碳纤维复合材料补强（通用6篇）
碳纤维复合材料补强 篇1
社会经济的持续健康增长, 人们生活水平的逐渐提升, 城市化建设进程不断加快, 为人们日常生活提供稳定、可靠的燃气, 是现阶段的一项重要工作。燃气管道在长期的使用过程中, 容易出现各种各样的问题, 尤其是燃气管道出现交叉施工的机械损伤或者有腐蚀缺陷问题存在的时候, 需要积极采用有效地应对策略。
1 碳纤维复合材料补强技术的相关情况
1.1 碳纤维复合材料补强技术的修复原理
碳纤维复合材料补强技术, 主要是积极应用碳纤维材料, 提升碳纤维的高强度特性, 使用粘结树脂, 在燃气管道的外部, 设置相应的复合材料修复管道层, 增强燃气缺陷管道的抗应力抗腐蚀性, 并且恢复缺陷点到原有的使用工况甚至达到超出原服役极限的能力。碳纤维复合材料补强技术之中, 需要使用树脂基碳纤维复合材料、专用修补剂, 并且设置出相应的外保护层, 提升燃气管道的实际使用效果。通常情况下, 在开展使用碳纤维复合材料补强技术的时候, 首先需要将管道本身存在的缺陷进行填平处理工作, 使用的主要材料是填平树脂;其次, 还需要使用手糊成型的技术, 把碳纤维片材和环氧树脂进行粘结, 粘结过程中需要注意的是, 开展交互铺层工作, 这样逐渐形成纤维复合材料的补强层[1]。
1.2 碳纤维复合材料补强技术的具体应用优势
碳纤维复合材料补强技术在实际应用过程中, 表现出较多的优势和作用, 主要体现在: (1) 不需要进行焊接, 减少了相应的风险; (2) 施工材料十分的简单、快捷, 具体开展操作工作的时间较短, 并且在施工过程中能起到良好的实际效果; (3) 碳纤维本身的弹性模量较高, 能承载到较高的压力, 并且减少管道膨胀变形情况的出现; (4) 碳纤维复合材料具有良好的抗蠕变性能, 能保证和提升管道使用的强度, 并且有效减少变形问题的出现[2]。
2 碳纤维复合材料补强技术在燃气管道中的实际应用情况
碳纤维复合材料补强技术具有较强的优势和作用, 能够在很大程度上提升燃气管道的实际使用效果, 减少燃气管道出现缺陷问题, 影响到人们生活中的正常使用情况, 同时还能有效降低燃气管道的应用风险。
2.1 碳纤维复合材料补强技术应用的具体步骤
碳纤维复合材料补强技术在对燃气管道进行补强和修复工作的过程中, 需要按照以下程序进行:第一, 针对燃气管道的表面进行有效处理, 这个环节之中使用到一些手工打磨、喷砂除锈的方式, 或者使用机械进行除锈处理, 直到燃气管道的表面达到St3的标准之后, 该环节完成。在此基础上还需要积极使用一些专门的修补剂进行修补工作, 保证燃气管道的一些缺陷处能够被填平, 待到其出现固化效果的时候, 开展下一阶段的工作。第二, 需要积极使用到湿铺工艺, 将碳纤维的复合材料进行有效铺设, 保证这些纤维复合材料能够和燃气管道进行融合。第三, 还需要针对已经做好相应补强处理工作的燃气管道采用一定的防护手段, 主要是使用一些聚乙烯的胶粘带进行保护, 同时还能涂刷一些抗老化的防腐涂料进行保护。第四, 待燃气管道的全部修复工作完成之后, 再对其实施土壤回填复原工作, 使其保持良好的使用效果。
2.2 碳纤维复合材料补强技术应用在燃气管道抢修工作中的实际案例
某市南部新区道路的燃气管道出现了缺陷问题, 需要对其进行充分地修补, 采用修复补强技术。该燃气管道出现缺陷的情况, 主要是因为燃气管道在长期的运营之中, 道路路面一直在进行高程调整, 但是道路工程在实际施工过程中并没有和相关燃气管理部门进行交流和沟通, 没有及时调整燃气管道的使用情况, 导致燃气管道和道路路面之间的距离不足0.5m, 并且损伤了一部分的燃气管道, 主要表现为机械损伤凹陷情况, 针对这种情况, 需要及时进行调整和补强工作, 采用的施工方案是针对燃气管道增加相应的混凝土盖板, 保障其运行安全, 在对燃气管道施加相应混凝土盖板的过程中, 同时还需要针对机械损伤凹陷的部位进行修复。在这种缺陷问题发生之后, 需要积极使用碳纤维复合材料补强技术, 提升抢修效果。使用碳纤维复合材料补强技术抢修燃气管道的过程中, 主要是按照了上述的具体实施步骤进行的, 需要注意的是, 在抢修工作进行当中, 需要针对实际的燃气管道进行全面分析和控制, 尽可能的选用合适的力度分配方法, 提升燃气管道的强度。
3 结束语
碳纤维复合材料补强技术积极发挥了先进技术的应用优势, 具有较多的优势特点, 能够在较短时间内提升燃气管道的实际使用效果。针对燃气管道的缺陷问题进行全面分析, 积极使用碳纤维复合材料补强技术, 保障人们应用燃气管道的安全性和可靠性。碳纤维复合材料补强技术在燃气管道上的应用, 能够在很大程度上有效改进和弥补燃气管道出现的一些缺陷问题, 降低燃气管道的应用风险。
参考文献
[1]吴艳, 袁宗明, 刘畅, 等.碳纤维复合材料修补缺陷管道的应用进展[J].管道技术与设备, 2011.
[2]肖治国, 张敬安, 郑辉, 等.碳纤维复合材料补强技术在海管高危段修复中的应用[J].全面腐蚀控制, 2013.
碳纤维复合材料补强 篇2
自密实补强材料具有自行流动、自行密实、早强等普通混凝土无法比拟的性能,使其在水利、工民建等混凝土工程的维修加固领域的优势非常明显,并得到广泛应用。但是,由于自密实材料高胶凝材料、高流动性等特征,不仅存在备受关注的自收缩问题,还普遍存在早期开裂问题。甚至,塑性开裂时间比常规混凝土还要早[1]。试验表明,通过掺入纤维的方式,材料的早期开裂现象可以得到很好地抑制,从而提高了材料的耐久性,保证了修补结构的质量。
作为补强材料,补强材料和旧结构的黏结强度也是很重要的一项性能。本文对掺入不同类型、不同长度、不同掺量纤维后的材料和旧混凝土的黏结强度进行了研究。
1 试验概况
1.1 原材料
水:生活用水;
水泥:普通硅酸盐42.5水泥;
砂:级配良好的石英砂,细度模数2.90;
矿物掺合料:硅粉;
外加剂:减水剂等;
纤维:PP纤维、PVA纤维。PP纤维长度为:3、6、10、12 mm;PVA纤维长度为:6 mm。
1.2 纤维自密实水泥基补强材料配合比
材料基准配合比中各原材料比例见表1,基准配合比为纤维自密实水泥基补强材料配合比去除纤维后的配合比。
基体材料为不含纤维的自密实水泥基补强材料。
在此配合比基础上,选择纤维掺量0.3、0.5、0.7、0.9 kg/m3进行了工作性能试验。通过试验发现,纤维掺量为0.9 kg/m3时,PVA纤维和各种长度的PP纤维对工作性能的影响较严重,已不能满足流动性要求。硅粉掺量(水泥质量百分比)大于1%时,严重影响拌合物的流动性。所以,本文选择硅粉掺量为1%,纤维掺量为0.3、0.5、0.7 kg/m3进行黏结试验。
1.3 试验方法
试验采用纤维自密实补强材料与混凝土圆孔壁的黏结抗剪,首先浇注150 mm×150 mm×150 mm的C50混凝土试件,浇注时试件中心预埋外径Ф50 mm的PVC管,待混凝土初凝后,转动PVC管以便于拆模,标养28 d后,拆除PVC管,向孔内灌入自密实补强材料,掺入不同长度、不同类型纤维的自密实补强材料按选择的试验掺量分别成型,基准材料按掺入硅粉和不掺硅粉分别成型,研究硅粉对黏结抗剪强度的影响。对成型试件按3个龄期分组,龄期分别为1 d、3 d和28 d,每组3个试件。全部试件完成后,至试验龄期,对孔内的补强材料施加竖向力,将补强材料顶出,求出黏结面上的抗剪强度。试验模型如图1所示,抗剪强度计算公式为:
式中:τ为自密实补强材料与孔壁的黏结抗剪强度;N为施加给砂浆的轴向力;S为补强材料与孔壁的接触面积。
2 试验结果及分析
黏结抗剪强度试验结果见表2。
2.1 硅粉对黏结抗剪强度的影响
硅粉和黏结抗剪强度的关系见图3。
由图3可以看出,加入硅粉后不同龄期黏结抗剪强度均高于不掺硅粉材料的黏结抗剪强度,1、3、28 d提高幅度分别为:28%、35%、27%。
掺入一定量的硅粉后,补强材料的黏结抗剪强度与不掺硅粉的补强材料相比有明显改善。原因主要有:
(1)硅粉的颗粒非常细,通常要小于水泥颗粒直径100倍。那么硅粉填充于水泥浆体的孔隙间,其效果如同水泥颗粒填充于骨料空隙之间一样,从微观尺度上增加了混凝土的密实度,提高了混凝土的强度,这就是硅粉的“填充效应”[2]。
水泥浆与骨料界面过渡区的硅粉,降低了砂浆或混凝土的泌水,防止水分在骨料下面聚集,使骨料界面过渡区与水泥净浆结构相似,从而提高了界面过渡区的密实度,有效减小了界面过渡区的厚度。
(2)在硅酸盐水泥水化过程中,水泥水化反应生成水化硅酸钙凝胶(C-S-H)、氢氧化钙(C-H)和钙矾石等水化产物。其中C-H对强度有不利影响。硅粉高度分散的SiO2组分能与C-H反应生成C-S-H凝胶,即火山灰效应[3]:
Ca(OH)2+SiO2+H2O→C-S-H (2)
硅粉接触拌合水后首先形成富硅的凝胶,并吸收水分;凝胶在未水化水泥颗粒之间聚集,逐渐包裹水泥颗粒;C-H与该富硅凝胶的表面反应产生C-S-H凝胶,这些来源于硅粉和C-H的C-S-H凝胶多生成于水泥水化的C-S-H凝胶孔隙之中,大大提高了结构密实度。同时,硅粉与C-H反应,C-H不断被消耗会加快水泥的水化速率,提高砂浆或混凝土的早期强度。
2.2 纤维对黏结抗剪强度的影响
纤维对黏结抗剪强度的影响见图4至图6。
由图4至图6可以看出,长度为3 mm和6 mm的PP纤维,随着纤维掺量的变化黏结抗剪强度无明显规律。加入长度为3 mm和6 mm的PP纤维后,其各龄期的黏结抗剪强度相比基体材料均有所下降, 3 mm PP纤维下降幅度比6 mm PP纤维要大。长度为3 mm的PP纤维掺量为0.5 kg/m3和0.7 kg/m3时,28 d黏结抗剪强度比基体材料分别下降了12.6%和2.6%。长度为6 mm的PP纤维掺量为0.5 kg/m3和0.7 kg/m3时,28 d黏结抗剪强度比基体材料分别下降了4.2%和1.8%。
由图4至图6可以看出,掺入长度为10 mm和12 mm的PP纤维后,与基体材料相比黏结抗剪强度并没有降低,总体上高于基体材料的黏结抗剪强度。长度为10 mm的PP纤维掺量为0.5 kg/m3和0.7 kg/m3时,28d黏结抗剪强度比基体材料分别提高了3.0%和8.2%。长度为12 mm的PP纤维掺量为0.5 kg/m3和0.7 kg/m3时,28d黏结抗剪强度比基体材料分别提高了3.2%和10.8%。
2.3 纤维类型对黏结抗剪强度的影响
纤维类型对黏结抗剪强度的影响见图7至图9。
由图7至图9可以看出,掺入PVA纤维后材料的黏结抗剪强度比掺入PP纤维的材料总体上有增大的趋势。掺量为0.3 kg/m3时,PVA纤维、PP纤维自密实补强材料的黏结抗剪强度基本上一致;掺量0.5 kg/m3和0.7 kg/m3时,PVA纤维自密实补强材料28 d黏结抗剪强度比PP纤维自密实补强材料提高了6.3%和10.0%。
由于要保证自密实补强材料的工作性,本次试验的纤维掺量范围较小,另外,纤维长度单一(6 mm),所以,纤维类型对黏结抗剪强度的影响有待进一步研究。
3 结 论
(1)纤维掺量为0.7 kg/m3时,拌合物可以满足工作性要求。大于0.7 kg/m3时,纤维的加入严重影响拌合物的工作性。
(2)硅粉掺量(水泥质量百分比)为1%时,既可以满足拌合物流动性,又有利于提高材料的黏结抗剪强度。加入掺量为1%的硅粉后不同龄期黏结抗剪强度均高于无硅粉的材料,1 d、3 d、28 d提高幅度分别为:28%、35%、27%。
(3)满足自密实补强材料流动性要求的掺量下,掺入长度为10 mm和12 mm的PP纤维有利于自密实补强材料的黏结抗剪强度。3 mm和6 mm的PP纤维降低材料的黏结抗剪强度。
(4)相同掺量、相同长度条件下,掺入PVA纤维后材料的黏结抗剪强度高于PP纤维。
摘要：研究了纤维长度、纤维掺量、纤维类型及硅粉对自密实水泥基补强材料黏结抗剪强度的影响。试验用纤维为:PP纤维和PVA纤维。PP纤维长度分别为:3、6、10、12mm。PVA纤维长度为6mm。纤维掺量为0.3、0.5、0.7kg/m3。试验结果表明:掺入3mm和6mm的PP纤维后,与基体材料相比黏结抗剪强度呈降低趋势。掺入10mm和12mm PP纤维后,与基体材料相比黏结抗剪强度呈增强趋势,掺入0.7kg/m3的长度为3mm和6mm的PP纤维后,28d黏结抗剪强度与基体材料相比,分别提高了8.2%和10.8%。相同长度、相同掺量时,掺入PVA纤维后,材料的黏结抗剪强度高于PP纤维。掺入硅粉可以提高补强材料的黏结抗剪强度,1、3、28d提高幅度分别为:28%、35%、27%。
关键词：PP纤维,PVA纤维,硅粉,自密实,黏结抗剪强度
参考文献
[1]Salah A.Altoubat and David A.Lange,Creep.Shrinkage,andCracking of Restrained Concrete at Early Age[J].ACI MaterialsJournal,2001,98(4):323-331.
[2]蒲心诚,严吴南,王冲.硅微粉对150MPa超高强流态混凝土的强度及流动性贡献[J].混凝土与水泥制品,2000,(1):12-15.
碳纤维混凝土结构加固补强的应用 篇3
广州市某商住楼项目工程, 建筑物由2栋地上二十层、地下一层, 1栋地上十八层、地下一层的高层住宅楼组成。总建筑面积为49490㎡。该工程主体结构形式为钢筋混凝土框架-剪力墙, 混凝土强度等级为C25~C45。
经建设工程检测中心对该工程部分板构件的板面钢筋保护层厚度实测, 60个点中有51个超出规定允许偏差范围1.5倍, 其中E2栋第十层、十一层、十三层、十四层、十七层部分板构件被评定为不合格。设计院认真核对了检测报告中的构件, 并进行计算复核, 最后要求对上述构件应作板面粘贴碳纤维布的补强处理。
通过采用碳纤维补强工程, 并一次性通过了验收, 合格率达100%, 优良率达90%以上。完工后的检测数据显示:碳纤维布抗拉强度标准值为4257MPa, 大于标准值3400MPa。补强后, 楼板的强度能满足安全和使用功能的要求, 碳纤维技术的性能优良, 质量效果明显。
2 碳纤维材料在混凝土结构加固中的技术特点
高强高效。由于碳纤维材料优异的物理力学性能, 在加固修补混凝土结构中可以提高混凝土结构及构件的承载力和延性, 改善其受力性能, 达到高效加固修补的目的。
施工便捷, 工效高, 无湿作业, 不需大型施工机具, 施工占用场地少。根据有关统计资料, 同为粘贴加固工法, 粘贴碳纤维材料是粘贴钢板施工工效的4~8倍。
具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性。试验表明, 碳纤维材料加固混凝土结构有良好的耐腐蚀性和耐久性, 可以抗御建筑物经常遇到的酸、碱、盐对结构物的腐蚀。
适用面广。粘贴碳纤维材料加固修补混凝土结构可广泛适用于各种结构类型 (如建筑物、构筑物、桥梁、隧道等) 、各种结构形状 (如矩形、圆形、曲面结构等) 、各种结构部位 (如梁、板、柱、节点、拱、壳、墩等) 的加固修补, 且不改变结构形状, 这是目前任何一种结构加固方法所不可比拟的。尤其重要的是, 对于一些大型桥梁桥墩、桥梁、桥板以及隧道、大型筒体及壳体结构工程等, 采用旧的加固手段几乎无法实施, 而采用该项加固技术都能顺利解决。
施工质量易保证。由于碳纤维材料是柔性的, 即使被加固的结构表面不是非常平整也基本可以达到100%的有效粘贴率, 而粘贴钢板则很难达到100%的有效粘贴面, 相应的验收标准也只要求其达到70%就可以了。
碳纤维材料质量轻且薄, 粘贴后每平方米重量不到1.0kg, 粘贴一层的厚度仅1.0mm左右, 加固修补后基本不增加原结构自重及原构件尺寸。
3 碳纤维加固技术的设计原则
碳纤维加固修补混凝土结构作为一项新技术, 既有其不可比拟的优点, 但也有其一定的适用范围和适用条件, 超出此范围而盲目地采用此技术就会导致不安全、不经济、不合理的后果。首先, 被加固结构构件的最小截面尺寸必须满足有关规范的要求;其次, 被加固构件的受压区高度、配筋率、面积配箍率、体积配箍率等仍要满足现有规范的要求;第三, 要求加固后不改变原有结构的最终破坏形式;碳纤维布的应用存在使用效率问题, 同样的碳纤维布用量, 分条加固效果好于整条粘贴, 构件受弯承载力随碳纤维布用量的增加而提高, 当碳纤维布使用层数较少时, 提高幅度相对较大, 随着碳纤维布层数的增加, 提高幅度相应减少;当碳纤维布用量过多时, 构件破坏将由碳纤维布被拉断引起的破坏转变为混凝土被压碎破坏, 构件延性有所降低。所以并不是越多越好, 必须在规范数据范围内设置, 才能提高功效。
4 粘贴碳纤维加固施工工艺
4.1 工艺流程
被加固结构物表面处理→断面修复→底层表面的涂布→不平面修整→碳纤维贴片施工→固化→表面涂装→施工质量检查
4.2 施工工序概述
混凝土表面如出现表面脱落、蜂窝、腐蚀等劣化现象部位应予剔除, 对较大面积的劣质层, 在剔除后用水泥砂浆进行修复。将混凝土的表面用混凝土角磨机处理整平, 除去表面松散物、尘埃、油脂等杂物, 凸出部位要磨平, 转角部位要倒成≥20mm的圆角。用吹风机或吸尘器将混凝土表面清理干净并保持干燥。用脱脂棉沾丙酮擦拭混凝土表面, 若有漏水现象要作止水、导水等处理, 被加固结构表面处理的好坏直接影响加固质量。
配制底层用胶并涂敷, 根据气温及施工粘贴结构件的具体情况决定涂敷的厚薄 (一般≤4mm) , 如果是冬季, 气温低于5℃不宜施工, 雨天也不宜施工。
首先, 把结构胶 (底胶) 用滚筒刷涂抹于混凝土表面, 在搭接、拐角部位可多涂一些, 当底层胶固化 (底胶表面指触感干燥) 后, 用磨平机将凸起不平处磨平, 为下一道工序作好准备, 然后涂刷浸渍胶, 粘贴碳纤维。现场要注意通风, 作好劳动保护。
进行粘贴碳纤维 (已做过品质检查) 时, 首先根据要求裁好所需尺寸, 再配制浸渍胶液, 一次配胶量要以可使用期内施工所需量为限。最后进行粘贴, 粘贴时尽量不使空气进入粘接碳纤维布和胶粘剂之间, 碳纤维布沿纤维方向的搭接长度≥100mm。贴好一层最好放置数小时, 以达到脱泡、浸润的效果。随着结构胶粘剂反应使粘度增高固化 (碳纤维表面指触感干燥为宜) , 再涂第二层时就可达到良好的效果, 多层粘贴重复以上步骤, 在最后一层碳纤维布表面均匀涂抹浸渍胶。冬季最好一天粘贴一层, 在其固化时要防雨淋、防风砂。固化好后根据要求进行表面涂装, 完成施工。
5 碳纤维加固工程性能评价
5.1 碳纤维材料性能评价
碳纤维的弹性模量与钢材较为接近, 极适合于钢筋混凝土结构的加固修复, 同时, 碳纤维的抗拉强度为普通钢材的10倍, 在达到相同加固效果的情况下, 碳纤维的用量比钢材少得多。
碳纤维重量仅为200~300g/m2, 约为3mm厚钢板的1/100, 几乎不增加结构自重, 不会引起结构的连锁补强。
根据有关资料, 在弱酸环境中, 经过一万次的冻融循环, 干湿交替, 一定光照时间, 70℃热水中浸泡30天等作用下, 碳纤维的耐久性能、抗腐蚀性能、耐老化性能均无降低, 疲劳强度仍保留80%。
5.2 碳纤维工程技术经济性能评价
与传统的加固技术相比, 碳纤维加固混凝土技术具有良好的经济性能, 虽然表面上看, 碳纤维材料价格相对要高一些, 但实际用于加固工程时, 其综合造价却较低。碳纤维加固工程不需要大型施工机具和辅助机械, 节省了台班费用;碳纤维属于轻质柔性材料, 易于施工, 降低了人工费用;碳纤维具有良好的耐腐蚀性能, 不需要定期维护, 节省了维护费用;当碳纤维批量使用时, 其材料价格也不断下降。
5.3 碳纤维工程适用范围评价
从受力性能角度, 碳纤维具有很高的拉伸强度和疲劳性能, 主要适用于混凝土构件受拉区域的加固, 尤其适用于桥梁等承受动力荷载的大中型结构的抗震加固。从材料特征角度, 碳纤维为柔性卷材, 根据施工需要可加工成U型或圆形, 可用于结构梁、柱等的抗压和抗剪加固, 防治及修补墙体中的温度裂缝, 提高砖砌体结构的抗震能力。从实践应用角度, 碳纤维加固混凝土技术由于避免了其它加固方法增大结构尺寸、减少建筑使用空间、增加自重、施工周期长、耐腐蚀性能差等缺点, 目前已广泛应用于桥梁、道路、地下结构、高耸高层结构、工业厂房等建筑结构的加固。
5.4 碳纤维工程技术特点评价
加固结构作为二次组合结构, 是通过新旧两部分整体工作, 提高建筑的承载能力, 与传统的加大截面法、外包钢板法、缠绕钢丝法、预应力法相比, 碳纤维加固混凝土技术无须对混凝土结构打孔穿洞, 不会造成结构加固损伤, 不用担心由于结构新旧结合处应力集中而减弱加固效果。与较为先进的粘钢板加固技术相比, 碳纤维加固不需要辅助机具, 施工简便, 有效粘贴面积易于保证, 施工功效较高。与玻璃纤维、尼龙纤维加固技术相比, 由于碳纤维的比模量、比强度较高, 柔韧性、耐腐蚀、抗老化性较好, 使得碳纤维加固构件的延性改善程度较高, 适用范围较广, 利用年限较长。
6 结论
碳纤维材料在结构加固工程中的应用越来越广泛, 在已有的加固方法中, 碳纤维材料以其优异的力学性能, 简便的施工工艺与良好的效果得到普遍认同。
碳纤维补强加固混凝土结构技术作为一种技术含量高的建筑物补强加固方法, 具有很高研究, 推广价值和社会经济效益。●
参考文献
[1]《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》CECS146:2003
[2]《混凝土结构加固技术规范》
碳纤维复合材料补强 篇4
现代社会中,钢筋混凝土建筑物和构筑物在其正常使用年限内,常常由于结构的耐久性问题、化学腐蚀、使用荷载的增加,以及设计与施工上的缺陷等一些原因,要求对混凝土结构进行补强加固。工程实践表明,开展建筑物补强加固新技术的研究开发是非常必要的。
近些年来,随着人们对补强加固这一研究领域资金投入的增多,取得的研究成果越来越多。目前,建筑工程中使用的钢筋混凝土结构补强加固方法主要有:粘钢加固、预应力加固、钢筋混凝土外套加固和外包钢加固等等。然而,这些补强加固方法不同程度存在一些缺陷,除了常见的化学腐蚀问题外,象粘钢加固法,还具有增加构件自重、节点不易处理、施工困难等不足。为此,建筑市场需要新兴的科技含量较高的补强加固技术。随着碳纤维材料被逐渐应用于民用行业,碳纤维织物加固混凝土结构技术随之出现。
相对于己有的混凝土结构补强加固方法,碳纤维材料加固修补技术具有明显的优点:高强高效、施工便捷、耐腐蚀、自重轻、不增加结构构件尺寸。因此,对此项技术的研究开发具有重要的工程应用价值。本文将介绍国内外在碳纤维织物补强加固技术方面的研究成果。
2 试验研究与理论分析
2.1 碳纤维织物力学性能的测定
碳纤维织物种类繁多,其力学性能差别较大,在碳纤维织物用于实际工程之前,如何对他们的质量等级进行评定?这就要求有一套合理的方法,用以测定碳纤维织物的抗拉强度及弹性模量等有关的性能指标。经对国内外碳纤维织物和粘接剂进行试验,得到如下结论:
1)当碳纤维由单丝织成织物(布)时,其弹性模量变化不大,但抗拉强度有所降低。抗拉强度有所降低的原因是,在碳纤维织物中各碳纤维单丝很难完全同时工作,因而在施加荷载时,一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度,发生断裂并退出工作。这部分碳纤维丝退出工作后,必将使未断裂的碳纤维丝的应力水平增加,从而不断地有碳纤维丝断裂并退出工作,最终造成整个试件破坏。从试验现象中也可以看到,正是由于试件边缘碳纤维丝的断裂才造成了试件的整体破坏。
2)通过多组试验结果的比较,发现粘接剂的作用是很明显的。在实验过程中,未涂抹粘接剂的试件在应力水平很低的情况下,首先出现不均匀受拉现象,各碳纤维单丝不能很好地共同工作。因而,在实际工程中必须使粘接剂充分地掺入碳纤维织物内部,以使各碳纤维单丝能够共同工作。
3)由实测的试件应力-应变曲线可以看到,所有试件的应力-应变曲线都近视于一条直线。这说明碳纤维织物在破坏之前保持着很好的线弹性变化,在碳纤维织物补强加固钢筋混凝土结构的计算分析中,可以认为其应力、应变为线性关系。
2.2 碳纤维织物约束混凝土的受压应力-应变全曲线试验研究
在得出碳纤维织物的基本力学性能指标后,另一个值得研究的课题就是碳纤维织物约束混凝土的受压应力-应变全曲线方程,它对于以后的进一步研究分析是十分重要的。同时,通过实验还应研究碳纤维织物与混凝土的协同工作问题,影响约束混凝土受压应力-应变全曲线的有关参数,碳纤维织物对提高混凝土承载力和改善其变形性能的实际效果,以及碳纤维织物的作用与钢筋的区别和联系。
通过实验研究和分析,得到如下结论:
由于碳纤维织物可以对棱柱体试件提供有效的横向约束,所以包裹碳纤维织物后试件的抗压强度有所提高,同时混凝土的变形性能得到了较大程度的改善,其效果随碳纤维织物用量的增加而更加显著。
实验研究发现,在碳纤维织物用量相同的情况下,窄条碳纤维织物的加固效果要优于宽条织物的加固效果,这说明碳纤维织物在使用时存在宽度效应影响,在实际工程应用中,也有有效利用率的问题。
2.3 碳纤维织物加固钢筋混凝土梁的受弯承载力试验研究
主要对碳纤维织物加固钢筋混凝土梁的受弯性能进行试验和理论研究,具体内容包括:碳纤维织物作为替代纵筋的抗弯作用及加固后钢筋混凝土梁受弯承载力的提高程度;碳纤维织物粘贴面积对加固效果影响;碳纤维织物宽度对加固效果的影响;加固后梁刚度的变化;混凝土强度及配筋率的不同对碳纤维织物加固效果的影响等。
试验研究证实,使用碳纤维织物来提高钢筋混凝土受弯构件承载力的补强加固方法是十分有效的。粘贴碳纤维织物后,试验梁的抗弯刚度和受弯承载力明显提高。而且,碳纤维织物的使用,还延迟了混凝土的开裂和裂缝的发展,在正常使用阶段,梁受弯裂缝的数量增加,裂缝宽度减小。
在提高试验梁受弯承载力的同时,碳纤维织物还可能影响受弯构件的破坏形态。当碳纤维织物用量过多时,构件的破坏形态将由碳纤维被拉断引起的破坏转变为混凝土被突然压碎。与此同时,由于碳纤维为完全弹性的材料,它与钢筋的共同工作会减弱钢筋塑性性能对构件延性的影响。碳纤维织物用量过多,构件延性将有所降低。因此,碳纤维织物用于钢筋混凝土梁的补强加固时,应根据实际工程的不同情况合理使用。
在试验过程中,还证实了碳纤维织物使用中的效率问题。试验发现,同样的碳纤维织物用量,分条粘贴比整条粘贴的加固效果略好。同时,随着碳纤维织物粘贴层数的增加,其使用效率也将有所降低。
在试验过程中,还发现碳纤维织物补强加固钢筋混凝土梁时,在纯弯曲段内就截面平均应变来说,仍然是符合平截面假定的。因此在计算分析中,可将其作为一个基本假定。
2.4 碳纤维织物加固钢筋混凝土梁的受剪承载力试验研究
对碳纤维织物补强加固后钢筋混凝土梁的抗剪性能进行试验研究和理论分析,具体内容包括:验证碳纤维织物对钢筋混凝土梁抗剪性能的改善作用;研究碳纤维织物幅宽和加固间距、碳纤维织物粘贴层数、剪跨比、配箍率和混凝土强度等试验参数对加固效果的影响;在有关试验研究的基础上,寻求较合理的计算模型,并提出简化的设计计算公式。
试验研究证实,碳纤维织物提高梁抗剪承载力的作用机理与箍筋类似。用碳纤维织物包裹剪跨区的试验梁,其极限抗剪强度一般提高20%～40%,而当加固方案愈保守时,这种提高幅度将更大。碳纤维条的宽度越大,间距越小,粘贴层数越多,其增强作用也越明显,梁的抗剪承载力提高得越多。但在碳纤维织物用量相同的情况下,碳纤维条间距较小者加固效果好。
碳纤维织物对钢筋混凝土梁抗剪承载力贡献的大小取决于剪跨比、混凝土强度和配箍率等试验参数。剪跨比越大,补强加固效果越好;混凝土强度越高,补强加固效果越好;配箍率越低,补强加固效果越好。
碳纤维织物加固方法在提高钢筋混凝土梁抗剪承载力的同时,还可以明显地改善构件的变形性能,增强构件的变形能力。试验现象表明,斜裂缝由一条主斜裂缝转变为分布于碳纤维条包裹带之间的众多微裂缝。用碳纤维织物加固后的钢筋混凝土梁,在斜截面破坏之前都有碳纤维条的撕裂、起鼓和起皱等破坏先兆,能给人们以警告,从而改善了原有钢筋混凝土梁剪切破坏的脆性缺陷。
2.5 碳纤维织物增强钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究
我国是个多地震国家,大多数地区都处于地震区。在这些地区,对建筑结构进行抗震加固,以及对震损结构的修补常常是结构工程师的主要工作内容。在抗震设计中,也要求对钢筋混凝土柱(尤其是短柱)这一主要承重构件进行局部加强,使其满足有关的延性要求,这就需要有一些行之有效的抗震加固措施。
为了研究碳纤维织物加固钢筋混凝土柱的抗震性能,对钢筋混凝土长柱和短柱在低周反复荷载作用下的受力性能进行了试验研究。试件用碳纤维织物横向环包的方式进行加固,试验参数包括:剪跨比、轴压比、混凝土强度、碳纤维织物的包裹范围及包裹层数。
通过试验研究证实,沿构件横向外包碳纤维织物对内部混凝土起到很好的约束作用,提高了混凝土的极限压应变值,因而推迟了受压区混凝土的破碎,充分发挥了钢筋的塑性变形性能,改善了构件的延性。而且外包碳纤维织物对混凝土的约束作用比箍筋更为直接、更加有效。包裹3层碳纤维织物时,长柱和短柱的位移延性分别比未加固的对比柱提高78%和98%。可见,使用碳纤维织物在柱端一定范围内横向包裹钢筋混凝土柱来提高其延性这种加固方法是非常有效的。
通过对试验数据的分析整理发现,随着碳纤维织物包裹层数的增加,构件的延性系数均有较大的提高,都比对比柱提高了近1倍,但彼此间相差不大。这与碳纤维约束作用的发挥效率有关,即层数越多,其工作效率越低。
2.6 碳纤维织物加固钢筋混凝土柱的正截面承载力试验研究
为了进一步研究碳纤维织物对钢筋混凝土柱正截面承载力的补强加固效果,通过对试验柱的研究,分析了碳纤维织物不同的粘贴方式和粘贴层数对钢筋混凝土加固的效果,试验参数涉及纵筋配筋率、混凝土强度和轴压比。
通过试验研究,得到以下结论:
1)粘贴碳纤维织物补强加固方法对受弯破坏的钢筋混凝土柱承载力的提高是十分有效的。沿柱轴线方向粘贴两层碳纤维织物时,承载力最多可提高45%。
2)碳纤维织物的使用存在尺寸效应,随着碳纤维织物宽度的增加,其抗拉强度的使用效率有所降低。两条10cm的碳纤维条的加固效果要优于一条20cm碳纤维条的加固效果。
3)一般情况下,随碳纤维织物粘贴层数的增加,补强加固的效果将更明显,但最大承载力的增长值与粘贴层数并不呈线性增长关系。
4)与未加固的柱相比,碳纤维织物加固的钢筋混凝土柱裂缝出现相对较晚,且发展缓慢,裂缝数量多,但裂缝宽度大大小于未加固柱。
5)纵筋配筋率越低,混凝土强度越低,轴压比越低,柱的补强加固效果越明显。
3 结语
本文对近几年国内外碳纤维织物补强加固混凝土结构这一领域的研究工作进行了简要介绍。
从目前国内外的发展情况看,碳纤维材料用于建筑业的研究开发及应用活动正呈积极活跃的态势。中国拥有巨大的建筑市场,大量的钢筋混凝土结构急需补强与加固,碳纤维加固技术作为一种新兴的技术含量高的加固方法,具有很大的研究推广价值和巨大的社会经济效益。随着研究工作的不断深入,这种加固方法在我国也将得到广泛的应用,它将对我国的社会主义建设事业产生积极的推动作用。
摘要：碳纤维织物补强加固混凝土结构技术是一种新兴的科技含量较高的建筑物加固技术,得到了工木工程界及科研单位的广泛重视。论文针对国内外近几年来在碳纤维织物基本力学性能、碳纤维织物约束混凝土受压应力-应变全曲线、碳纤维织物补强加固钢筋混凝土梁正截面及斜截面承载力、碳纤维织物补强加固钢筋混凝土柱(包括长柱和短柱)承载力和增强抗震性能等方面进行的大量试验研究和理论分析,作了简要的介绍。
关键词：碳纤维织物,补强加固,梁,柱
参考文献
[1]日本建筑学会结构委员会.连续纤维补强材料在混凝土结构中的应用[C].1998年日本建筑学会大会(九州),福冈,日本。
[2]过镇海,混凝土应力-应变全曲线的试验研究[J].建筑结构学报,1982(1).
[3]Hota V.S.Ganga Rao,Fellow,ASCE,and P.V.Vijay,BendingBehavior of Concrete Beams Wrapped with Carbon Fabric,[J]Structural Engineering,January 1998.
碳纤维复合材料补强 篇5
关键词：碳纤维,技术,施工
1 概述
碳纤维因其具有强度高、重量轻、耐腐蚀性和耐久性强等优点, 近年来在国内混凝土结构修复补强工程中正得到越来越多的应用。国家建设部建筑物鉴定与加固规范管理委员会于2002年6月颁布了《粘贴碳纤维增强复合材料加固混凝土工程施工与验收暂行规定 (修订本) 》来规范指导该加固技术的应用和推广。
碳纤维加固补强技术仅仅依靠碳纤维本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能, 只有通过粘结剂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作, 才能达到补强的目的。其主要特点如下:
1.1 材料特性。
1.1.1高抗拉强度、高弹性模量。碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍;碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材。1.1.2施工方便, 无需任何夹具、模板。碳纤维片材可以粘贴在各种形状的结构表面不改变构件外形尺寸, 可多层粘贴, 并能有效地封闭混凝土的裂缝。1.1.3耐腐蚀及耐久性能、耐疲劳性能好。碳纤维复合材料的疲劳强度高于高强钢丝, 金属材料在交变应力作用下, 疲劳极限仅为静荷强度的30%~40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展, 以及存在纤维内力再分配的可能性, 复合材料的疲劳极限较高, 约为静荷强度的70%~80%, 并在破坏前有变形显著的征兆。1.1.4不增加结构自重。
1.2 适用范围。
适用于各种形式的钢筋混凝土结构或构件的加固补强, 并且加固后均可保持物体原状, 不影响表面装饰。
1.3 加固机理。
利用专用粘结剂将抗拉强度极高的碳纤维片粘贴于混凝土结构表面, 并与之形成整体, 共同工作。
2 工程概况
该工程为改造工程, 地上有三层、四层、五层, 地下一层。最高为五层水箱间29.55m, 四层为23.40m。总建筑面积57914.10m2, 其中地上52581.95m2, 地下5332.13m2。本工程利用原有建筑, 保持外立面造型不变, 对内部进行改造。原来的会议展览功能改为以商业为主的建筑。工程地上设有商场、餐饮、书城、证券交易所、办公等。地下一层设有发电机、变配电室、风机房、消防水箱间、消防泵房、制冷机房、丙类机房, 于2006年底竣工。本工程在改造前经过结构鉴定部门进行结构检测后认为, 原有的部分楼层剪力墙水平钢筋配筋率低于现行抗震规范要求, 因此决定采用剪力墙表面粘贴碳纤维进行加固处理。
3 设计方案及使用材料
3.1 设计方案:
本加固工程采用在需加固的剪力墙表面的水平和竖直双方向粘贴双层碳纤维的方法进行加固。
3.2 材料:
要求材料质量过关。a.针对个别厂家用玄武岩纤维, 芳纶纤维染上黑色来冒充碳纤维布, 会造成工程质量的不合格, 所以要首先学会辩认碳纤维。简单的说, 好的碳纤维丝束比较黑亮, 用火烧一下, 不会卷曲, 会象细铁丝一样发红, 用手摸平滑, 柔光, 丝束均匀, 导电性能好。b.本加固工程用碳纤维材料采用上海同砼碳纤维布有限公司生产的同砼牌型号为CFS2的12K碳纤维 (碳丝为T700SC) , 粘结剂采用华东理工大学华昌聚合物有限公司生产的华昌牌HCJ碳纤维胶粘结剂。上述产品均通过了建设部建筑物鉴定与加固规范管理委员会安全鉴定办公室的鉴定, 质量合格, 可以用于建筑结构承重构件的加固。施工前按规定在现场抽样送市建筑科学研究院建材质量检验站进行检测, 检测结果为拉伸强度大于3000Mpa, 与其他特性均符合《粘贴碳纤维增强复合材料加固混凝土工程施工与验收暂行规定 (修订本) 》的技术要求。
4 施工流程与现场施工方法
碳纤维加固施工流程为:混凝土基底修补、打磨处理→涂底层HCJ碳纤维胶粘结剂→用HCJ碳纤维胶粘结剂进行残缺修补→贴第一层碳纤维片→粘贴第二层碳纤维片→表面涂装→养护→完工验收。
4.1 混凝土基底修补、打磨。
4.1.1表面裂缝及孔洞处理。该工程需加固剪力墙混凝土质量较好, 无裂缝现象, 仅局部有少量细小蜂窝, 采用HCJ碳纤维胶粘结剂进行修补填充密实, 表面平整。4.1.2将混凝土构件表面的残缺、破损部分清除干净, 达到结构密实部位, 使其表面平整。4.1.3对经剔凿、清除和露筋的构件残缺部分, 用专用黏结剂进行修补、复原, 达到表面平整。4.1.4将构件表面沿碳纤维粘贴结合面打磨平整, 要求平整度应达到5mm/m, 保证修复后的段槎要尽量平顺;棱角的部位, 用磨光机磨成圆角, 圆角半径须≥20 mm。4.1.5结构或构件表面打磨后, 用压缩空气将表面灰尘和杂物清理掉, 用脱脂棉蘸丙酮进行擦拭清洗残留粉尘, 并使表面充分干燥。
4.2 涂底层HCJ碳纤维胶粘结剂。
4.2.1把碳纤维胶粘结剂的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放入容器内, 用低速搅拌均匀去除气泡, 并应防止灰尘等杂质混入;一次调和量应在可使用时间内用完。4.2.2用滚筒刷均匀地将底层涂料涂刷于混凝土表面, 指触干燥后才能进行下一道工序的施工。4.2.3底层涂料指触干燥或固化后, 表面上的凸起部分 (一般类似结露的露珠一样) 要用砂布或角磨机磨平并丙酮清洗支尘。
4.3 用HCJ碳纤维胶粘结剂进行残缺修补。
4.3.1构件表面凹陷部位应用粘结剂填平, 并修复至表面平整、顺滑。4.3.2内角 (段槎、起拱等) 要用粘结剂填补, 使之平顺。腻子涂刮后, 表面仍存在的凹凸糙纹的, 应再用砂纸打磨平整。
4.4 粘贴碳纤维片。
4.4.1把粘结剂的主剂和固化剂应按规定的比例称量, 装入容器用搅拌器均匀搅拌。一次调和量应在可使用进间内用完。4.4.2按设计尺寸裁减纤维布, 纤维顺长方向片材的接头必须搭接10cm以上。该部位应多涂粘结剂, 在片材宽度方向不需要搭接, 裁剪完成后用脱脂棉蘸丙酮把表面擦拭清洗干净。4.4.3将裁剪好的碳纤维织物敷在涂好粘结剂的基层上, 贴片前用滚筒刷均匀地涂抹粘贴用粘结剂, 称为下涂。贴片时, 在纤维片和树脂之间尽量不要有空气。可用特制滚筒沿着纤维方向在碳纤维片上滚压多次, 使树脂渗浸进纤维中并挤除气泡。滚压时要小心操作, 不得损伤碳纤维布。4.4.4纤维片粘贴施工完毕30分钟后, 再用滚筒刷在表面均匀抹粘贴用粘结剂, 使粘结剂能充分渗透到碳纤维里面, 称为上涂。4.4.5第二层碳纤维布粘贴则重复1至4步骤, 并保证底层粘贴的碳纤维片上涂黏结剂已指触干燥, 才能粘贴第二层。4.4.6第二层碳纤维织物的表面应均匀涂抹一道粘结剂应涂刷均匀、周边整齐。碳纤维的粘贴质量要求符合《碳纤维施工验收规范》, 以保证粘贴质量的合格。
4.5 表面涂装。
由于该剪力墙后期需要进行抹灰施工并进行内部装修, 所以粘贴后的碳纤维表面最后一道涂粘结剂后用干燥黄沙覆于表面, 增加与将来抹灰面的粘结力。
4.6 养护。
4.6.1碳纤维片施工后, 应进行养护, 保证养护期间的温度不低于专用粘结剂的允许使用温度。4.6.2养护期一般在1~2周内。4.6.3对施工部位应进行遮挡封闭养护, 防止风吹、雨淋或有可能人为扰动造成损坏。
4.7 按粘结剂生产供应商规定的固化时间养护至固化后, 及时进行施工质量检验、验收。
5 施工注意事项
5.1 气温在5℃以下、相对湿度RH〉85%、
混凝土表面含水率在85以上、有结露的可能时, 无有效措施不得施工。5.2由于碳纤维片为电的良导体, 应使其远离电源。5.3施工用各种树脂远离明火, 并避免阳光直射。5.4施工及检查人员应穿防护工作服, 配戴器口罩、手套、防护眼镜等防护用品。5.5粘结剂的配制应在室内进行, 施工现场保证通风状况良好。5.6当树脂粘附在皮肤上时, 应立即用肥皂水冲洗, 溅入眼内用清水清洗或及时就医。5.7施工过程中要注意严格按照设计方案中的位置进行粘贴碳纤维, 如有偏差应根据实际情况画图留底备查, 并注意告知后续施工人员在装修过程中注意保护, 严禁钻孔、打钉等可能损坏碳纤维的作业。
碳纤维复合材料补强 篇6
近年来,对石墨表面改性补强聚合物的研究[5—7]广受欢迎,通过改性,一方面可以降低石墨的表面势能,增加石墨表面的粗糙度,减轻石墨的聚集作用,提高石墨在大分子中的分散性[8];另一方面,改性可以使石墨片层带有一些极性官能团,改变石墨表面的极性,有利于提高石墨和大分子间的结合作用[9]。通过改性,还可以改变石墨的层间距,使层间距撑开,大分子链段更容易的插入到石墨层间,起到补强的效果。膨胀石墨是插层石墨经高温处理或微波辐射后,层间化合物急剧分解得到的,膨胀石墨内部有很大的孔隙,表面缺陷和自由基比较多,且比表面积大,对聚合物有很好的吸附作用,有利于增加石墨与聚合物间的界面作用[10]。而微波辐射法制备膨胀石墨相比于传统的加热法具有升温快,耗能小,操作方便等优点[[12][11]。
本文将天然鳞片石墨进行氧化插层、经微波膨胀处理,改变了石墨的表面结构和内部形态,制备了天然橡胶/炭黑/膨胀石墨复合材料,并研究了膨胀石墨的结构和形貌及其与炭黑协同补强天然橡胶的物理力学性能和动态性能。
1 实验
1.1 实验原料
天然橡胶(NR):1#标准胶(西双版纳勐腊县关累制胶厂);天然鳞片石墨(东莞市塘厦湘阳石墨制品加工厂);98%浓硫酸、68%浓硝酸和高锰酸钾均为分析纯。
硫化胶的基本配方:NR 100 phr(parts pertum dreds of rubbe);炭黑(CB)N330 50 phr;氧化锌(Zn O)5 phr;硬脂酸(SA)4 phr;促进剂二苯胍(D)0.5 phr;促进剂2-硫醇基苯骈噻唑(M)2.21 phr;促进剂二硫化四甲基秋兰姆(TMTD)0.32 phr;促进剂2、2'-二硫代二苯并噻唑(DM)1.96 phr;防老剂4020 1.5 phr;硫磺(S)1.71 phr。膨胀石墨为变量,添加量为0、2、4、6、8 phr,编号分别为1#、2#、3#、4#、5#。
1.2 膨胀石墨的制备及表征
1.2.1 膨胀石墨的制备
取天然鳞片石墨10 g,放入烧杯中,加入一定量的浓硫酸和浓硝酸,并不断搅拌,待搅拌均匀后,缓慢加入一定量的KMn O4,继续搅拌10 min,混合物变为浆状,在水浴锅中55℃恒温反应90 min,取出。用去离子水洗涤至p H=7左右,在60℃烘干,制得可膨胀石墨GIC。用微波炉(格兰仕G79D20CN1P—D2)选择微波功率700 W,微波时间50 s,制得膨胀石墨EG。
1.2.2 膨胀石墨的表征
扫描电镜分析(SEM):采用SEM(JSM—7500F,日本冷场发射扫描电子显微镜)观察天然石墨及改性后石墨的表面形貌特征。
傅里叶变换红外光谱(FT-IR):将天然鳞片石墨和膨胀石墨进行KBr压片,用傅里叶红外光谱仪(美国NICOLET NEXUS 670型)进行红外表征。
广角X射线衍射分析(XRD):采用XRD(XRD—6100,SHIMADZU)对天然石墨和插层石墨扫描分析。
1.3 膨胀石墨/炭黑/天然橡胶复合材料的制备及表征
1.3.1 复合材料的制备
将NR、膨胀石墨依次加入到橡塑密炼机(XSM—05,上海科创橡塑机械设备有限公司)中,密炼温度为100℃,转速为80 r/min下,密炼7 min,制得母炼胶,将NR、母炼胶、Zn O、SA、D、M、DM、防老剂4020、TMTD及S依次加入到双辊开炼机(东莞市昶丰橡塑机械有限公司)中,在开炼机中混炼10min,下片,制备混炼胶,放置12 h以上,备用。
1.3.2 复合材料的表征
硫化性能分析:取试样大小合适的混炼胶,使用无转子硫化仪(MD—3000A,台湾高铁科技股份有限公司)测试硫化性能,测试温度为143℃,测试时间10 min。
物理力学性能分析:根据硫化仪测得的正硫化时间,在平板硫化机(XLB,25T,江都市明珠实验机械厂)上,将制备的混炼胶硫化,制备2 mm样品。按照GB/T 528—1998用万能材料试验机(Insekt10,德国惠博材料测试公司)测试,直角撕裂强度按照GB/T529—1999测试,拉伸速率都为500mm/min。
动态性能分析:采用橡胶加工分析仪(RPA2000,Alpha,Technologies,USA),使用应变扫描方式,温度为60℃,扫描范围0.01%~400%,频率为1 Hz。测定混炼胶的储能模量G'以及损耗因子tanδ。
2 结果与讨论
2.1 膨胀石墨的表征
2.1.1 氧化插层对天然鳞片石墨结晶性的影响
由图1可以看出,在2θ=26.4°(002)和54.5°(004)附近出现衍射峰。2θ=26.4°处的特征吸收峰与石墨的多层结构相关,2θ=54.5°处的特征吸收峰与石墨的层间距相关[14]。由谱图可知,天然鳞片石墨经插层后仍保持着层状结构,但其结晶取向遭到破坏;而在54.5°处的衍射强度几乎消失,说明天然鳞片石墨的层间距有所改变。分析认为,由于氧化剂的强氧化作用,形成的化合物进入到石墨层间,将天然鳞片石墨的层间结构破坏,所以,天然鳞片石墨的结晶性和层间距会发生变化。
2.1.2 膨胀石墨红外分析
由图2可知,膨胀石墨与天然鳞片石墨红外吸收峰有明显变化,2 976 cm-1和2 883 cm-1处的峰对应于甲基和亚甲基以及—CH＝O的伸缩振动,膨胀后的2 361 cm-1和天然鳞片石墨的2 359 cm-1对应于CO2的吸收峰,1 749 cm-1处的吸收峰为C＝O的伸缩振动峰,1 087 cm-1和1 048 cm-1对应为C—O的伸缩振动,881 cm-1处的吸收峰应为—RC＝CHR1中C—H弯曲振动。由红外谱图中可以看出,天然鳞片石墨经氧化插层并膨胀后,表面存在有机官能团。
2.1.3 微波膨胀对天然鳞片石墨结构的影响
由图3中可以看出,未改性的天然鳞片石墨,呈片状结构,表面平滑;改性后的石墨表面粗糙,原先平滑的表面已经明显裂开,出现裂痕和孔洞,且石墨膨胀后体积被撑大,尺寸改变,内部疏松,有明显的空隙。分析认为,天然鳞片石墨在氧化剂的作用下表面被破坏,而插入天然鳞片石墨的层间化合物在微波的作用下,急剧分解,将天然鳞片石墨内部撑开。
2.2 膨胀石墨/炭黑/天然橡胶复合材料的性能
2.2.1 膨胀石墨/炭黑/天然橡胶复合材料的硫化性能
由表1可以看出,添加不同份数的膨胀石墨对混炼胶的胶烧tc10和正硫化时间tc90没有明显的影响。因为加入的膨胀石墨,不会与助剂之间发生作用。因此,对胶料的硫化时间无明显影响。而ML表征胶料的加工性能,其值越小,胶料的流动性越好[15],由表可知,随着改性石墨的加入量的增大,混炼胶的ML呈逐渐减小趋势。说明加入改性后的石墨使得填料在混炼胶中的分散性更好,混炼胶更有利于加工。MH可代表填料和橡胶之间的相互作用程度,MH-ML值的大小与胶料的交联程度有关[[17],[17]]。从表1中可以看出,随着膨胀石墨的加入,MH及MH-ML都是增大的。分析认为:一方面,膨胀石墨的层间距增大,橡胶分子链可以更容易的插入;另一方面,膨胀石墨的表面含有有机官能团,降低了膨胀石墨表面的势能,从而增强了填料与橡胶分子链之间的结合力。所以,添加膨胀石墨,可提高橡胶与填料之间的相互作用。
2.2.2 膨胀石墨/炭黑/天然橡胶复合材料的物理力学性能
从表2中可知,随着膨胀石墨的加入,复合材料的100%和300%定伸强度有着明显的提高,说明膨胀石墨与炭黑的协同补强作用比炭黑的单独补强效果好。分析认为,改性后的石墨层间距被撑开,包裹着炭黑的橡胶分子链更容易进入石墨层中,形成更多的缠结点;另一方面,膨胀石墨表面极性增加,在天然橡胶基体中的分散性得到改善,使得橡天然胶基体与膨胀石墨之间的亲和力增强,而且,随着膨胀石墨份数的增加,填料在橡胶基体中的分散性越好,使得复合材料的力学性能明显提升。从表2中可以看出,当加入的膨胀石墨达到8 phr时,复合材料的断裂伸长率陡然下降,分析认为,加入改性石墨份数过多时,石墨层间吸附的天然橡胶分子链越多,在拉伸变形的过程中,能够自由运动的橡胶分子链变少,参与变形的橡胶分子链减少。所以,断裂伸长率会陡然下降。
2.2.3 膨胀石墨/炭黑/天然橡胶复合材料的加工性能
在周期变形中,低填充橡胶在低应变下具有恒定的模量值,而高填充橡胶不出现模量平台,其动态储能模量G'随应变的增加而降低[18],这就是Payne效应。图4给出了添加不同份数膨胀石墨复合材料的动态储能模量G'及损耗因子tanδ与应变的对数曲线。从图4中可以看出,随着应变的增大,复合材料的G'整体呈非线性下降。分析认为,在NR/CB/EG的复合材料中,两种填料可以形成较强的网络结构,当施加一定应变时,网络结构则被破坏,动态储能模量急剧下降。当应变足够大时,填料的网络结构被完全破坏,G'则不再减小。复合材料的低应变下的G'max和高应变下的G'min的差值可以表征填料与填料之间的相互作用[19]。从图4中可以看出,随着膨胀石墨的加入,复合材料的Payne效应不断减弱,说明添加膨胀石墨时,填料在复合材料中的分散性较好,填料与天然橡胶之间的作用得到改善,这与硫化性能中的ML也相符合。
损耗因子tanδ是储能模量与损耗模量的比值,在低应变下,tanδ增加不明显,而在大应变下,tanδ值迅速增大,膨胀石墨的添加量在4 phr及其以上时,损耗因子明显高于只有炭黑单独补强的复合材料,分析认为,改性后的石墨内部空隙较多,可以吸附更多的橡胶分子链,在橡胶分子链运动时,受到的束缚力变大,产生的摩擦越大,所以产生的动态滞后效应就越明显。而加入2 phr的膨胀石墨量少,不足以吸附更多的橡胶分子链,所以tanδ值与炭黑单独补强相差不大。
3 结论
(1)天然鳞片石墨经氧化后,石墨的多层结构被破坏,层间距改变,结晶度下降;氧化石墨微波处理后制得膨胀石墨,膨胀石墨表面较天然鳞片石墨表面粗糙,内部空隙增大,结构疏松且膨胀石墨表面枝接了较多的有机官能团。