CN112552830A - 提升cfrp-钢板粘结界面性能的处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及FRP板应用技术领域，特别涉及一种提升CFRP‑钢板粘结界面性能的处理方法，具体包含：在钢板表面涂抹硅烷偶联剂，在粘结胶中加入增韧剂，并在钢板和CFRP板之间的粘结胶层中间铺设一个用于防止电化学腐蚀的绝缘层。本发明能够有效提升外贴CFRP板加固钢结构界面在腐蚀环境中的耐久性，实现工艺简单，效果稳定，易于推广应用，经处理后的CFRP‑钢界面能适应各种复杂的腐蚀环境，使用寿命长，在外贴CFRP板加固钢结构领域具有较强的竞争优势和应用价值。

Description

提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法
技术领域
本发明涉及FRP板应用技术领域，特别涉及一种提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料(carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称CFRP)是由碳纤维与树脂基体按一定比例混合并经过一定成型工艺形成的高性能新型复合材料。随着科技的进步与复合材料技术的提高，CFRP板在土木建筑领域的应用越来越广泛，特别是CFRP板材由于其良好的耐久性能、极高的强度、便捷的加固方法在加固领域的应用越来越被人们所肯定，特别是近年来CFRP板在混凝土及钢结构的加固领域越来越被人们所重视。
相比传统的加固材料(如钢材等)，碳纤维增强复合材料(简称CFRP)具有轻质高强、耐久性好、抗疲劳性能好等一系列优点，近年来被越来越多地应用于各类工程结构的增强与加固修复。相比传统的钢结构加固方法，外贴CFRP加固钢结构技术在材料性能、加固面的力学性能及施工操作等方面具有明显的优势。在保证外贴CFRP板加固钢结构体系中CFRP板及钢板质量的前提下，影响整个结构承载力的关键就是粘结界面的性能。外贴加固钢结构往往存在于恶劣腐蚀环境中，环境的长期腐蚀能显著降低粘结界面的承载力，影响加固结构的使用寿命。目前关于外贴CFRP加固钢结构粘结界面在腐蚀环境中性能提升的研究还很少，特别是综合提升其在各种复杂环境下耐久性能的研究还没有。因此急需一种综合性的CFRP-钢界面提升方案来解决界面在复试环境中耐久性不足的问题。
发明内容
针对外贴CFRP板加固钢结构在腐蚀环境中界面长期性能退化等问题，本发明提供一种提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，为外贴CFRP板加固钢结构在土木工程钢结构加固领域的应用与推广提供助力，并解决CFRP-钢界面长期实际服役过程中耐久性不足等问题。
按照本发明所提供的设计方案，本发明还提供一种提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，用于提升外贴CFRP板和加固钢板之间粘结界面的性能，包含如下内容：
将CFRP板和钢板两者表面清理干净；
将拌和后的粘钢胶分别均匀涂抹在CFRP板和钢板两者待粘结表面；
在钢板表面的粘钢胶上放置绝缘层，将涂有粘钢胶的CFRP板敷贴在钢板的绝缘层上；
在CFRP板上施加压力并固化。
作为本发明提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，进一步地，清理CFRP板表面时，利用砂纸或抛光机将CFRP板进行打磨处理，去除其表面的树脂。
作为本发明提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，进一步地，清理钢板表面时，利用细砂对钢板表面进行喷砂处理，去除其表面污垢。
作为本发明提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，进一步地，拌和粘钢胶时，加入体积率为10％～20％的增韧剂。
作为本发明提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，进一步地，所述增韧剂采用对环氧树脂具有增韧效果的物质，该物质为羧基液体丁腈橡胶、或为端羧基液体丁腈橡胶、或为聚硫橡胶、或为液体硅橡胶。
作为本发明提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，进一步地，增韧剂和粘钢胶拌和完成后，在5-10分钟内涂抹在CFRP板和钢板上。
作为本发明提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，进一步地，钢板涂抹粘钢胶前，先在其表面均匀涂抹一层硅烷偶联剂。
作为本发明提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，进一步地，所述硅烷偶联剂为对无机物和有机物具有偶联效果的物质，该物质为氨基系列、或为烷基系列、或为含硫硅烷系列、或为交联剂系列、或为环氧基系列。
作为本发明提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，进一步地，所述绝缘层采用玻璃纤维绝缘材料或为玄武岩纤维绝缘材料或为芳纶纤维绝缘材料。
作为本发明提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，进一步地，固化环境采用温度为15℃～25℃，固化时间依据经验值进行设定。
本发明的有益效果：
本发明结构简单，设计科学、合理，能够有效提升外贴CFRP板加固钢结构界面在腐蚀环境中的耐久性，处理方法工艺简单，搭配合理，效果稳定，易于推广应用，经处理后的CFRP-钢界面能适应各种复杂的腐蚀环境，使用寿命长，在外贴CFRP板加固钢结构领域具有较强的竞争优势和应用价值。
附图说明：
图1为实施例中CFRP-钢板粘结界面结构示意。
图中标号，标号1代表CFRP板，标号2代表钢板，标号3代表胶层。
具体实施方式：
下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。
本发明实施例，参见图1所示，本发明实施例还提供一种提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，用于提升外贴CFRP板加固钢板结构粘结界面性能，包含如下内容：将CFRP板和钢板两者表面清理干净；将拌和后的粘钢胶分别均匀涂抹在CFRP板和钢板两者待粘结表面；在钢板表面的粘钢胶上放置绝缘层，将涂有粘钢胶的CFRP板敷贴在钢板的绝缘层上；在CFRP板上施加压力并固化。
进一步地，清理CFRP板表面时，利用砂纸或抛光机将CFRP板进行打磨处理，去除其表面的树脂。可使CFRP板的表层纤维露出，可以更好的增加CFRP与粘钢胶的粘结力。
进一步地，清理钢板表面时，利用细砂对钢板表面进行喷砂处理，去除其表面污垢。可选用石英砂、铁砂、氧化铝砂等质地坚硬的细砂。其目的在于去除钢板表面的油渍、锈迹等污垢，露出具有较强化学活性的钢表面，增加钢与粘钢胶之间的粘结力。
作为本发明实施例中的提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，进一步地，拌和粘钢胶时，加入体积率为10％～20％的增韧剂。充分拌合，拌和完成后，5-10分钟内使用。进一步地，所述增韧剂采用对环氧树脂具有增韧效果的物质，该物质为羧基液体丁腈橡胶、或为端羧基液体丁腈橡胶、或为聚硫橡胶、或为液体硅橡胶。有效减少CFRP-钢胶层内的微裂缝和孔洞，增加胶层的疲劳性、耐久性。
作为本发明实施例中的提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，进一步地，钢板涂抹粘钢胶前，先在其表面均匀涂抹一层硅烷偶联剂。涂抹时，可用软毛刷均匀的在钢板表面涂刷，保证硅烷偶联剂均匀且完整的覆盖在钢表面。进一步地，所述硅烷偶联剂为对无机物和有机物具有偶联效果的物质，该物质为氨基系列、或为烷基系列、或为含硫硅烷系列、或为交联剂系列、或为环氧基系列。在无机物钢板与有机物粘钢胶之间形成“分子桥”，增加钢板与粘钢胶之间的粘结力。
绝缘层可选用玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维等绝缘性良好的材料。其目的在于阻断湿润环境下CFRP板与钢板之间的电子通路，防止电化学腐蚀；另外，粘钢胶内绝缘纤维的存在也有助于增加粘钢胶的整体力学性能。CFRP板粘贴完成后可在温度为20℃左右的环境中固化一段时间。
本发明实施例中，对CFRP板表面进行打磨去除表层树脂，可以有效防止CFRP板/胶界面脱黏；对钢板进行喷砂处理，去除表面污垢，露出具有化学活性的钢表面，可以有效防止钢/胶界面脱黏；在粘钢胶中加入一定比例的增韧剂，可以有效改善粘结剂的韧性和抗裂能力，其将聚集成球形颗粒，在环氧树脂构成的交联网络中形成分散相，使材料内的微裂缝大量较少，对耐疲劳和耐久性能也有一定的改善，并减少湿润环境下水分进入胶层而造成的界面损伤；在钢表面涂抹一层硅烷偶联剂，其是一种具有两种以上不同反应基的有机硅单体,它可以和有机材料与无机材料发生化学键合(偶联)。其中，硅烷氧基对无机物具有反应性，有机官能基对有机物具有反应性或相容性。因此,当硅烷偶联剂介于无机和有机界面之间，可形成有机基体-硅烷偶联剂-无机基体的结合层，增加钢/胶界面的粘结力；在粘钢胶层中铺设绝缘层，可以有效阻断在湿润环境下CFRP板与钢之间的电子通路，有效减弱界面长期服役过程中的电化学腐蚀。这一整套界面处理方法包括物理手段和化学手段，从这两方面入手提升CFRP板/胶界面、胶层性能、钢/胶界面等的整体性能，其对界面性能的提升效果明显，适用范围广，能增强外贴CFRP板加固钢结构界面在湿润环境(海洋环境、干湿循环、常年雨季环境)、常见温度影响环境(高温、低温、冻融循环)等恶劣环境中长期服役的性能。
为验证本发明方案的有效性，下面结合具体实例做进一步解释说明：
实例一：
人工海水浸泡环境设置：采用表1所列的比例制备的人工海水，温度设置为40℃，腐蚀龄期分别为1个月、3个月和6个月。
试件类型分为两种：(1)未做任何界面处理措施的CFRP-钢单剪试件(2)采用本发明提出的界面性能提升措施处理的CFRP-钢单剪试件。试验结果如表2所示。
表1：人工海水的组成
Figure BDA0002801948800000071
表2：人工海水腐蚀试验结果
Figure BDA0002801948800000072
实例二：
冻融循环环境设置：采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T50082-2009)》中的快冻法，冻融循环控制温度为+8℃～-20℃，每个冻融循环时间为5～6个小时。冻融循环次数分别为100次、200次和400次。
试件类型分为两种：(1)未做任何界面处理措施的CFRP-钢单剪试件(2)采用本发明提出的界面性能提升措施处理的CFRP-钢单剪试件。试验结果如表3所示。
表3：冻融循环腐蚀试验结果
Figure BDA0002801948800000081
为了对比本案方案的效果，选择CFRP-钢单剪节点为研究对象，进行实例1和实例2两个对比试验，由表2和表3的结果可以看到，采用本案方案能够有效提升外贴CFRP板加固钢结构界面在腐蚀环境中的性能，经过长时间腐蚀后界面承载力的保持率得到明显的改善。
可以理解的是，前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
本文中术语“和/或”表示可以存在三种关系。例如，A和/或B可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似词语并非现定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
上文中参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (10)

1.一种提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，用于提升外贴CFRP板和加固钢板之间粘结界面的性能，其特征在于，包含如下内容：
将CFRP板和钢板两者表面清理干净；
将拌和后的粘钢胶分别均匀涂抹在CFRP板和钢板两者待粘结表面；
在钢板表面的粘钢胶上放置绝缘层，将涂有粘钢胶的CFRP板敷贴在钢板的绝缘层上；
在CFRP板上施加压力并固化。
2.根据权利要求1所述的提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，其特征在于，清理CFRP板表面时，利用砂纸或抛光机将CFRP板进行打磨处理，去除其表面的树脂。
3.根据权利要求1所述的提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，其特征在于，清理钢板表面时，利用细砂对钢板表面进行喷砂处理，去除其表面污垢。
4.根据权利要求1所述的提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，其特征在于，拌和粘钢胶时，加入体积率为10％～20％的增韧剂。
5.根据权利要求4所述的提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，其特征在于，所述增韧剂采用对环氧树脂具有增韧效果的物质，该物质为羧基液体丁腈橡胶、或为端羧基液体丁腈橡胶、或为聚硫橡胶、或为液体硅橡胶。
6.根据权利要求4或5所述的提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，其特征在于，增韧剂和粘钢胶拌和完成后，在5-10分钟内涂抹在CFRP板和钢板上。
7.根据权利要求1所述的提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，其特征在于，钢板涂抹粘钢胶前，先在其表面均匀涂抹一层硅烷偶联剂。
8.根据权利要求7所述的提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂为对无机物和有机物具有偶联效果的物质，该物质为氨基系列、或为烷基系列、或为含硫硅烷系列、或为交联剂系列、或为环氧基系列。
9.根据权利要求1所述的提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，其特征在于，所述绝缘层采用玻璃纤维绝缘材料或为玄武岩纤维绝缘材料或为芳纶纤维绝缘材料。
10.根据权利要求1所述的提升CFRP-钢板粘结界面性能的处理方法，其特征在于，固化环境采用温度为15℃～25℃，固化时间依据经验值进行设定。
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