
因此，在比较无机粘结胶和有机粘结胶的性能时减少了试验梁的数量，仅仅浇灌了4根与sherbrooke相似的钢筋混凝土梁并且养护28天。
然后，其中三根梁用碳纤维片材和无机粘结胶加固。
所有4根梁都是简支梁。
在sherbrooke大学的研究中，有机粘结胶的拉伸强度是这次研究中无机粘结胶的13倍。
另外，变形能力是65倍，粘性是1000倍。
尽管有这些力学性能上的重要差异，无机粘结胶和有机粘结胶加固的梁仍然具有相当的承载力提高和刚度增加，只是延性要低一些。
试验步骤
如上面提到的，这次试验是模仿m'bazaaetal（1996）的试验。
在那次试验中，一共浇注了8根梁，跨度为3000mm，并在三分点进行加载。
基本的变量是碳纤维的长度、端部锚固长度和加固量。
梁在受拉区表面粘贴了三层单向的碳纤维片材，片材宽为166.7mm，长为2900mm（图1），这根梁对这次试验来说特别重要，因为碳纤维的面积是相当的。
面积为0.826cm2。
这次浇注的梁与它具有相同的长度、宽度、高度（3000×200×300mm）和保护层厚度，见图1。
梁分别用2层、3层和5层单向碳纤维片材加固，面积分别为0.285cm2、0.427cm2和0.711cm2。
混凝土强度通过实验室配合比控制，组成原料有astmi水泥、自然砂、最大粒径为19mm的碎石骨料和自来水。
通过直径为150mm的圆柱体进行试验得到抗压强度为47.3mpa。
而sherbrooke大学试验中的混凝土抗压强度为44.3mpa。
sherbrooke大学试验中，受弯钢筋是2根no10m的钢筋，总面积为200mm2，而这次试验中，受弯钢筋是2根no4的钢筋，总面积为258mm2。
取3根钢筋试件进行轴向拉伸试验，平均屈服强度为447mpa，极限强度为693mpa。
sherbrooke大学试验中相应的强度分别为439mpa和703mpa。
图1试验梁尺寸详图
在两次试验中，梁的抗剪承载力都是设计富余的，因为，试验的目标是使梁发生受弯破坏。
sherbrooke大学试验中，no10m的箍筋，间距为100mm，受剪承载力为281kn；这次试验中，no3的箍筋，间距为95mm，受剪承载力为226kn。
在一次试验中可能遇到的最大剪力为55.0kn。
因此，受剪性能不是影响因素。
梁的配筋和碳纤维加固情况详见表1。
表1 试验梁汇总
梁的编号
受弯钢筋
碳纤维面积（cm2）
粘结胶类型
oc
2#10m
无
无
ic
2#4
无
无
os
2#10m
0.826
有机粘结胶（环氧树脂）
is1
2#4
0.285
无机粘结胶
is2
2#4
0.427
无机粘结胶
is3
2#4
0.711
无机粘结胶
加固步骤
现在的研究程序
贴碳纤维之前，先用磨轮将表面的浮浆皮去掉和将粗糙突出的骨料磨平。
然后，对表面喷砂和用热水洗，最后晾干。
表面用无机粘结胶找平，并自然干燥直到它具有粘性（大约1小时）。
同时，碳纤维用树脂浸渍，并自然干燥直到具有粘性。
再将作为粘结层的粘结胶刷在找平层上，然后，立即将浸渍好的碳纤维贴上。
碳纤维必须滚压以去掉多余的粘结胶。
其余各层碳纤维都以同样的步骤粘贴。
碳纤维粘贴好后，修补部位必须包扎以去掉空气和使树脂均匀饱满。
修补部位先用teflon薄膜包裹，在用致密织物，然后用尼龙薄膜包扎。
包裹要密封，并用真空泵抽成大约740mmhg的气压。
最后，将梁加热到80℃养护24小时。
比较研究（m'bazaaetal1996）
m'bazaaetal（1996）的试验中，梁的表面处理大致相同。
接着用一种低粘性的二组份环氧树脂找平，并在室温下养护24小时。
然后，将作为粘结层的二组份环氧树脂刷在找平层上，再立即贴碳纤维片材。
然后，用衬纸包裹保护，接着滚压碳纤维片材以使粘结胶浸入碳纤维。
然后，去掉衬纸，并用橡胶抹刀将额外的环氧树脂抹进碳纤维片材中。
然后，以同样的步骤粘贴其余各层碳纤维。
最后，置于室温养护。
仪器布置
试验梁是简支梁，跨度为3000mm。
端部支撑为钢轴，钢轴置于混凝土墩上，混凝土墩固定于实验室反力地板上。
实验时，通过手控液压千斤顶加载，千斤顶垂直地安装于梁顶，并固定于实验室反力板上。
荷载通过一根置于梁上的钢制分配梁三分点加载（距离每边支座1000mm）。
荷载以每次2.24kn的方式典型施加。
荷载通过置于千斤顶和分配梁之间的荷载传感器测量。
4个电子电阻应变片置于跨中。
2个12mm标距长度的应变片贴于受弯钢筋上。
1个应变片贴于梁的上表面，1个应变片贴于碳纤维上，标距长度都为50mm。
将一个机械表（百分表）置于跨中并固定于实验室反力地板上以测量挠度，它必须垂直地安装在梁底。
每加一次荷载都读取一个读数。
结果和讨论
在后面部分讨论的主要内容是：
破坏模式、裂缝特征、荷载挠度关系、承载力提高和变形。
表2列出了结果的汇总。
注意到试验中使用的碳纤维片材具有差异这一点很重要。
对有机粘结胶加固体系做的试验，用来加固结构构件的碳纤维经过了完善的发展。
碳纤维排列很好，并且有一种特别的衬纸和有机胶料保护。
有机粘结胶也经过特别的处理，在粘结碳纤维时能够达到最佳的效果。
这个体系发展了很多年，碳纤维排列很好，并且具有尽可能高的强度和刚度。
对无机粘结胶加固体系，使用的是商业上提供的一般纹路的碳纤维。
不象有机粘结胶加固体系中的碳纤维有一种特别的衬纸保护，而且，这个体系使用的碳纤维是从生产交叉纹路玻璃纤维的地方生产的。
与有机粘结胶体系相比，这种生产程序只能提供劣等排列的碳纤维。
另外，在操作时更容易损坏，因为只有较少的有机胶料保护碳纤维。
表2 试验结果汇总
梁的编号
荷载（kn）
挠度（mm）
最大变形
破坏模式
钢筋屈服
极限状态
钢筋屈服
极限状态
延性
混凝土
碳纤维
oc
45.06
63.61
10.77
88.90
8.25
0.00145
—
适筋破坏
ic
57.83
74.51
11.00
93.98
8.55
0.00182
—
适筋破坏
os
67.30
99.64
12.27
28.19
2.30
0.00129
0.00693
剥离破坏
is1
73.40
80.51
12.95
20.14
1.55
0.00075
0.00553
碳纤维破裂
is2
75.62
91.90
12.90
23.32
1.81
0.00131
0.00581
碳纤维破裂
is3
84.52
110.09
13.97
24.05
1.72
0.00142
0.00641
碳纤维破裂
据作者的所知，这是第一次无机粘结胶加固体系的使用。
经过特别预先处理进一步提纯的碳纤维一定能提高其性能。
破坏模式和裂缝特征
sherbrooke大学的试验和这次试验中的基准梁（设计编号分别为oc和ic）都是标准的适筋梁破坏：
钢筋先屈服，然后混凝土被压碎。
ic梁比oc梁有更高的开裂刚度、屈服荷载和极限荷载。
两根梁的荷载—挠度关系见图2。
图2基准梁的荷载—挠度曲线
sherbrooke大学试验中的加固梁编号为os，这次试验中的加固梁编号为is1，is2，is3。
os梁是碳纤维片材的剥离破坏，而is1，is2，is3梁是碳纤维的破裂破坏。
这是一个重要的结论，因为聚合物板材的破裂在文献中几乎没有报道，而片材的分层破坏已经有比较普遍的报道了。
已经有了论述的是：
os梁的裂缝特征是它的裂缝间距比基准梁的要小，而且裂缝分两个阶段开展。
在第一阶段出现的是垂直的受弯裂缝，而在钢筋屈服后的第二阶段出现的是斜裂缝；并且斜裂缝延伸不及梁高的1/6。
为了作裂缝特征的对比，采用了ritchieetal（1991）的结果。
因为梁的跨度、高度和配筋量是相同的，并且ritchieetal提供了更加详细的描述。
使用的粘结胶是一种橡胶粘性的环氧树脂。
典型的ritchieetal（1991）的裂缝特征见图3。
对两根基准梁，裂缝特征是典型的适筋梁破坏，见图3。
基准梁底部ritchieetal（1991）有21条裂缝，见图3（a），而这次研究的ic梁底部有19条裂缝,见图3（c）。
加固后的os梁底部有52条裂缝,见图3（b）；而is3梁底部仅仅有25条裂缝，见图3（d）。
因此，裂缝数量的增加对有机粘结胶加固体系和无机粘结胶加固体系分别为148%和32%。
裂缝的这些参数表明，有机粘结胶体系比无机粘结胶体系产生了更多的裂缝。
作者认为，这是因为无机粘结胶在裂缝的位置没有足够的粘性保持碳纤维和混凝土的粘结，抑制了应力向邻近的混凝土传递，而这一点是产生更多裂缝的必要条件。
另外，混凝土中的裂缝贯穿了碳纤维聚合物，这又促使应力向碳纤维传递。
相比而言，粘性的有机粘结胶能保持碳纤维和混凝土在每条裂缝附近的粘结，致使应力向邻近的混凝土传递，这样就产生了更多的裂缝。
图3极限荷载时裂缝的比较：
（a）有机粘结胶基准梁（ritchieetal1991）；（b）有机粘结胶加固梁（ritchieetal1991）；
（c）无机粘结胶基准梁（ic）；（d）无机粘结胶加固梁（is3）。
延性和荷载—挠度关系
有机粘结胶加固梁的荷载—挠度曲线见图4。
正如所料，增加碳纤维面积导致了开裂刚度、屈服刚度和极限荷载的提高。
为了和以前研究的荷载—挠度曲线作比较，并考虑到基准梁的差异，将荷载—挠度曲线作标准化。
标准化即是将ic、is1、is2、is3梁的荷载乘以一个系数：
oc梁的屈服荷载/ic梁的屈服荷载
大量的挠度点进行了调整以保证曲线的连续。
所有梁的标准化荷载—挠度曲线见图5。
从图5中可以看出，无机粘结胶加固的梁和有机粘结胶加固的梁的荷载—挠度曲线的特征相似。
用大致相同的碳纤维面积加固的is3梁和os梁具有相当的强度、刚度和延性。
图4有机粘结胶加固梁的荷载挠度曲线图5所有梁的标准化荷载挠度曲线
对有机粘结胶加固体系和无机粘结胶加固体系，加固梁与基准梁相比，延性都有降低。
对前者，挠度延性从8.25减到2.30；对后者，挠度延性从8.55减到1.55和1.81之间。
比较用相同碳纤维面积加固的is3梁和os梁，is3梁的延性仅有os梁的75%。
承载力提高的比较
承载力的提高通过加固梁和基准梁最大弯矩的差值来量化。
为了考虑碳纤维用量的差异，用单位碳纤维面积上弯矩的增加来计算，如下方程：
单位碳纤维面积上弯矩的增加=△m/acar
（1）
其中△m表示相对基准梁弯矩的增加（kn-m）；acar表示碳纤维的面积（m2）。
表3承载力提高的比较
梁的编号
极限弯矩（kn-m）
弯矩的增加（kn-m）
单位碳纤维面积上
弯矩的增加
oc
31.805
—
—
ic
37.255
—
—
os
49.820
18.015
218.2
is1
40.225
3.000
105.4
is2
45.950
8.695
203.9
is3
55.045
17.790
250.2
承载力提高的比较见表3。
对这些结果进行仔细观察得到下面的结论：
l无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系提供了相当的加固效果。
单位碳纤维面积上弯矩的增加，is2梁和os梁非常接近，is3梁比os梁高，而is1梁比os梁低。
l无机粘结胶加固体系，单位碳纤维面积上弯矩的增加随着碳纤维面积的增加而增加，这意味着使用更厚的碳纤维板将达到更佳的加固效率。
在以前，这种趋势还没有被观察到，这一定程度上是因为加固面积引起的效率问题还没有被系统的研究。
刚度提高的比较
每根梁在开裂阶段和屈服阶段的抗弯刚度（ei）都用下式计算：
（2）
其中p=总荷载（kn），等于两点荷载的和；
△=跨中挠度（m），用荷载p和跨度（m）表示。
方程
（2）是基于所有的材料是弹性，并且ei是常量的假设。
由于挠度随位置的改变而改变，抗弯刚度应该考虑为有效刚度的平均值。
对于开裂刚度，先在荷载—挠度曲线上找出开裂点和屈服点，然后在它们之间拟合一条二次退化曲线，这样来确定（p/△）项。
对于屈服刚度，先在荷载—挠度曲线上的屈服段找出直线部分，然后在这些点之间拟合一条最佳的曲线，这样来确定（p/△）项。
刚度的提高通过加固梁的抗弯刚度减去基准梁的抗弯刚度来量化。
与承载力的提高一样，考虑碳纤维面积的影响，用单位碳纤维面积上刚度的增加来计算：
单位碳纤维面积上刚度的增加=△ei/acar（3）
其中△ei表示相对基准梁刚度的增加（kn-m2）；
acar表示碳纤维的面积（m2）。
刚度提高的比较见表4。
表4 刚度提高的比较
梁的编号
开裂阶段
屈服阶段
抗弯刚度（kn-m2）
抗弯刚度的增加（kn-m2）
单位碳纤维面积抗弯刚度的增加
抗弯刚度（kn-m2）
抗弯刚度的增加（kn-m2）
单位碳纤维面积抗弯刚度的增加
oc
2310
—
—
276
—
—
ic
3544
—
—
261
—
—
os
3889
1579
19121
2015
1739
21058
is1
3972
428
15044
1093
832
29244
is2
4379
835
19578
1449
1188
27855
is3
4864
1320
18565
2322
2061
28987
对这些结果进行仔细观察得到下面的结论：
lis梁和os梁开裂刚度的增加相当。
在单位碳纤维面积上开裂刚度的增加，无机粘结胶加固的3根梁中有1根梁的比os梁大，但是，所有的差异都非常小。
l至于单位碳纤维面积上屈服刚度的增加，is梁都比os梁的大。
这一点特别有意义，因为无机粘结胶聚合物本身的刚度比有机粘结胶聚合物小。
无机粘结胶聚合物只有200gpa的拉伸模量（foden1999），而有机粘结胶聚合物有240gpa的拉伸模量（厂家提供的资料，作者注）。
有机粘结胶加固梁屈服刚度较小可以这样解释，在高变形下混凝土和粘结胶之间有较软的交接面。
这一点可以由os梁的挠度—荷载曲线比is梁的更具有非线性而得到进一步的证实。
应力和应变的比较
试验中，梁os、is1、is2和is3的碳纤维的极限应变分别为0.00693、0.00553、0.00581和0.00641。
假定os梁中聚合物的拉伸模量为240gpa（forca1996，作者注），is梁中聚合物的拉伸模量为200gpa（foden1996）。
碳纤维的极限应力计算见表5。
在此，os梁在碳纤维应力大约为1663mpa时发生剥离破坏；而is梁在碳纤维平均应力大约为1184mpa时发生破裂破坏。
注意到下面这一点：
在无机粘结胶加固体系中，当粘结胶出现裂缝时关键的应力出现在碳纤维中，而在无机粘结胶加固体系中，碳纤维板和粘结胶像一块聚合物板一样工作；这是因为粘性的有机粘结胶有比无机粘结胶更高的变形能力。
表5 碳纤维和交接面中最大的应力
梁的编号
碳纤维
交接面
极限应力（mpa）
承载力提高百分比（%）
极限荷载（kn）
极限平均剪应力（mpa）
os
1663
39
137.33
867.2*
is1
1107*
79
31.49
217.5
is2
1161*
83
49.52
342.0
is3
1283*
92
91.22
630.1
注：
*表示破坏
表5计算出了在极限荷载时碳纤维和混凝土交接面上的平均剪应力。
计算方法是用碳纤维承受的最大力除以剪跨范围内的粘结面积。
根据这个计算，os梁中平均极限剪应力为867mpa。
作为比较，ritchieetal（1991）推测平均极限剪应力在758mpa和827mpa之间。
但是，is梁的平均极限剪应力却不能估计出，因为碳纤维没有发生剥离破坏。
然而，is3梁承受了630mpa的平均剪应力还没有发生分层破坏，意味着平均极限剪应力至少为630mpa。
对于给出的力学性能的差异，无机粘结胶的平均极限剪应力至少是有机粘结胶的70%这一点非常有意义。
无机粘结胶的剪力承载力足够使碳纤维破裂这一点也很重要。
其它的结果
所有的is梁都是因为碳纤维的破裂而失效。
从is3梁上剥下的碳纤维片材的图片见图6。
多数的碳纤维片材都粘有混凝土碎片。
在恒弯区段，碳纤维片材不能被剥下。
图6无机粘结胶体系—碳纤维破裂图7有机粘结胶体系—碳纤维剥离
作为比较，图7显示了用一种粘性的环氧树脂和碳纤维加固钢筋混凝土梁时碳纤维发生剥离破坏的情况（作者在一个相关研究中做的试验）。
这个加固体系与os梁很相似，都包括环氧树脂找平层、环氧树脂粘结胶和碳纤维片材。
其中的碳纤维和sherbrooke大学试验用的一样；环氧树脂也一样，变形能力为2.0%，拉伸强度为45mpa，拉伸模量为3gpa。
图6中的剥离是断断续续，而图7中是连续均匀的。
图7中，粘在粘结胶上的砂粒也具有一致的现象，没有
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