CN104556763B - 一种混凝土加固用碳纤维布预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土加固用碳纤维布预处理方法，采用如下预处理步骤：无水乙醇溶液浸泡处理；氢氧化钠溶液浸泡处理；磷酸盐溶液浸泡处理；磨细氧化镁悬浊液浸泡处理；晾干碳纤维布。以上预处理可以除去碳纤维表面影响其粘结的杂质，同时溶解在水中的磷酸盐可以由毛细作用，被吸附到碳纤维单丝之间。使用磷酸镁水泥粘接时，磷酸镁水泥的水化产物六水合磷酸铵镁会被残留在碳纤维布中磷酸盐诱导进入碳纤维之间的，这可以有效的粘结碳纤维单丝，同时这些分布于碳纤维单丝之间的水化产物以离子键的形式与磷酸镁水泥结合，增大了磷酸镁水泥与碳纤维布表面的机械嵌合作用，提高了磷酸镁水泥与碳纤维布之间粘结强度。

Description

一种混凝土加固用碳纤维布预处理方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维布预处理方法；特别是涉及一种混凝土加固用碳纤维布预处理方法。

背景技术

碳纤维布又称碳素纤维布、碳纤布、碳纤维编织布、碳纤维预浸布、碳纤维加固布、碳布、碳纤维织物、碳纤维带、碳纤维片材（预浸布）等。碳纤维布是一种单向碳纤维加固产品，通常用于混凝土结构构件的抗拉、抗剪和抗震加固。碳纤维布加固原理是：采用高性能的结构胶粘剂粘结于混凝土构件的表面，与结构胶粘剂协调作用，可构成完整的性能卓越的碳纤维布片材增强体系，利用碳纤维材料良好的抗拉强度，达到增强结构构件承载能力的目的。

目前在粘结碳纤维布的结构胶粘剂中，环氧类有机胶使用较广泛，但环氧类有机胶存在两个缺点：（1）耐火性差，环氧类有机胶的软化点很低，在高温情况下易软化失效；（2）具有毒性，环氧类有机胶生产过程中添加的溶剂或其他挥发性毒性物质，会对人体和环境带来不利影响。

为弥补以上不足，使用无机类胶粘剂代替环氧类有机胶粘剂粘结碳纤维布。无机类胶粘剂主要有碱激发矿渣类材料、氯氧镁水泥、磷酸盐系无机胶等。其中磷酸镁水泥粘结强度高、固化收缩率小、耐久性优良、价格低廉，无污染、制备工艺简单、生产周期短、使用方便，是一种有很大发展前途的无机类胶粘剂。在专利CN103786382A中公开的一种无机胶纤维复合材料补强和保护混凝土的方法，以及CN103104100A所公开的一种应用磷酸镁水泥和纤维布复合材料加固混凝土的方法。均公开了类似的采用磷酸镁水泥作为胶粘剂的技术。

磷酸镁水泥由可溶性磷酸盐、氧化镁、缓凝剂和水拌制而成。但是氧化镁微溶于水，而碳纤维布一般比较致密，一束碳纤维中包含几千或者几万根纤维单丝，纤维单丝之间的空隙较小，形成无数个毛细管。当磷酸镁水泥与碳纤维布接触时，由于毛细作用，磷酸镁水泥中的水分被碳纤维布汲取，充斥在毛细管中，而氧化镁由于粒径较大，被密实的碳纤维布过滤掉，残留在碳纤维布表面，导致原本均匀的分散体系出现两相分离的现象。

在磷酸镁水泥粘结碳纤维布加固混凝土试件破坏试验中，达到极限荷载时，碳纤维布和粘贴面均未出现明显的变形，破坏是突然发生的。破坏后，粘贴面处的碳纤维布大部分被剥离，碳纤维布底部的粘贴胶完全粘在混凝土试块上，和底胶直接接触的碳纤维布被拉断并粘在试块上，其余的则被剥离。这表明磷酸镁水泥粘结碳纤维布时，只有与底胶直接接触的碳纤维可以被浸润，碳纤维布无法与磷酸镁水泥整体受力，在承受外部荷载时，只是最底层的碳纤维传递剪力，而其上的碳纤维丝则未充分发挥作用，整块碳纤维布未能充分发挥抗拉强度高的优势。因此使用磷酸镁水泥粘结碳纤维布的效果不仅仅取决于碳纤维布和磷酸镁水泥自身的性能，而且与二者之间的粘结强度有很大关系。磷酸镁水泥与碳纤维布之间要粘结紧密，其前提是磷酸镁水泥必须能充分润湿碳纤维布。

为改善结构胶粘剂对碳纤维布的浸润性，提高胶粘剂与碳纤维布之间的粘结强度，科研工作者们研发了众多表面处理方法来改善碳纤维布的表面状态。目前，改善碳纤维布表面状态，提高结构胶粘剂与碳纤维布之间的粘结强度主要有以下三种机理：（1）提高纤维的表面粗糙度以提高其与基体的物理粘结作用；（2）增加纤维表面活性官能团以其与基体的化学粘结作用；（3）通过聚合、沉积等手段在碳纤维与基体之间增加一过渡层。

基于以上机理，目前已开发出多种碳纤维的表面处理方法，主要有氧化处理、氨气处理、表面涂层处理、等离子体处理、杵捣和加压处理等处理方式。

氧化处理主要包括气相氧化法、液相氧化法和电化学氧化法等。其中气相氧化法是将碳纤维布置于氧化性气体氛围中，利用气体氧化碳纤维布表面碳原子，引入羟基、羧基等极性官能团，增加碳纤维布与磷酸镁水泥的化学和物理粘结作用。同时，合适的气相氧化条件还可以提高碳纤维布的抗拉强度，但是气相氧化条件难以控制，非常容易造成碳纤维布的过度氧化，增加表面缺陷，降低抗拉强度。液相氧化法是利用硝酸、硫酸等强氧化性液体浸泡碳纤维布，增加碳纤维布表面活性官能团数量，增大碳纤维布表面粗糙程度。浓硝酸处理是一种较简便的液相处理方法，其处理效果随着处理时间的延长呈现出一种先增大后降低的趋势，短时间的浓硝酸处理可以提高碳纤维布与基体的粘结强度，但是随着处理时间的增加，纤维表层剥落，纤维结构受到损伤，纤维的抗拉强度降低。电化学氧化法是一种目前研究最多，工艺最成熟的氧化处理法，其主要利用碳纤维布的导电性，将碳纤维布浸泡在电解液中作为阳极，电流通过碳纤维布时发生氧化反应，在碳纤维布表面产生一些含氧官能团，从而提高碳纤维布与磷酸镁水泥之间的粘结强度，但是电化学氧化法处理碳纤维布时，处理效果也呈现出一种先增大后降低的趋势。

氨气处理法是高温下碳纤维布与氨气发生反应，在碳纤维布表面引入氨基官能团，参与磷酸镁水泥的水化反应，改善磷酸镁水泥对碳纤维布的浸润性，以及提高两者之间的粘结强度。但是氨气处理法成本较高，对环境污染也较大。

表面涂层处理包括气相沉积、偶联剂涂覆、表面电聚合、聚合物涂覆等。采用气相沉积法可以按照需要在碳纤维布表面沉积一层化合物涂层，为碳纤维布与基体之间提供应力缓冲区域，增加碳纤维布与基体之间的粘结力。偶联剂分子结构含有多种官能团，可以与碳纤维和磷酸镁水泥基体形成化学键，偶联剂涂覆在碳纤维布表面可以达到一种桥接碳纤维布与磷酸镁水泥的作用。但是碳纤维布表面活性官能团数量较少，直接在碳纤维布表面涂覆偶联剂效果较差，所以偶联剂涂覆处理之前需要首先对碳纤维布进行氧化处理，偶联剂起到强化氧化处理的作用。表面电聚合是最近发明的一种碳纤维表面处理技术，是指在电场作用下，一些含活性官能团单体分子聚合在碳纤维表面，从而将在碳纤维布表面形成一层含活性官能团的涂层，达到活化碳纤维，增加碳纤维与基体之间粘结强度的目的。涂覆处理又称上浆，选用合适的涂覆材料可以改善碳纤维布的表面能，增加磷酸镁水泥对碳纤维布的浸润性，达到增加粘结强度的目的。酚醛树脂就是一种常用的涂覆用聚合物，酚醛树脂涂覆处理的碳纤维与有机胶的粘结强度有较大提高，但是当碳纤维布与磷酸镁水泥复合时，酚醛树脂处理不仅不会增加粘结强度，而且会大大降低两者间粘结强度。

等离子体处理是使用等离子体对碳纤维布表面进行辐射，使碳纤维表面发生一些反应，增加表面活性官能团数量和表面粗糙程度，有效改善碳纤维的表面惰性，增加其与磷酸镁水泥的粘结强度。等离子体处理的优点主要表现在（1）可以常温处理，节约能量与成本；（2）处理效率高，只需要几秒钟就可以改变碳纤维表面结构和组成；（3）改性只在碳纤维表面进行，对碳纤维结构的影响较小。但是在建筑工程中使用等离子体处理，成本较大。处理时间短时，处理效果不易控制；处理时间长时，碳纤维表面过度刻蚀，表面缺陷增多，碳纤维布与磷酸镁水泥的粘结强度反而降低。

杵捣和加压处理均是使用外力将粘结胶强制压入碳纤维单丝之间。这两种方法在使用碱性激发材料作为粘结剂时具有较好的处理效果。但是磷酸镁水泥凝结时间短，浆体未完全浸润纤维单丝之前已凝结，因此杵捣和加压处理均不适合在磷酸镁水泥粘结碳纤维布中使用。

此外，纳米级二氧化镁颗粒较细，可以进入碳纤维单丝之间，也可用于改善磷酸镁水泥对碳纤维布浸润性差的问题，但是纳米级二氧化镁价格昂贵，会大大增加建筑成本，因此使用纳米级氧化镁改善磷酸镁水水泥对碳纤维布的浸润性问题仅仅停留在实验室研究阶段。

故有必要寻找一种新的，操作简单，预处理效果好，能够提高磷酸镁水泥对纤维布的浸润性，增加磷酸镁水泥和碳纤维布之间的粘结强度的碳纤维布预处理方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种操作简单，预处理效果好，能够提高磷酸镁水泥对纤维布的浸润性，增加磷酸镁水泥和碳纤维布之间的粘结强度的混凝土加固用碳纤维布预处理方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种混凝土加固用碳纤维布预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）无水乙醇溶液处理，使用浓度为99%以上的无水乙醇溶液浸泡碳纤维布24小时以上；浸泡时应密闭整个容器，防止空气中的水分进入到无水乙醇中降低无水乙醇浓度，以保证浸泡处理效果；这样,利用相似相容原理，酒精可以溶解碳纤维布表面有机物杂质，避免其干涉后续处理反应。

（2）碱溶液处理，配制40g/L的氢氧化钠溶液，将经无水乙醇处理的碳纤维布浸泡在氢氧化钠溶液中4小时以上；这样可以有效地除去碳纤维布表面有机物及杂质，避免其影响后续反应，同时不会损伤到碳纤维布自身；

（3）磷酸盐溶液处理，配制饱和磷酸盐溶液，将碱溶液处理完的碳纤维布用清水漂净，将漂净后的碳纤维布浸泡到饱和磷酸盐溶液中，浸泡时间为24小时以上；

（4）磨细氧化镁悬浊液处理，配制40g/L的磨细氧化镁悬浊液，将经过磷酸盐溶液处理后的碳纤维布浸泡在磨细氧化镁悬浊液中6小时以上；

（5）晾干碳纤维布，将处理后的碳纤维布铺于平板上晾干。

以上方案的预处理方法可以除去碳纤维表面影响其粘结的杂质，同时溶解在水中的磷酸盐可以由毛细作用，被吸附到碳纤维单丝之间。使用磷酸镁水泥粘接时，磷酸镁水泥的水化产物六水合磷酸铵镁会被残留在碳纤维布中磷酸盐诱导进入碳纤维之间的，这可以有效的粘结碳纤维单丝，同时这些分布于碳纤维单丝之间的水化产物以离子键的形式与磷酸镁水泥结合，增大了磷酸镁水泥与碳纤维布表面的机械嵌合作用，提高了磷酸镁水泥与碳纤维布之间粘结强度。

作为上述方案的优化，所述的磷酸盐饱和溶液为磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠溶液中的一种，其具体浓度为磷酸二氢铵溶液37.4g/L，磷酸二氢钾溶液22.6g/L，磷酸二氢钠溶液86.9g/L。这样采用上述几种优选的磷酸盐溶液，其具体原因是上述几种酸式磷酸盐与氧化镁反应，生成的水化产物强度均较高，具有良好的粘接效果。

作为优化，所述的磨细氧化镁悬浊液中，磨细氧化镁固体颗粒的比表面积在1000m²/kg以上。这样，氧化镁固体颗粒可以更好地和磷酸盐结合，可以更好地保证磷酸盐可以和氧化镁反应的效果，提高六水合磷酸铵镁的生成效率，进而提高预处理效果。

本发明的机理为：由于碳纤维布中每一束碳纤维都包含一万多根纤维单丝，纤维单丝间距非常小，经过磷酸盐溶液浸泡后，磷酸盐溶液可以很好的吸附在碳纤维单丝之间；再次经过磨细氧化镁悬浊液浸泡后，残留在纤维单丝之间的磷酸盐可以和氧化镁反应，生成一种具有胶结作用的水化产物——六水合磷酸铵镁，可以有效的粘结碳纤维单丝，增加碳纤维布在使用过程中抗剪和抗应力循环能力。

使用磷酸镁水泥粘结经过预处理后的碳纤维布，磷酸镁水泥可以围绕碳纤维布中的六水合磷酸铵镁晶核继续结晶，在碳纤维布内部形成穿插分布的连续物相，这些连续物相与外部磷酸镁水泥胶结形成无数个相嵌的结合点，增大了磷酸镁水泥与碳纤维布的机械嵌合作用。这种嵌合作用是一种往往被忽视、简单的力，但在实际使用中发现其对磷酸镁水泥粘结碳纤维布的影响程度很大，可以大大提高磷酸镁水泥对碳纤维布的胶结强度。

采用以上技术方案后，本发明的优点在于：（1）经过预处理后的碳纤维布与磷酸镁水泥机械粘结作用增加，粘结强度显著提高；（2）预处理后，磷酸镁水泥粘结碳纤维布的抗剪和抗应力循环能力增强；（3）浸渍液可以重复使用，对环境污染小；（4）使用结束后，可以采用暴晒浸渍液的方式析出、收集磷酸盐晶体，收集的磷酸盐晶体纯度较高，可以回收利用。

综上所述，本发明具有操作简单，预处理效果好，能够提高磷酸镁水泥对纤维布的浸润性，增加磷酸镁水泥和碳纤维布之间的粘结强度的优点。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例（一）：

一种混凝土加固用碳纤维布预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）无水乙醇溶液处理，使用浓度为99%以上的无水乙醇溶液浸泡碳纤维布24小时以上；浸泡时应密闭整个容器，防止空气中的水分进入到无水乙醇中降低无水乙醇浓度，以保证浸泡处理效果；

（2）碱溶液处理，配制40g/L的氢氧化钠溶液，将经无水乙醇处理的碳纤维布浸泡在氢氧化钠溶液中4小时以上；这样可以有效地除去碳纤维布表面有机物及杂质，避免其影响后续反应，同时不会损伤到碳纤维布自身；

（3）磷酸盐溶液处理，配制饱和磷酸二氢铵溶液，浓度为37.4g/L，将经碱溶液处理完的碳纤维布用清水漂洗两次，漂洗干净结束后，将碳纤维布浸泡到饱和磷酸二氢铵溶液中，浸泡时间为24小时以上；

（4）磨细氧化镁悬浊液处理，配制40g/L的磨细氧化镁悬浊液，将经过磷酸盐溶液处理后的碳纤维布浸泡在磨细氧化镁悬浊液中6小时以上；所述的磨细氧化镁悬浊液中，磨细氧化镁固体颗粒的比表面积在1000m²/kg以上。

（5）晾干碳纤维布，将处理后的碳纤维布铺于平板上晾干。

实施例（二）本具体实施方式与具体实施方式（一）仅仅是浸泡的磷酸盐溶液不同，其余部分相同。本具体实施方式中的饱和磷酸盐溶液为饱和磷酸二氢钾溶液，浓度为22.6g/L。

实施例（三）本具体实施方式与具体实施方式（一）仅仅是浸泡的磷酸盐溶液不同，其余部分相同。本具体实施方式中的饱和磷酸盐溶液为饱和磷酸二氢钠溶液，浓度为86.9g/L。

为进一步验证本发明的效果，申请人采用上述三种磷酸盐溶液预处理后的碳纤维布分布与实验室自制的磷酸镁水泥复合，成型40mm×40mm×160mm试件，其中碳纤维布尺寸为40mm×160mm，碳纤维布布置于试件距底面6mm处。所有试件须在1小时内脱模，脱模后在室内空气中自然养护。养护至龄期后参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》分别测试1天，7天的抗折强度，观察试件的破坏形式。结果如表1

表1预处理后碳纤维布与磷酸镁水泥复合时的抗折强度以及破坏形式

根据表1，进过预处理后的碳纤维布复合到磷酸镁水泥中，磷酸镁水泥抗折强度明显增加。与未处理的碳纤维布相比，经过磷磷酸二氢铵处理后的碳纤维布复合到磷酸镁水泥中，其1d抗折强度可以增加8.6%，7d抗折强度也可以增加8.7%，另外碳纤维布表面的磷酸镁水泥未出现明显的剥落现象。使用其他磷酸盐处理碳纤维布也会得出相同结果。这说明使用本发明方法预处理后的碳纤维布，其与磷酸镁水泥的复合效果更加好，粘结更加牢固。

Claims (2)

1.一种混凝土加固用碳纤维布预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）无水乙醇溶液处理，使用浓度为99%以上的无水乙醇溶液浸泡碳纤维布24小时以上；

（2）碱溶液处理，配制40g/L的氢氧化钠溶液，将经无水乙醇溶液处理的碳纤维布浸泡在氢氧化钠溶液中4小时以上；

（3）磷酸盐溶液处理，配制饱和磷酸盐溶液，将碱溶液处理完的碳纤维布用清水漂净，将漂净后的碳纤维布浸泡到饱和磷酸盐溶液中，浸泡时间为24小时以上；

（4）磨细氧化镁悬浊液处理，配制40g/L的磨细氧化镁悬浊液，将经过磷酸盐溶液处理后的碳纤维布浸泡在磨细氧化镁悬浊液中6小时以上；

（5）晾干碳纤维布，将处理后的碳纤维布铺于平板上晾干；

所述的饱和磷酸盐溶液为磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠溶液中的一种，其具体浓度为磷酸二氢铵溶液37.4g/L，磷酸二氢钾溶液22.6g/L，磷酸二氢钠溶液86.9g/L。

2.如权利要求1所述的混凝土加固用碳纤维布预处理方法，其特征在于，所述的磨细氧化镁悬浊液中，磨细氧化镁固体颗粒的比表面积在1000m²/kg以上。