关于混凝土结构修复补强工程中碳纤维片的耐久性能

[摘要]：碳纤维片需根据JISK 7073规定进行抗拉试验并遵照日本建设省建筑研究学会抗拉试验方法进行粘着强度试验。试验之前根据JISA1415规定，对试件进行三年自然暴露及加速暴露。试验的目的是为了确定碳纤维片的抗拉强度以及碳纤维片与混凝土之间的粘着强度随着时间的推移降低的程度。在上述任意情况下均未发现有应力损失。通过对环氧树脂表面结构的红外线光谱测试发现，环氧树脂粘着强度的降低仅限于最外层而没有进入到组织内部。从盐水喷雾试验、抗碱性能测试和疲劳试验中也获得了好的结果。

　　一、 引言
　　采用重量轻、强度高且具耐久性的碳纤维片对混凝土构件进行修复补强以及抗震加固的技术，近些年已经受到更加广泛的重视。应用目前技术进行加固，只需要用环氧树脂将碳纤维片粘贴到混凝土构件的表面即可。因此，它比其他加固技术具有更加广泛的应用价值。由于碳纤维贴片对构件重量的增加几乎可以忽略不计，因此，这种加固方法不会对构件施加额外的荷载。
　　 作者曾通过一系列使用碳纤维片加固的试验证实在混凝土构件上进行弯曲加固[1,2,3,4,5]及剪切加固[6,7]的效果。但是，长时间的加固效果及加固的持久性还有待进一步了解。因为，在实际应用中，人们期望混凝土构件加固后能持续使用很长时间。
　　使用碳纤维片这种创造性的材料进行构件加固的技术，在土木工程领域及建筑结构领域受到密切关注。尽管事实上这种材料还只是一种新的方法，其长时间的抗拉能力仍然未被证实。而长时间抗拉能力的预测可以通过加速暴露等试验加以实现。
　　本论文介绍了用碳纤维片修复补强新技术材料在各种条件下的抗拉强度及混凝土构件加固效果的持久性。论文中还给出了在修复补强新构件试验中，用环氧树脂浸润过的其他碳纤维复合材料的测试结果。

　　二、耐候性
　　1、暴露试验后的抗拉强度
　　碳纤维片(固化物)的耐候性能，是通过测量其在三年自然暴露及加速暴露试验后的抗拉强度得出的。暴露条件和抗拉试验方法在表1中列出。JISA 1415中规定了加速暴露试验的最长暴露时间是2000小时。但是作者也进行了超过10000小时的暴露试验。对包括其他的纤维补强材在内的FRP棒也同时进行超过10000小时的加速暴露试验。 抗拉试验是根据JISK 7073关于进行自然暴露和2000小时加速暴露试验的测试物的规定及JISR 7601对于进行10000小时加速暴露试验测试物的规定进行的。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表1 暴露条件及抗拉试验方法

　　在自然暴露和在2000小时加速暴露条件下，抗拉强度随时间的变化规律。图3比较了各种纤维复合材料在加速暴露达到10000小时的条件下，抗拉强度随时间变化的规律。
　　无论是在自然暴露还是在加速暴露试验中，都没有发现抗拉强度有任何损失。从这些试验结果中得出的结论是：碳纤维片有足够的耐候能力。用紫外线强光仪进行200小时加速暴露试验的效果一般被认为等同于一年自然暴露的效果。因此，10000小时加速暴露试验大致可以被认为等同于50年自然暴露的效果。

　　2、暴露后的粘着强度
　　应用碳纤维片进行修复补强的技术，要求将碳纤维片贴于混凝土结构的表面，以使其承担一部分应力，因此，确保在混凝土和碳纤维片界面之间的应力传递可以保持很长时间是非常必要的。为了评估混凝土表面及碳纤维片之间粘着力的耐候能力，在三年自然暴露及加速暴露试验之后进行了粘着力试验。 　　表2及图4分别表明了暴露条件及粘着力试验方法。粘着力试验是根据建筑研究学会抗拉试验方法进行的。将一个由深槽环绕的构件粘贴在此前受过自然暴露或加速暴露试验的试件表面，进行抗拉试验以确定粘着强度。
　　在长达2000小时的加速暴露和自然暴露条件下，粘着强度的变化规律。在自然或加速暴露之后的粘着强度试验结果中，没有发现粘着强度有任何损失。从这些试验结果中可以得出结论：混凝土与碳纤维片之间的粘着力有足够的耐候性能。

　　三、利用红外线光谱仪对于加速暴露后的试件性能进行评估
　　碳纤维片是用环氧树脂来粘贴的。尽管对环氧树脂这种材料一般认为在耐候性能方面还存在问题，但对于许多含有环氧树脂的碳纤维类材料进行耐候能力试验之后，并未发现抗拉强度及粘着强度出现任何损失。 为了评估碳纤维片性能的降低，用光谱仪对经过10000小时的加速暴露试验后的试件进行检查，并与其暴露之前的条件加以比较。这个试件是涂了环氧树脂的直径3mm的CFRP棒，其效果与使用碳纤维片工法技术是相同的。用紫外线光源对试件进行10000小时加速暴露之后，用红外线光谱仪对结构表面及表面下2微米深度的部位进行分析。

　　作为参照，同样对没有做加速暴露试验的试件进行了分析。
　　试件分析结果。从中可以看出，在暴露试验前环氧树脂在波长为820cm-1时的粘着力可见于试件的表面及表面下2微米深处，而在暴露之后的试件中，这种粘着力只见于试件表面以下2微米深处，表面层则没有。结果表明：粘着力的减退只发生在环氧层表面，而在环氧层表面以下则没有问题。