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加固混凝土环氧树脂/纤维复合体系及其性能研究

作　者: 朱红梅
导　师: 牟其伍
学　校: 重庆大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 环氧树脂碳酸钙改性纤维粘接
分类号: TU599
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

混凝土结构由于其受力性能好、造价低而在土木工程中被广泛采用.但由于长期暴露在侵蚀性环境下钢筋的锈蚀、混凝土的劣化,或随着经济和技术的发展需提高原设计的等级,或发生严重的偶然事件(如地震、火灾、车船的撞击等)后,结构不再满足设计的功能要求,需要进行补强或加固.传统的墩柱补强或加固方法如扩大截面法、外包钢法等工期长,作业空间大,需大型施工设备等,会严重影响结构的正常使用,造成直接或间接的经济损失.纤维增强复合材料(简称FRP)是一种新型建筑材料,因为其具有强度高、质量轻、易于剪裁施工等优点,在混凝土结构的补强加固领域尤其受到推崇。目前这种新型材料的应用体系在日本、美国已经较为成熟。我国于二十世纪九十年代后期开展FRP的研究应用工作,其中外部粘贴FRP片材加固混凝土结构技术是目前研究的重点和热点。外贴FRP材料加固混凝土墩柱的方法具有施工期短,工作量少(仅需少量人工手工操作即可),耐久性能好且施工质量容易保证等优点,受到业内人士的日益关注。本文在分析混凝土粘接方法的基础上对加固混凝土粘接用的环氧树脂体系进行了研究,制备了适合的粘接混凝土用的环氧树脂体系,用来满足碳纤维和玻璃纤维复合材料加固修复建筑物结构的施工要求。通过偶联剂KH-550来活化碳酸钙,使碳酸钙在材料中的分散性变好,并在材料的界面间起到连接作用,改善复合材料的界面。并利用各种测试方法来讨论增韧改性的效果和机理。通过对不同固化剂含量固化后的环氧树脂体系的凝胶时间、固化度和固化硬度以及力学性能进行了研究,并对固化机理进行了初步的分析,确定了最佳的固化剂的用量。利用SEM对碳酸钙/环氧树脂复合材料进行微观分析表征,实验结果表明:纯环氧树脂的断裂面非常的规整,断裂面上没有塑性形变,属于典型的脆性断裂,因此材料的机械性能较低。而加入碳酸钙后的复合材料的断面,非常粗糙,环氧树脂基体在冲击方向上存在明显的突起和滑移,碳酸钙和其周围的环氧树脂基体的界面相引发银纹,表明环氧树脂基体发生了大面积的塑性形变,塑性形变的产生吸收了大量的冲击能,从而使得复合体系的韧性得以提高。利用万能力学实验机等对制备的环氧树脂复合材料进行了机械性能方面的研究。实验表明:在没有添加碳酸钙时,环氧树脂的拉伸强度和冲击强度分别为42.3 MPa和10.11 KJ/m2,随着碳酸钙添加量的增加,复合材料的冲击强度逐渐提高,当碳酸钙与环氧树脂质量比为5∶100时出现了最大值,分别为78.8MPa和17.4KJ/m2,环氧树脂复合材料的拉伸强度和冲击强度均达到最大值,这说明碳酸钙的添加能够提高环氧树脂的拉伸强度和冲击强度。综上的微观和宏观研究表明,碳酸钙/环氧树脂复合体系可以作为加固混凝土的粘接材料。本文还重点研究了环氧树脂复合体系粘接后纤维布与混凝土的粘接性能,分析了试件的主要的性能指标。在对两种纤维的性能进行了比较的基础上,通过弯曲实验分析样品破坏的情况,分析环氧树脂复合体系进行增韧改性后对于粘接性能和加固效果的影响,并分析粘接厚度对其加固后混凝土性能的影响。实验结果表明:对于延性要求较高的受弯的构件,玻璃纤维是非常理想的补强材料。而对那些延性要求不高,对刚度要求较高,极限承载能力不是很大的受弯的构件,可以采用碳纤维或者多层玻璃纤维、多层分条粘贴玻璃纤维进行补强。最后从经济效益进行对比分析,在相同的效果下,使用玻璃纤维布的加固成本平均每平方米要比碳纤维少得多。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-13
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 加固修复建筑物国内外发展现状  10-11
  1.3 本课题研究的学术与实用意义  11-12
  1.4 本课题研究的主要内容  12-13
2 文献综述  13-30
  2.1 加固修复树脂体系的概述  13-14
  2.2 环氧树脂的概述  14-16
    2.2.1 环氧树脂特点  14-15
    2.2.2 环氧树脂性能的缺陷及改性  15-16
    2.2.3 环氧树脂增韧改性途径  16
  2.3 环氧树脂增韧机理  16-19
    2.3.1 柔性颗粒相诱发基体塑性变形  16-17
    2.3.2 裂纹钉锚机理  17-18
    2.3.3 互穿聚合物网络增韧机理  18
    2.3.4 分散相的撕裂和塑性拉伸机理  18-19
  2.4 环氧树脂的增韧改性进程  19-23
  2.5 混凝土加固技术  23-24
    2.5.1 我国混凝土加固技术发展现状  23
    2.5.2 传统加固方法的优缺点及适用范围  23-24
  2.6 纤维增强材料的概述  24-26
    2.6.1 纤维增强复合材料加固混凝土结构的特点  25
    2.6.2 碳纤维复合材料(CFRP)  25
    2.6.3 玻璃纤维复合材料(GFRP)  25
    2.6.4 混杂纤维复合材料(HFRP)  25-26
  2.7 纤维增强复合材料研究开发历史  26-27
  2.8 粘贴FRP 加固法在国际研究应用现状  27-29
  2.9 本章小结  29-30
3 实验  30-35
  3.1 实验材料  30
  3.2 实验设备  30
  3.3 环氧树脂/碳酸钙复合材料的制备  30-31
  3.4 纤维加固混凝土试件的制备  31
  3.5 性能测试  31-34
    3.5.1 凝胶时间测试  31-32
    3.5.2 固化度的测试  32
    3.5.3 复合材料断口形貌观察  32
    3.5.4 拉伸性能测试  32-33
    3.5.5 弯曲性能测试  33
    3.5.6 冲击性能测试  33-34
  3.6 本章小结  34-35
4 固化体系的研究  35-50
  4.1 引言  35
  4.2 固化剂用量的研究  35-43
    4.2.1 凝胶时间的分析  35-36
    4.2.2 固化度和固化硬度的分析  36-38
    4.2.3 力学性能的分析  38-43
  4.3 环氧树脂增韧体系的研究  43-49
    4.3.1 混合的先后次序对环氧树脂复合体系性能的影响  43-44
    4.3.2 碳酸钙的含量对材料性能的影响  44-45
    4.3.3 碳酸钙/环氧树脂复合材料的微观结构  45-46
    4.3.4 固化温度对环氧树脂体系力学性能和剥离性能的研究  46-49
  4.4 本章小结  49-50
5 纤维/环氧树脂复合体系加固修复混凝土性能的研究  50-58
  5.1 引言  50
  5.2 纤维材料的性能分析  50-51
  5.3 纤维/环氧树脂加固混凝土分析  51-57
    5.3.1 粘接性能分析  51-53
    5.3.2 粘接厚度分析  53-56
    5.3.3 加固后的成本分析  56-57
  5.4 本章小结  57-58
6 结论和展望  58-59
  6.1 结论  58
  6.2 展望  58-59
致谢  59-60
参考文献  60-65
附录  65

加固混凝土环氧树脂/纤维复合体系及其性能研究

内容摘要

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