复合材料加固混凝土结构耐久性研究
发布日期：2013-07-22 15:12:50 浏览量：1393
任何环境都有一定的腐蚀性，腐蚀会导致自然资源的损耗，社会财富的浪费，甚至危及人类生命安全。根据美国国会委托美国国家标准局的调查结果，1975年美国腐蚀和防腐蚀费用为700亿美元[1]。国外调查结果估计，在有色金属、化工、造纸等部门，由于环境中侵蚀介质引起的破损占工业建筑固定资产值的10％以上[2]。国内有关调查表明，20~70％的构筑物受到腐蚀侵害，经济损失占国民收入的1．25％，我国每年因腐蚀造成经济损失至少达200亿元[3]。由此可以看出腐蚀引起耐久性问题的严重性。
新建土木工程，尤其是混凝土结构的耐久性，在近几年已经引起了人们的高度重视[4]。另一方面， 改造和加固工程在建筑业中的地位越来越重要。上个世纪末兴起的外贴FRP加固方法，由于材料本身线膨胀系数与混凝土接近、轻质高强、施工方便、对原结构影响小和造价较低等诸多优点，大有逐步取代传统的加大截面法、外包钢套法以及粘刚法等的趋势。但是，在采用这种新颖的加固方法的同时，必须注意这种加固方法本身也存在耐久性问题。值得指出，在复合材料加固混凝土结构耐久性问题中主要包括复合材料基体(树脂)、复合材料增强纤维(如玻璃纤维和碳纤维)以及混凝土基层的耐久性。本文将尝试对复合材料加固混凝土结构的耐久性展开分析，并首先就复合材料自身的耐久性问题进行模酸碱腐蚀的耐久性试验研究。
2 复合材料加固混凝土结构耐久性问题
2．1 腐蚀介质
考虑到复合材料加固混凝土工程所处环境的不同和复合材料本身的特点，一般要考虑在潮湿(水)、
海水(盐水)、酸碱、高温、紫外线以及冻融循环等环境下的物理性能和力学性能的变化。曹双寅[4]建议的结构腐蚀大体分类见表1
表1 结构腐蚀分类
结构环境 腐蚀方式
恶劣气候 冻融剥蚀和干湿效应
海洋环境 海浪冲击、流水融蚀、化学腐蚀
地下结构 微生物的侵化剥蚀
混凝土本身的碱性 骨料作用、大气碳化作用
方坦纳和格林[1]提出如图1所示的腐蚀模型，A为全溶于水的酸液，B为受腐物形成表面保护模浸析模型。从表1中可以看出，介质浓度过高，由于电离程度减小，腐蚀率反而下降。Uhlig[5]介绍了如图2所示的不同介质腐蚀率与时间的关系曲线，介质由下至上依次是：1—PH值为4的酸，2—PH值为7的水，3—PH值为2的酸，4—PH值为1的酸，5—5％硫酸，6—3％硫酸。从图2中可以看出。不同的介质在经历相同的时间后，腐蚀程度是不同的。相比较而言，3％硫酸介质的腐蚀速率最大。
图1 腐蚀率—介质浓度模型
图2 不同介质腐蚀率—时间关系
2．2 耐久性问题
目前应用于加固混凝土结构的纤维主要有玻璃纤维，碳纤维和复合纤维等。玻璃纤维主要包括E玻璃纤维(电绝缘性)、C玻璃纤维(耐化学腐蚀性)、S或N玻璃纤维(高强度)、M玻璃纤维(高模量)和AR玻璃纤维(耐碱玻璃)。虽然这些纤维能够在表面形成SiO2保护膜，但仍普遍溶解于热酸液和HF中，故仍存在耐久性问题[8]。而粘结性树脂是上个世纪50年代研制成功的，目前主要品种有环氧树脂、不饱和聚酯树脂(UP)、酚醛树脂、聚氨酯树脂及其它热固性和热塑性树脂。有机高分子化合物结合键的不稳定性使得它在不同环境条件下的老化和劣化成为必然。艾红军和赵永康[6]的研究表明，结构性树脂在4~60℃情况下，性能比较稳定，通过适当填加无机填料可以改善其耐久性能。蔡光汀和陈君球[7]通过试验证明，在饱和Ca(OH)2溶液中浸泡2年，结构树脂的抗压强度下降了36.5％；在水中浸泡2.5年，树脂的抗压强度下降了37.4％；通过红外线谱测试方法，发现胶体中的环氧键、C—H键和酰胺键都比较稳定；而C—H、C—O键区的变化很大，官能团中的C—H、C—O键区也有变化。在骨架中，C—H健断裂主要影响结构胶与基体粘结
H H H
C—O—H或 —C—C—C一
H H H
界面的粘结力；C—O键断裂则使大分子网状结构分子变小，树脂强度降低。由以上分析可以看出，复合材料加固混凝土结构的耐久性问题是由复合材料自身的特点和性质决定的，必须引起重视。
李永德和朱明[2]通过冻融循环、湿热老化及水浸老化的试验研究，对比了有、无掺加增韧剂对基体材料耐久性的影响，发现这三种老化方式对树脂的拉伸强度影响很小，特别是在经历了冻融循环后，拉伸强度反而提高了。这主要是因为高温能够进一步促进固化反应的进行，提高了固化物的拉伸强度和模量。从剪切强度老化性能来看，掺加增韧剂后的胶体经过老化后剪切强度的确有所降低，其中湿热老化和水浸老化的剪切强度均大致降低20％左右。不过从强度的绝对值上看，老化后的固化物剪切强度还是远远高于未加增韧剂的固化物。
国外在复合材料加固混凝土结构耐久性方面研究地较早。Kajorncheappunngam[9]等人研究了在四种不同腐蚀介质(纯水，30g／l00ml的NaCl溶液，5mol的NaOH溶液，Imol的盐酸)作用下，在室温及60℃存放一定时期后玻璃纤维增强树脂的耐久性。研究表明在高温和酸碱性介质作用下，树脂基体和复合材料的力学性能有很大衰减(室温下盐酸介质和60℃时NaOH介质，强度降低70％)，纯水情况下衰减幅度较小。Sen[10]等人将12根用芳纶纤维复合材料加固的混凝土梁放入两个海水箱中存放33个月，观察裂缝发展及力学指标的变化，结果表明。21个月后试件丧失了43-52％的承载力，海水的影响比温度更大。
Steckel等人[11]通过对3种E玻璃纤维增强复合材料系统和4种碳纤维增强复合材料系统在100％湿度、盐水、碱溶液、柴油、紫外线、高温(60-140℃)以及冻融循环的试验研究，得出了如下主要结论：大多数碳纤维增强复合材料在经过10000h的试验后，耐久性能良好。但是其中有一组碳纤维复合材料在耐潮湿性能试验中，加固短梁的抗剪承载能力降低50％以上，而且玻璃化温度随着湿气的吸收亦有明显降低。玻璃化温度的降低会导致复合材料抗拉强度在50%时就大幅度地降低。E玻璃纤维增强复合材料系统暴露于潮湿环境时，更容易导致抗拉强度和极限应变的衰减。对大多数此类复合材料和环境而言，在经历10000h后，这种衰减会小于20％。同时也发现有一组E玻璃纤维增强复合系统在100％湿度和38℃温度环境中，10000h后的抗拉强度损失达35％。但在盐水和PH=9.5的碱性溶液中，E玻璃纤维增强复合材料系统的耐久性能无明显降低。可喜的是，无论是碳纤维还是玻璃纤维增强系统在经过耐久性试验后，弹性模量没有明显地降低。
2．3 解决途径
2．3．1 材料方面
合理提高复合材料加固混凝土结构的耐久性，首要的工作是如何提高复合材料自身的耐久性。在研究耐环境腐蚀的纤维和结构树脂，如耐碱纤维、改性树脂等方面展开工作。由于基体与纤维的粘结性能取决于下列因素：①基体分子在纤维外表面的吸附；②基体官能团与纤维活性点及纤维官能团之间化学键的形成；③机械嵌入(即基体渗入纤维表面的坑或裂缝)。因此在制备复合材料时，纤维与基体间的粘结性能可以在浸渍工序之前，采用适当的纤维表面处理而得到改善。处理可以采用氧化(如在空气中的高温氧化(HTO)，用原子氧进行低温氧化(IJO)，在高锰酸钾、硝酸、双氧水等的水溶液中氧化以及阳极氧化)，也可采用非氧化(如抽丝和热解沉淀)法处理。纤维表面处理能提高复合材料的层间剪切强度。另外，可以采用适当掺加增韧剂(比如HT—T220增韧剂)来提高基体树脂的耐久性。
2．3．2 结构方面
一方面，应在大量加速试验的基础上，获取合理的力学性能折减设计参数；另一方面，在结构加固设计时，要有综合的设计概念，既要对需加固部位进行强度补强，也要充分顾及材料强度劣化和失效后的结构变形或破坏特点。相对混凝土而言，复合材料具有一定的腐蚀环境敏感性，结构设计要因环境不同而有所差异。
2．3．3 施工方面
施工的合理顺序和施工质量将是实现复合材料加固记凝土结构耐久性的重要保障。如基层混凝土要去脂和去除疏松层；有裂缝处必须适当凿去裂缝周围混凝土，用环氧胶填补；有垂直转角处必须做成大于20mm的圆角；底胶要饱满；固化前要进行检查，有空鼓处需灌胶补满；纤维布条一般搭接长度不小于150mm。复合纤维在施工过程中要注意保护，尤其是碳纤维，不能有刻痕和其他损伤；树脂的级配要严格，操作时间要恰当。施工后的良好养护也是影响复合材料加固混凝土结构耐久性的重要环节。另外，复合材料外要做耐久性覆盖层，包括防水、防腐蚀和防火覆盖层等。
2．3．4 维修管理方面
如同新建混凝土结构一样，复合材料加固混凝土结构耐久性也与维修管理密切相关。定期的维修，如油漆、粉刷、覆盖层裂缝封闭、防火涂料等可以有效地延长加固寿命。定期的检测是必要的，可采用激振器[8]来判断粘结的缺陷情况，测试装装置示意如图3所示。
文章来源： 永年加固公司 本文链接: http://www.lubanwang.com/a_20130722151309.html 任何关于加固工程的问题和建议，敬请咨询：0591-87868646
新建土木工程，尤其是混凝土结构的耐久性，在近几年已经引起了人们的高度重视[4]。另一方面， 改造和加固工程在建筑业中的地位越来越重要。上个世纪末兴起的外贴FRP加固方法，由于材料本身线膨胀系数与混凝土接近、轻质高强、施工方便、对原结构影响小和造价较低等诸多优点，大有逐步取代传统的加大截面法、外包钢套法以及粘刚法等的趋势。但是，在采用这种新颖的加固方法的同时，必须注意这种加固方法本身也存在耐久性问题。值得指出，在复合材料加固混凝土结构耐久性问题中主要包括复合材料基体(树脂)、复合材料增强纤维(如玻璃纤维和碳纤维)以及混凝土基层的耐久性。本文将尝试对复合材料加固混凝土结构的耐久性展开分析，并首先就复合材料自身的耐久性问题进行模酸碱腐蚀的耐久性试验研究。
2 复合材料加固混凝土结构耐久性问题
2．1 腐蚀介质
考虑到复合材料加固混凝土工程所处环境的不同和复合材料本身的特点，一般要考虑在潮湿(水)、
海水(盐水)、酸碱、高温、紫外线以及冻融循环等环境下的物理性能和力学性能的变化。曹双寅[4]建议的结构腐蚀大体分类见表1
表1 结构腐蚀分类
结构环境 腐蚀方式
恶劣气候 冻融剥蚀和干湿效应
海洋环境 海浪冲击、流水融蚀、化学腐蚀
地下结构 微生物的侵化剥蚀
混凝土本身的碱性 骨料作用、大气碳化作用
方坦纳和格林[1]提出如图1所示的腐蚀模型，A为全溶于水的酸液，B为受腐物形成表面保护模浸析模型。从表1中可以看出，介质浓度过高，由于电离程度减小，腐蚀率反而下降。Uhlig[5]介绍了如图2所示的不同介质腐蚀率与时间的关系曲线，介质由下至上依次是：1—PH值为4的酸，2—PH值为7的水，3—PH值为2的酸，4—PH值为1的酸，5—5％硫酸，6—3％硫酸。从图2中可以看出。不同的介质在经历相同的时间后，腐蚀程度是不同的。相比较而言，3％硫酸介质的腐蚀速率最大。
图1 腐蚀率—介质浓度模型
图2 不同介质腐蚀率—时间关系
2．2 耐久性问题
目前应用于加固混凝土结构的纤维主要有玻璃纤维，碳纤维和复合纤维等。玻璃纤维主要包括E玻璃纤维(电绝缘性)、C玻璃纤维(耐化学腐蚀性)、S或N玻璃纤维(高强度)、M玻璃纤维(高模量)和AR玻璃纤维(耐碱玻璃)。虽然这些纤维能够在表面形成SiO2保护膜，但仍普遍溶解于热酸液和HF中，故仍存在耐久性问题[8]。而粘结性树脂是上个世纪50年代研制成功的，目前主要品种有环氧树脂、不饱和聚酯树脂(UP)、酚醛树脂、聚氨酯树脂及其它热固性和热塑性树脂。有机高分子化合物结合键的不稳定性使得它在不同环境条件下的老化和劣化成为必然。艾红军和赵永康[6]的研究表明，结构性树脂在4~60℃情况下，性能比较稳定，通过适当填加无机填料可以改善其耐久性能。蔡光汀和陈君球[7]通过试验证明，在饱和Ca(OH)2溶液中浸泡2年，结构树脂的抗压强度下降了36.5％；在水中浸泡2.5年，树脂的抗压强度下降了37.4％；通过红外线谱测试方法，发现胶体中的环氧键、C—H键和酰胺键都比较稳定；而C—H、C—O键区的变化很大，官能团中的C—H、C—O键区也有变化。在骨架中，C—H健断裂主要影响结构胶与基体粘结
H H H
C—O—H或 —C—C—C一
H H H
界面的粘结力；C—O键断裂则使大分子网状结构分子变小，树脂强度降低。由以上分析可以看出，复合材料加固混凝土结构的耐久性问题是由复合材料自身的特点和性质决定的，必须引起重视。
李永德和朱明[2]通过冻融循环、湿热老化及水浸老化的试验研究，对比了有、无掺加增韧剂对基体材料耐久性的影响，发现这三种老化方式对树脂的拉伸强度影响很小，特别是在经历了冻融循环后，拉伸强度反而提高了。这主要是因为高温能够进一步促进固化反应的进行，提高了固化物的拉伸强度和模量。从剪切强度老化性能来看，掺加增韧剂后的胶体经过老化后剪切强度的确有所降低，其中湿热老化和水浸老化的剪切强度均大致降低20％左右。不过从强度的绝对值上看，老化后的固化物剪切强度还是远远高于未加增韧剂的固化物。
国外在复合材料加固混凝土结构耐久性方面研究地较早。Kajorncheappunngam[9]等人研究了在四种不同腐蚀介质(纯水，30g／l00ml的NaCl溶液，5mol的NaOH溶液，Imol的盐酸)作用下，在室温及60℃存放一定时期后玻璃纤维增强树脂的耐久性。研究表明在高温和酸碱性介质作用下，树脂基体和复合材料的力学性能有很大衰减(室温下盐酸介质和60℃时NaOH介质，强度降低70％)，纯水情况下衰减幅度较小。Sen[10]等人将12根用芳纶纤维复合材料加固的混凝土梁放入两个海水箱中存放33个月，观察裂缝发展及力学指标的变化，结果表明。21个月后试件丧失了43-52％的承载力，海水的影响比温度更大。
Steckel等人[11]通过对3种E玻璃纤维增强复合材料系统和4种碳纤维增强复合材料系统在100％湿度、盐水、碱溶液、柴油、紫外线、高温(60-140℃)以及冻融循环的试验研究，得出了如下主要结论：大多数碳纤维增强复合材料在经过10000h的试验后，耐久性能良好。但是其中有一组碳纤维复合材料在耐潮湿性能试验中，加固短梁的抗剪承载能力降低50％以上，而且玻璃化温度随着湿气的吸收亦有明显降低。玻璃化温度的降低会导致复合材料抗拉强度在50%时就大幅度地降低。E玻璃纤维增强复合材料系统暴露于潮湿环境时，更容易导致抗拉强度和极限应变的衰减。对大多数此类复合材料和环境而言，在经历10000h后，这种衰减会小于20％。同时也发现有一组E玻璃纤维增强复合系统在100％湿度和38℃温度环境中，10000h后的抗拉强度损失达35％。但在盐水和PH=9.5的碱性溶液中，E玻璃纤维增强复合材料系统的耐久性能无明显降低。可喜的是，无论是碳纤维还是玻璃纤维增强系统在经过耐久性试验后，弹性模量没有明显地降低。
2．3 解决途径
2．3．1 材料方面
合理提高复合材料加固混凝土结构的耐久性，首要的工作是如何提高复合材料自身的耐久性。在研究耐环境腐蚀的纤维和结构树脂，如耐碱纤维、改性树脂等方面展开工作。由于基体与纤维的粘结性能取决于下列因素：①基体分子在纤维外表面的吸附；②基体官能团与纤维活性点及纤维官能团之间化学键的形成；③机械嵌入(即基体渗入纤维表面的坑或裂缝)。因此在制备复合材料时，纤维与基体间的粘结性能可以在浸渍工序之前，采用适当的纤维表面处理而得到改善。处理可以采用氧化(如在空气中的高温氧化(HTO)，用原子氧进行低温氧化(IJO)，在高锰酸钾、硝酸、双氧水等的水溶液中氧化以及阳极氧化)，也可采用非氧化(如抽丝和热解沉淀)法处理。纤维表面处理能提高复合材料的层间剪切强度。另外，可以采用适当掺加增韧剂(比如HT—T220增韧剂)来提高基体树脂的耐久性。
2．3．2 结构方面
一方面，应在大量加速试验的基础上，获取合理的力学性能折减设计参数；另一方面，在结构加固设计时，要有综合的设计概念，既要对需加固部位进行强度补强，也要充分顾及材料强度劣化和失效后的结构变形或破坏特点。相对混凝土而言，复合材料具有一定的腐蚀环境敏感性，结构设计要因环境不同而有所差异。
2．3．3 施工方面
施工的合理顺序和施工质量将是实现复合材料加固记凝土结构耐久性的重要保障。如基层混凝土要去脂和去除疏松层；有裂缝处必须适当凿去裂缝周围混凝土，用环氧胶填补；有垂直转角处必须做成大于20mm的圆角；底胶要饱满；固化前要进行检查，有空鼓处需灌胶补满；纤维布条一般搭接长度不小于150mm。复合纤维在施工过程中要注意保护，尤其是碳纤维，不能有刻痕和其他损伤；树脂的级配要严格，操作时间要恰当。施工后的良好养护也是影响复合材料加固混凝土结构耐久性的重要环节。另外，复合材料外要做耐久性覆盖层，包括防水、防腐蚀和防火覆盖层等。
2．3．4 维修管理方面
如同新建混凝土结构一样，复合材料加固混凝土结构耐久性也与维修管理密切相关。定期的维修，如油漆、粉刷、覆盖层裂缝封闭、防火涂料等可以有效地延长加固寿命。定期的检测是必要的，可采用激振器[8]来判断粘结的缺陷情况，测试装装置示意如图3所示。
文章来源： 永年加固公司 本文链接: http://www.lubanwang.com/a_20130722151309.html 任何关于加固工程的问题和建议，敬请咨询：0591-87868646
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