CN114907802B - 一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶及其制备方法 - Google Patents

一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶及其制备方法。一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶，由A组分和B部分组成，A组分原料包括双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、消泡剂、邻甲苯基缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、1,4‑丁二醇二缩水甘油醚、液体聚硫橡胶增韧剂、端羧基液体丁腈橡胶增韧剂、补强剂、触变剂；B组分原料包括聚醚胺固化剂、聚酰胺固化剂、异佛尔酮二胺、DMP‑30叔胺促进剂、消泡剂、KH‑550氨丙基三乙氧基硅烷、触变剂。本发明公开的一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶及其制备方法，保证水下施工时碳纤维浸渍胶与纤维增强复合材料之间的相容性，具有良好力学性能、耐侵蚀、流动性及浸润性。

Description

一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及胶黏剂技术领域，尤其涉及一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶及其制备方法。
背景技术
公路桥梁工程领域逐渐重视运营期间结构的稳定及耐久性，尤其是工作在水环境中的桥墩和桩基础，在加强检查力度的同时，发现小微缺陷应该及时采取措施给予修补，从而达到延缓甚至消除外界腐蚀环境对于构件的侵蚀，通过外部粘贴FRP对缺陷或构件关键位置(柱中部、干湿循环区域、冻融循环区域等)进行包裹，提高钢筋混凝土柱力学性能的同时提高其耐环境侵蚀的能力，达到维修养护的目的，进而保证桥梁下部构件力学性能满足工作要求。
纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer，简称FRP)修复加固混凝土结构技术应用已非常广泛，该技术将纤维布通过胶粘剂粘贴在待修复构件的表面从而提高其承载力，FRP具有高抗拉强度、轻质高强、抗疲劳性能好、耐腐蚀的新型复合材料。浸渍胶作为纤维增强复合材料(FRP) 的基体成分，被广泛地应用于混凝土结构的修复与加固，其中混凝土结构加固方法中尤其外贴FRP加固技术应用较为广泛，该技术中FRP与混凝土基材的正常粘结是加固的关键，因此要求浸渍胶拥有良好的粘结性与耐久性。
目前常规浸渍胶在干燥环境下混凝土构件上的应用技术比较成熟，当需要在水下湿润的环境中采用粘结混凝土构件时，由于受水分影响在完全固化后常规的浸渍胶与混凝土表面的粘结面呈现白色“发泡”状，常规的浸渍胶无论是流淌状态还是半流淌状态均不能与混凝土表面有效粘结。
现有水下浸渍胶虽然能够满足水下施工，水下浸渍胶在提高韧性的同时牺牲了原有的强度及刚度，现有研究在成分中加入高强度材料来弥补浸渍胶强度的损失，但是同时导致胶体本身流动性变差从而影响了浸渍性能，进而在粘贴FRP施工过程中胶体厚薄不均，FRP受拉时内力分配不均匀容易造成应力集中导致材料过早失效。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶及其制备方法，能够适用于外贴FRP维修加固水环境桥梁桩基础及桥墩，保证水下施工时碳纤维浸渍胶与纤维增强复合材料之间的相容性，具有良好力学性能、耐侵蚀、流动性及浸润性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶，由A组分和B部分组成，其中A组分和B组分的重量比为2：1；
所述A组分原料，以重量分数计，包括：双酚A型环氧树脂50-70份、双酚F型环氧树脂30-50份、消泡剂0.1-0.15份、邻甲苯基缩水甘油醚3-4份、聚丙二醇二缩水甘油醚3-5份、1,4-丁二醇二缩水甘油醚3-5份、液体聚硫橡胶增韧剂8-10份、端羧基液体丁腈橡胶增韧剂5-8份、补强剂50-60份、触变剂4.5-6份；
所述B组分原料，以重量份数计，包括：聚醚胺固化剂5-25份、聚酰胺固化剂50-70份、异佛尔酮二胺15-30份、DMP-30叔胺促进剂3-3.5份、消泡剂0.1-0.15份、KH-550氨丙基三乙氧基硅烷3-4份、触变剂39-49份。
通过采用上述技术方案，双酚A型环氧树脂适用性较强，属于通用型环氧树脂，双酚F型环氧树脂保留双酚A型环氧树脂优良特性的同时，还具有良好的耐化学腐蚀能力和对纤维材料优异的浸渍性，双酚A型与双酚F型环氧树脂结合，胶粘剂具有良好的耐化学侵蚀能力及浸渍性。液体聚硫橡胶作为土木工程领域粘合剂中，能够很好的提高韧性以改善胶体的脆性断裂现象，但对树脂弹性模量影响较为明显，端羧基液体丁腈橡胶在提高韧性的同时保留了环氧树脂的耐侵蚀性，端羧基液体丁腈橡胶增韧剂和补强剂相结合，提高韧性的同时保留了物理力学性能及耐久性。
进一步地，在A组分原料中，所述补强剂包括活性硅微粉35-40份、纳米活性碳酸钙15-20份，更进一步地，活性硅微粉目数为400-2000，纳米活性碳酸钙的目数为800-1000。
通过采用上述技术方案，采用纳米活性碳酸钙作为补强剂和触变剂，可以减弱水环境对粘结面及胶粘剂本身固化的不良影响，提高浸渍胶在水下环境的适用性；采用纳米活性碳酸钙和活性硅微粉作为浸渍胶的补强剂，有效提高了胶体的弹性模量及强度。
进一步地，在A组分原料中，所述触变剂包括气相二氧化硅4-5份、活性聚酰胺蜡0.5-1份，更进一步地，气相二氧化硅的目数为800-1000。
通过采用上述技术方案，气相二氧化硅具有疏水性，可以大幅提高胶粘剂在水下的固化效果，并且使树脂基复合材料具有优异的耐磨性和抗老化性能；活性聚酰胺蜡与气相二氧化硅均能够均匀分布在整个体系中并形成分子间氢键，在没有外力剪切或温度剧烈变化时，氢键的存在使得在整个体系中呈现出网状结构，有效防止固体颗粒的沉降，增强体系的粘稠性和防流挂效果，此外，活性聚酰胺蜡中氢键经剪切断裂后恢复粘度的过程较慢，从而能够赋予体系一定的流平性，提高浸渍效果。
进一步地，在B组分原料中，所述触变剂包括活性硅微粉20-25份、活性碳酸钙16-20份、气相二氧化硅3-4份，更进一步地，活性硅微粉目数为 400-2000。
进一步地，所述活性硅微粉采用如下方法制备：活性硅微粉为复合偶联剂处理过的憎水型硅微粉。
进一步地，在A组分原料中，所述纳米活性碳酸钙采用如下方法制备：纳米活性碳酸钙经过表面活性剂处理过的碳酸钙。
进一步地，在A组分原料中，所述消泡剂选自BYK-065消泡剂；
在B组分原料中，所述消泡剂选自BYK-065消泡剂。
进一步地，在A组分原料中，所述双酚A型环氧树脂的环氧值为0.43-0.48；所述双酚F型环氧树脂的环氧值为0.56-0.63。
进一步地，A组分原料中的气相二氧化硅和B组分原料中的气相二氧化硅均为疏水性气相二氧化硅，疏水性气相二氧化硅的比表面积为180-220㎡/g。
本发明公开的一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶的有益效果：
1、采用双酚A型与双酚F型环氧树脂结合，胶粘剂具有良好的耐化学侵蚀能力及浸渍性；
2、采用有机增韧剂聚硫橡胶及端羧基液体丁腈橡胶，极大提高了浸渍胶的韧性，使得复合材料能够承受因受力而导致的较大变形；
3、采用端羧基液体丁腈橡胶增韧剂和补强剂相结合，提高韧性的同时保留了物理力学性能及耐久性；
4、触变剂原料中的活性聚酰胺蜡与气相二氧化硅结合，能够均匀分布在整个体系中并形成分子间氢键，在没有外力剪切或温度剧烈变化时，氢键的存在使得在整个体系中呈现出网状结构，有效防止固体颗粒的沉降，增强体系的粘稠性和防流挂效果
5、活性聚酰胺蜡中氢键经剪切断裂后恢复粘度的过程较慢，从而能够赋予体系一定的流平性，提高浸渍效果。
一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶的制备方法，包括如下步骤：
S1：制备组分A：将双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、邻甲苯基缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚混合均匀，然后加入液体聚硫橡胶增韧剂、端羧基液体丁腈橡胶增韧剂、消泡剂继续混合均匀，再加入补强剂混合均匀，最后加入触变剂混合均匀，得到组分A；
S2：制备组分B：将聚醚胺固化剂、聚酰胺固化剂、异佛尔酮二胺、DMP-30 叔胺促进剂、KH-550氨丙基三乙氧基硅烷，然后加入触变剂混合均匀，得到组分B；
S3：将组分A和组分B混合均匀，得到碳纤维浸渍胶。
本发明公开的一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶的制备方法的有益效果：通过改变并调整A组分的原料组成和配比，在提高碳纤维浸渍胶在水下韧性的同时，保证碳纤维浸渍胶的强度、浸渍性和流动性，适用于外贴FRP维修加固水环境桥梁桩基础及桥墩，保证水下施工时胶体与纤维材料之间的相容性。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和对比例以及制备例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
原料与中间体的制备例
本申请中使用的原料来源如下所示：
表1：原料来源
原料名称 来源
双酚A型环氧树脂 山东德源环氧科技有限公司
双酚F型环氧树脂 重庆敬益新材料有限公司
BYK-065消泡剂 深圳市大洋新材料有限公司
液体聚硫橡胶增韧剂 湖北博峰化工有限公司
端羧基液体丁腈橡胶增韧剂 靖江市通高化工有限公司
活性聚酰胺蜡 苏州青田新材料有限公司
DMP-30叔胺促进剂 山东鑫百禾化工科技有限公司
KH-550氨丙基三乙氧基硅烷 山东环正化工有限公司
活性硅微粉 连云港浩森矿产品有限公司
纳米活性碳酸钙 上海缘江化工有限公司
实施例
一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶的制备方法，包括如下步骤：
S1：组分A制备过程如下：
(1)将双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、邻甲苯基缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚加入搅拌器内搅拌3-5min，然后加入液体聚硫橡胶增韧剂、端羧基液体丁腈橡胶增韧剂、BYK-065消泡剂在搅拌器中继续混合搅拌8-10min；
(2)将活性硅微粉、纳米活性碳酸钙在搅拌器的外部进行预混合，然后将预混合后的混合物均匀地分成3份，并且分3次加入步骤(1)的搅拌器中，继续混合搅拌10-15min；
(3)将气相二氧化硅以及活性聚酰胺蜡在搅拌器的外部进行预混合，然后将预混合后的混合物均匀地分成3份，并且分3次加入步骤(2)的搅拌器中，继续混合搅拌40-50min；
(4)搅拌结束后，将步骤(3)搅拌器中的混合物经研磨机研磨，得到组分A；
S2：组分B制备过程如下：
(1)将聚醚胺固化剂、聚酰胺固化剂、异佛尔酮二胺、DMP-30叔胺促进剂、KH-550氨丙基三乙氧基硅烷加入搅拌器内搅拌5-8min；
(2)将固体成分活性硅微粉、活性碳酸钙、气相二氧化硅在搅拌器的外部进行预混合，然后将预混合后的混合物均匀地分成3份，并且分3次加入步骤(1)的搅拌器中，继续混合搅拌50-60min；
(3)搅拌结束后，将步骤(2)搅拌器中的混合物经研磨机研磨，得到组分B；
S3：将组分A和组分B按照重量比为2:1进行混合，以150～180r/min，手动或者机器搅拌，直至色泽一致、搅拌均匀，得到碳纤维浸渍胶；本申请所制备的碳纤维浸渍胶，其中的A组份或B组份制取后为单独包装储藏，使用时A组份和B组份直接混合均匀即可。
本申请所涉及搅拌器优选为双行星搅拌器，其转动方式为行星轮转动，搅拌桨公转速度为45r/min，自转转速为100r/min，分散盘转速为1400r/min，搅拌器自带温控装置，反应温度设置为20～40℃；研磨机优选为三辊研磨机，每个辊转速皆有不同，其中慢辊转速22.4r/min，中辊转速56r/min，快辊转速 140r/min。
表2：实施例1-4的配料表
对比例
对比例1：与实施例1的区别在于，组分A中未添加双酚A型环氧树脂。
对比例2：与实施例1的区别在于，组分A中未添加双酚F型环氧树脂。
对比例3：一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶的制备方法，包括如下步骤：
S1：组分A制备过程如下：
(1)将双酚A型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、邻甲苯基缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚加入搅拌器内搅拌3-5min，然后加入液体聚硫橡胶增韧剂、端羧基液体丁腈橡胶增韧剂、BYK-065消泡剂在搅拌器中继续混合搅拌8-10min，原料配比同实施例1；
(2)同实施例1；
(3)同实施例1；
(4)同实施例1；
S2：组分B制备同实施例1。
对比例4：与实施例1的区别在于，组分A中未添加液体聚硫橡胶增韧剂。
对比例5：与实施例1的区别在于，组分A中未添加端羧基液体丁腈橡胶增韧剂。
对比例6：与实施例1的区别在于，组分A和组分B中的活性硅微粉均未采用复合偶联剂处理。
对比例7：一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶的制备方法，包括如下步骤：
S1：组分A制备过程如下：
(1)同实施例1；
(2)将活性硅微粉、碳酸钙在搅拌器的外部进行预混合，然后将预混合后的混合物均匀地分成3份，并且分3次加入步骤(1)的搅拌器中，继续混合搅拌10-15min，原料配比同实施例1；
(3)同实施例1；
(4)同实施例1；
S2：组分B制备同实施例1。
对比例8：与实施例1的区别在于，组分A中未添加气相二氧化硅。
对比例9：与实施例1的区别在于，组分A中未添加活性聚酰胺蜡。
对比例10：与实施例1的区别在于，组分B中未添加活性硅微粉。
对比例11：与实施例1的区别在于，组分B中未添加活性碳酸钙.
性能检测试验
1、胶体性能测试，检测结果见表3。
在室温条件下、有水环境中，对上述实施例1-4和对比例1-11提供的碳纤维浸渍胶进行制作并养护至完全固化，测试环境为(24±2)℃、(55±5) ％RH，以1.5mm/min均匀施加荷载进行如下测试。
抗拉强度、受拉弹性模量、伸长率：按照《树脂浇铸体性能试验方法》 GB/T 2567-2008中的规定，制备哑铃型拉伸强度试样，常温水下固化后，测试环境为(23±2)℃、相对湿度(50±5)％，以2mm/min的速度分别对抗拉强度、受拉弹性模量、伸长率进行测试；
抗压强度：根据《树脂浇铸体性能试验方法》GB/T 2567-2008中的规定，制备高度25mm、直径为10mm的试样，在常温水下环境养护，测试环境为 (23±2)℃、相对湿度(50±5)％，以2mm/min的加载速度对抗压强度进行测试；
抗弯强度：根据《树脂浇铸体性能试验方法》GB/T 2567-2008中的规定，制备厚度4mm、长度80mm、宽度15mm的试样，在常温水下环境养护完毕后进行三点弯曲试验，跨距为64mm，加载上压头半径为5mm，长度方向与支座和上压头垂直。测试环境为(23±2)℃、相对湿度(50±5)％，以2mm 的加载速度对抗弯强度进行测试。
表3：胶体性能测试结果
2、粘结能力测试：在室温条件下、有水环境中，对上述实施例1-4提供的碳纤维浸渍胶进行制作并养护至完全固化，测试环境为(24±2)℃、(55 ±5)％RH，以1.5mm/min均匀施加荷载进行如下测试，检测结果见表4。
钢对钢粘结剪切强度：根据《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》 GB 50728-2011和《胶粘剂拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料)》GB/T 7124-2008中的要求，检测用钢片长度100mm、宽度25mm，粘结面积为12.5mm×25mm，粘结前在钢片表面进行喷砂，确保粘结面粗糙，通过 0.2mm的钢丝确认胶层厚度，以5mm/min的速度进行加载。
钢对钢粘结抗拉强度：根据《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》 GB 50728-2011和《胶粘剂对接接头拉伸强度的测定》GB/T 6329-1996中的要求，制备直径为15mm的钢对钢粘结抗拉强度试样，常温水环境固化，标准测试条件下以3mm/min的速度进行加载。
钢对钢T冲击剥离长度：根据《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》 GB50728-2011中的要求，制备钢对钢T冲击剥离长度试样，对钢片进行喷砂处理。确保粘结面粗糙，使用钢丝确定胶层厚度，粘结完成后在常温水下环境夹紧养护，在标准条件下进行测试，自由落体砝码重量为905g，自由下落高度为305mm。
钢对C45混凝土正拉粘结强度：根据《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》GB50728-2011中的要求，在70mm×70mm×70mm的C45混凝土试块上切出深5mm、缝宽2mm的预切缝，预切缝围成的净尺寸为40mm× 40mm，打磨粘结面至露出骨料，将喷砂处理后的钢标准块粘结至40mm× 40mm的粘结面上，常温水下加压固化养护，标准条件下进行测试。
表4：粘结能力测试结果
3、固化时间测试：按照《预浸料性能测试方法第1部分：凝胶时间的测定》(GB/T32788.1-2016)进行测试，检测结果见表5。
表5：固化时间测试结果
测试项目 初步固化时间(min)
实施例1 41
实施例2 42
实施例3 42
实施例4 44
结合表5可知，初步固化时间是胶体初步变为固体的时间，完全固化时间一般没有明显的界限，一般认为达到95％强度以上即为完全固化，胶体完全固化时间一般在24～72小时之间。
结合实施例1-4和对比例1-12并结合表3-5可以看出，双酚A型环氧树脂与双酚F型环氧树脂等量加入时强度较高，虽然双酚A单独使用时强度最高，但是双酚F型环氧树脂具有良好的耐久性，因此两者结合使用。活性硅微粉与纳米活性碳酸钙的加入可以提高胶体的强度及弹性模量，而极小程度降低伸长率，有效补偿增韧剂对强度造成的损失。液体聚硫橡胶和端羧基液体丁腈橡胶增韧剂：加入可以极大程度提高材料的延性，防止其发生突然性地脆性破坏。液体聚硫橡胶应用较多，端羧基液体丁腈橡胶在增韧的同时保留胶体的耐久性。固化剂：异佛尔酮二胺的加入可以较大程度提高胶体的强度，但是另外两种固化剂具有较好的耐久性，从而提高胶体耐腐蚀能力。
综上可知，本申请制备的碳纤维浸渍胶具有良好的力学性能、耐侵蚀并且具有良好流动性及浸润性，能够适用于外贴FRP维修加固水环境桥梁桩基础及桥墩，能够保证水下施工时胶体与纤维材料之间的相容性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶，其特征在于，由A组分和B部分组成，其中A组分和B组分的重量比为2：1；
所述A组分原料，以重量分数计，包括：双酚A型环氧树脂50-70份、双酚F型环氧树脂30-50份、消泡剂0.1-0.15份、邻甲苯基缩水甘油醚3-4份、聚丙二醇二缩水甘油醚3-5份、1,4-丁二醇二缩水甘油醚3-5份、液体聚硫橡胶增韧剂8-10份、端羧基液体丁腈橡胶增韧剂5-8份、补强剂50-60份、触变剂4.5-6份；
所述B组分原料，以重量分数计，包括：聚醚胺固化剂5-25份、聚酰胺固化剂50-70份、异佛尔酮二胺15-30份、DMP-30叔胺促进剂3-3.5份、消泡剂0.1-0.15份、KH-550氨丙基三乙氧基硅烷3-4份、触变剂39-49份；
在A组分原料中，所述补强剂包括活性硅微粉35-40份、纳米活性碳酸钙15-20份，所述触变剂包括气相二氧化硅4-5份、活性聚酰胺蜡0.5-1份；
在B组分原料中，所述触变剂包括活性硅微粉20-25份、纳米活性碳酸钙16-20份、气相二氧化硅3-4份；
在原料中，所述活性硅微粉为复合偶联剂处理过的憎水型硅微粉。
2.根据权利要求1所述的一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶，其特征在于，在A组分原料中，所述纳米活性碳酸钙为经过表面活性剂处理过的碳酸钙。
3.根据权利要求1所述的一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶，其特征在于，在A组分原料中，所述消泡剂选自BYK-065消泡剂；
在B组分原料中，所述消泡剂选自BYK-065消泡剂。
4.根据权利要求1所述的一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶，其特征在于，在A组分原料中，所述双酚A型环氧树脂的环氧值为0.43-0.48；所述双酚F型环氧树脂的环氧值为0.56-0.63。
5.根据权利要求1所述的一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶，其特征在于，A组分原料中的气相二氧化硅和B组分原料中的气相二氧化硅均为疏水性气相二氧化硅，疏水性气相二氧化硅的比表面积为180-220㎡/g。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种水下混凝土构件维修养护用碳纤维浸渍胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：制备组分A：将双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、邻甲苯基缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚混合均匀，然后加入液体聚硫橡胶增韧剂、端羧基液体丁腈橡胶增韧剂、消泡剂继续混合均匀，再加入补强剂混合均匀，最后加入触变剂混合均匀，得到组分A；
S2：制备组分B：将聚醚胺固化剂、聚酰胺固化剂、异佛尔酮二胺、DMP-30叔胺促进剂、KH-550氨丙基三乙氧基硅烷，然后加入触变剂混合均匀，得到组分B；
S3：将组分A和组分B混合均匀，得到碳纤维浸渍胶。
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