基于无机胶浸渍碳纤维束的拉伸性能研究

杜运兴，彭钰兰

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

织物增强混凝土(Textile Reinforced Concrete，简称为TRC，它是一种能够承受由外力在其中引起的非常高的应力，并能够抵抗裂纹的传播的复合材料)在之前二十多年里已得到了广泛的研究[1-2]。TRC结构中的碳纤维织物主要使用有两种材料：其中一种是碳纤维织物，另一种则是有机胶环氧树脂。有机环氧树脂用于浸渍碳纤维网格布利于碳纤维束整体受力，但是当环境温度将要达到环氧树脂的玻化温度Tg(60 ℃～82 ℃)时，其承载性能将显著地降低，且环氧树脂的杨氏模量和抗剪切模量将减少90%以上[3]。胡克旭等[4]通过试验得出常用于浸渍碳纤维织物的有机环氧树脂在温度达到60℃以上时，不仅出现了显著的软化现象，且随着试验温度的逐渐增加，环氧树脂还会由固化态转变为具有明显流动性的液体状态，除此外，当试验温度提高到140 ℃以上时，环氧树脂此时表现出明显的气态化现象。文献[5-6]也表明，环氧树脂有机胶在温度为65 ℃～150 ℃时，将会使其力学性能显著恶化，易使建筑维修、加固结构等存在严峻的安全性祸患。郑文忠等[7]表明，想要提升浸胶碳纤维织物网格布的高温拉伸力学性能，一是采用高软化点的有机胶，或使用耐高温性能优越的无机胶凝材料，二是采用良好的的隔绝氧气的措施以避免碳纤维织物丝在高温下发生化学氧化反应。普通环氧树脂类的有机胶的耐高温性能极差，使得碳纤维织物增强混凝土加固建筑结构构件的耐高温力学性能差。对有机环氧树脂胶进行耐温性能的改性，或者直接使用无机胶以代替环氧树脂，可以从本质上解决织物增强混凝土加固构件的耐高温力学性能差的漏洞[8-9]。

迄今为止，在我国建筑加固领域中广泛被使用的无机胶凝材料主要被分为以下三大类[10-13]：①碱激发胶凝材料；②氯氧镁水泥；③水泥基复合材料。硅酸盐矿物制备的无机胶凝材料由于其耐高温、界面键强度高和对碳纤维织物具备良好的润湿性能等优点，在理论上可用于浸渍碳纤维网格布的织物增强混凝土[14]，而未经任何处理的钠水玻璃耐水性差[15]，不能适用于TRC浇筑初期的湿润环境。因此本文研制了主要由水玻璃制备的无机胶黏剂，选择以防水剂甲基硅酸钠作为添加剂，提升固化后防水效果，旨在通过研究得出钠水玻璃与防水剂的适宜配比，以及其作为无机胶浸渍碳纤维束在常温和低高温下的拉伸力学性能，并与浸渍传统有机环氧树脂的碳纤维束的拉伸强度做对比得出相应结论。

1 试验概况

1.1 试验材料性能

试验采用的碳纤维织物由江苏无锡宜兴市鸿德碳纤维制品有限公司所提供，形状如图1(a)所示，纤维类型为T700S-12K，即每根经纬向碳纤维束均包含12 000根碳纤维丝，碳纤维布的网孔尺寸为20 mm×20 mm，其中选取碳纤维织物的经向(主要受力方向)碳纤维束用于制作本文试验中的试件，碳纤维具体相关性能参数如下：抗拉强度3 500 MPa，弹性模量240 GPa，极限拉应变1.5 mm/mm，单丝直径7 μm，泊松比0.307。试验所使用的钠水玻璃为嘉善县优瑞耐火材料有限公司所生产的液体硅酸钠，钠水玻璃的模数为3.3，n表示模数，表示钠水玻璃中SiO2和Na2O的物质的量之比[即n(SiO2)/n(Na2O)的比值]，其中钠水玻璃的模数n越大，表示其黏结效果越强，利于成膜。波美度Be表示钠水玻璃的稀稠度，其值越小，代表其稠度越低可操作性较好，具体参数如下：型号SP38，二氧化硅(SiO2)含量27.3%，氧化钠(Na2O)含量8.54，n=3.3，Be为38.5/20 ℃，密度ρ为1.368 g/cm3；外观如图1(b)所示。甲基硅酸钠又称为建筑防水剂，除本身具有的优越的防水性外，还是目前使用较为广泛防水性材料之一，同时还具备耐高温、不可燃且成本低廉等优点，本文试验所采用的甲基硅酸钠则是采用北京嘉晟建筑有限公司所提供的甲基硅酸钠原液，其质量分数为58%，用于提升钠水玻璃的耐水性能。

1.2 试验设计和制作

试验考虑了浸渍胶种类、无机胶配比和浸渍无机胶是否耐高温等参数的影响。在选择适宜配比前设计了7种工况，具体见表1。选择出适宜配比后，为测试浸渍该配比无机胶的碳纤维束是否耐受高温，随后进行了在不同温度下的高温拉伸试验，上述每种工况均制作5个试件。

试件制作过程如下：试件的标距长度等于100 mm的单根经向碳纤维束，对于2-E试件需将碳纤维布浸渍在环氧树脂中10～15 min，且在浸渍过程中反复翻动碳纤维网格布2～3次，然后取出晾干。此外，除1-N试件外的其它工况均需按照相应比例调制完成后，将碳纤维布放置到该调制液体中，采用木刷进行按压式浸渍10～15 min，然后取出晾干。以上不同工况的晾干时长为：在温度不大于25 ℃时，浸渍环氧树脂的试件晾干时长不低于4 d，其它类型试件不低于3 d;大于25 ℃时，浸渍环氧树脂的试件晾干时长不低于3 d，其它类型试件不低于2 d。晾干后采用电动剪刀在浸胶碳纤维网格布上裁剪出经向长度为180 mm(即9个网格)的纤维束，再剪裁适宜大小(厚度为0.2 mm)的铝片若干，使用湖南固特邦公司所提供的的JN系列的黏钢胶将铝片粘贴在试件两端，制成的试件在较为干燥的室温条件下放置24 h，使其完全固化。环氧树脂和无机胶浸渍碳纤维束横截面效果图、未浸渍碳纤维束横截面效果图，以及待测的单根经向纤维束的试件式样分别如图2(a)～图2(d)中所示。

表1 试件工况设计Table 1 Design of specimen working conditions试件编号试件标距/mm浸胶处理1-N100未浸渍2-E100浸渍环氧树脂3-S1W1100钠水玻璃(n=3.3):甲基硅酸钠=1:1混合后浸渍4-S2W1100钠水玻璃(n=3.3):甲基硅酸钠=2:1混合后浸渍5-S3W1100钠水玻璃(n=3.3):甲基硅酸钠=3:1混合后浸渍6-S1W2100钠水玻璃(n=3.3):甲基硅酸钠=1:2混合后浸渍7-S1W3100钠水玻璃(n=3.3):甲基硅酸钠=1:3混合后浸渍

(a)环氧树脂浸渍效果图

1.3 加载方式和装置

依据规范《GB/T 3362—2005 碳纤维复丝拉伸性能试验方法》中所述方式，设置碳纤维织物束试件的标距为100 mm，轴向拉伸试验在量程为30 kN的MTS万能试验仪上进行见图3(a)，采用由位移控制的加载方式，控制试验位移加载速率为2 mm/min，试验数据采集频率则为20 Hz。高温试验在与该MTS对应配置的温度箱内进行，试验仪器见图3(b)。上述试验过程中所产生的荷载与变形分别由该试验仪器所配置的力-位移传感器相同频采集。试验过程中，当试件拉伸荷载出现骤然下降的情况，或者当拉伸荷载在达到极限荷载后，在下降至峰值荷载的60%以上时，停止加载。

(a)MTS万能试验机

2 确定无机胶的配比

2.1 试验现象

试验后试件破坏形态如图4各图所示(3-S1W1～7-S1W3这5组中各工况破坏阶段相似，故该5组试件断裂面形态均以3-S1W1工况试件断裂面为例)。在加载初期，各工况下的纤维束试件均处在线弹性阶段，其试件外观并无明显变化，随着荷载增大，将要至各工况试件的峰值荷载时,试件断断续续地发出“呲呲”的声音，试件内部出现部分纤维丝断裂的情况。待到达峰值荷载后，试件的持载能力骤然下降，纤维束完全断裂，无塑性破坏现象。对于图4(a)可以看出未浸渍胶体的碳纤维束断裂现象很蓬松，导致纤维束丝未能协同受力，图4(b)～图4(c)为整体断裂，但图4(b)相较于图4(c)中的断口更加整体，可表明环氧树脂的整体约束力略优于无机胶浸渍的碳纤维束。

(a)1-N

2.2 荷载-应变曲线

试验后各工况碳纤维束的荷载-应变曲线如图5中所示，在加载初始阶段，曲线总体呈线性发展阶段，碳纤维束处于弹性阶段，当荷载达到各工况下的碳纤维束的极限荷载时，曲线进入急剧下降阶段，碳纤维束断裂，失去承载能力。图5(a)为未浸渍的碳纤维束，其拉伸强度由图5(h)通过计算对比，可得其相较于其它组工况的拉伸荷载降低约32%，且荷载-应变曲线相较于其它工况其离散性略大。由图4(a)可知碳纤维束未浸渍胶体时会导致碳纤维束丝断裂面蓬松，因未能整体约束而导致碳纤维束丝未能整体协同受力，显著地降低了碳纤维束的强度利用率。图5(b)为浸渍环氧树脂的拉伸荷载-应变曲线，曲线整体应变略低于其它浸渍无机胶的碳纤维束的应变，但平均峰值荷载则略高于其它浸渍无机胶的碳纤维束的平均峰值荷载的3%～4%。图5(c)～图5(g)峰值荷载相差在1%～2%之间，其中4-S2W1的平均峰值荷载值相对其他组平均峰值荷载略微偏高1%～2%，同时由荷载-应变曲线的图5(c)～图5(e)可以对比看出其荷载-应变曲线的整体离散性随着水玻璃的占比增大和防水剂的占比减小而整体呈现逐渐增大的趋势，而由图5(c)、图5(f)、图5(g)对比可得其荷载-应变曲线的整体离散性随着水玻璃的占比减少和防水剂的占比增加而整体呈现先增大后减少的趋势。且由于防水剂甲基硅酸钠在添加量占比逐渐增多时，试件表面会表现出逐渐增多的“白色粉末”(如图6所示)，但本文试验中甲基硅酸钠的添加量对试件拉伸荷载值无明显影响，而产生这种“白色粉末”现象是在试验操作中甲基硅酸钠添加过多、硬化干燥后析出所致。相比于环氧树脂浸渍碳纤维束的常温拉伸峰值荷载，浸渍该无机胶的碳纤维束的常温拉伸峰值荷载平均可达到其峰值荷载的96%以上。综上表述，基于拉伸荷载和甲基硅酸钠的添加量两种因素的考虑，可选择出该无机胶的较适宜的配比为：在每百份无机胶黏胶中，钠水玻璃(模数n=3.3)占2/3份，甲基硅酸钠占1/3份(以上为质量占比)。

(a)1-N

图6 不同配比无机胶碳纤维束表面现象

3 温度试验结果和分析

采用上述2.2节中分析所选择得到的无机胶的适宜配比(即4-S2W1)配置溶液，再用此浸渍碳纤维束10～15 min，晾干后制成试件进行高温持温拉伸力学性能试验，高温试验设计工况分别为：50 ℃、100 ℃、200 ℃，并按照每分钟升温5 ℃的升温速率升温至目标温度，并使试件在该温度下保持1 h，随后直接对该碳纤维束试件进行轴向拉伸性能试验，高温拉伸装置如图3(b)所示。

3.1 试验结果分析

分别测试了浸渍该无机胶的碳纤维束(即4-S2W1试件)在50 ℃、100 ℃、200 ℃的拉伸性能，所得荷载-应变曲线如图7(b)～图7(d)所示，同时在高温工况中还测试了浸渍环氧树脂的碳纤维束(即2-E试件)在50 ℃下的拉伸性能，得到的荷载-应变曲线如图7(a)所示，由于环氧树脂在60 ℃温度以上会出现明显软化现象甚至转化为可流动状态[4]，因此未进行其他组高温试验。50 ℃时，4-S2W1的拉伸荷载相较于图5(d)常温时拉伸荷载整体相持平，而2-E试件在50 ℃时，其平均峰值荷载相对于常温时2-E试件的平均峰值荷载显著下降，荷载降低率约26%；且荷载-应变曲线图中的初始段部分的“滑移”平台相较于图7(b)～图7(d)长出近50%，该现象表明2-E试件碳纤维束上浸渍的环氧树脂在50 ℃时已经出现部分脱黏产生滑移，在此温度下的黏结强度明显降低，表明环氧树脂随着温度的升高其热稳定性差，受温度限制以至于无法在高温环境中稳定承载。

(a)50 ℃时2-E

而4-S2W1试件在在50 ℃、100 ℃、200 ℃的平均拉伸荷载分别为：2 301、2 388、2 197 N，相对于图5(h)图中常温下的平均拉伸荷载，4-S2W1在50 ℃和100 ℃时的平均荷载分别增加了1.7%和5.5%，而在200 ℃时的平均荷载相对于常温仅下降了3.1%。但相比于50 ℃时2-E试件的平均荷载减少率，仍具备显著耐高温的优势。可表明浸渍无机胶的碳纤维束随着温度的不断升高，强度会先略有增加随后缓慢下降，下降率变得较为缓慢，适宜于在高温环境的条件下作为结构加固件，且不会因温度高产生脱黏滑移现象。

4 结论

本文首先针对碳纤维束的不同浸胶情况进行了拉伸性能测试，分析了碳纤维束在不同浸渍胶下的优缺点，并选择出适宜的无机胶配比。随后进行高温持时拉伸试验，以研究高温对于浸渍适宜配比无机胶的碳纤维束的拉伸性能的影响规律，同时对比于涂覆环氧树脂的碳纤维束在50 ℃时的拉伸荷载，得出碳纤维束浸渍该无机胶可耐受高温的显著优势。具体得出结论如下：

a.浸胶碳纤维束拉伸峰值荷载的平均值比未浸胶碳纤维束峰值荷载的平均值高出29%～32%，表明碳纤维束浸胶有利于约束碳纤维束丝利于整体协同受力，从而提升碳纤维束的承载能力以保障碳纤维织物的利用率。

b.无机胶中甲基硅酸钠的添加比例对于碳纤维束的平均峰值荷载无显著影响，但甲基硅酸钠的添加比例越大，碳纤维束表面泛白越严重，通过试验测试可知4-S2W1的拉伸峰值荷载略高于其他组，故选择的无机胶适宜配比为：在每百份无机胶黏胶中，钠水玻璃(模数n=3.3)占2/3份，甲基硅酸钠占1/3份(以上均为质量占比)。

c.在50 ℃时，浸渍环氧树脂的碳纤维束整体平均峰值荷载相对于常温时下降了26%；在50 ℃和100 ℃时，浸渍适宜配比无机胶的碳纤维束拉峰值伸荷载相对于常温时分别增加了1.7%和5.5%；而在200 ℃时，浸渍适宜配比无机胶的碳纤维束平均拉伸峰值荷载相对于常温时仅下降了3.1%。试验表明浸渍该无机胶的碳纤维束的拉伸峰值荷载会随着温度的不断增加，总体表现出先略微增加随后缓慢下降的趋势。当温度高于50 ℃时，浸渍该无机胶碳纤维束的拉伸性能明显优于浸渍环氧树脂碳纤维束的拉伸性能。