一種混凝土加固用碳纖維布預(yù)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種碳纖維布預(yù)處理方法；特別是涉及一種混凝土加固用碳纖維布預(yù) 處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維布又稱碳素纖維布、碳纖布、碳纖維編織布、碳纖維預(yù)浸布、碳纖維加固布、 碳布、碳纖維織物、碳纖維帶、碳纖維片材(預(yù)浸布)等。碳纖維布是一種單向碳纖維加固產(chǎn) 品，通常用于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗拉、抗剪和抗震加固。碳纖維布加固原理是：采用高性能 的結(jié)構(gòu)膠粘劑粘結(jié)于混凝土構(gòu)件的表面，與結(jié)構(gòu)膠粘劑協(xié)調(diào)作用，可構(gòu)成完整的性能卓越 的碳纖維布片材增強(qiáng)體系，利用碳纖維材料良好的抗拉強(qiáng)度，達(dá)到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力 的目的。
[0003] 目前在粘結(jié)碳纖維布的結(jié)構(gòu)膠粘劑中，環(huán)氧類(lèi)有機(jī)膠使用較廣泛，但環(huán)氧類(lèi)有機(jī) 膠存在兩個(gè)缺點(diǎn)：（1)耐火性差，環(huán)氧類(lèi)有機(jī)膠的軟化點(diǎn)很低，在高溫情況下易軟化失效； (2)具有毒性，環(huán)氧類(lèi)有機(jī)膠生產(chǎn)過(guò)程中添加的溶劑或其他揮發(fā)性毒性物質(zhì)，會(huì)對(duì)人體和環(huán) 境帶來(lái)不利影響。
[0004] 為彌補(bǔ)以上不足，使用無(wú)機(jī)類(lèi)膠粘劑代替環(huán)氧類(lèi)有機(jī)膠粘劑粘結(jié)碳纖維布。無(wú)機(jī) 類(lèi)膠粘劑主要有堿激發(fā)礦渣類(lèi)材料、氯氧鎂水泥、磷酸鹽系無(wú)機(jī)膠等。其中磷酸鎂水泥粘結(jié) 強(qiáng)度高、固化收縮率小、耐久性優(yōu)良、價(jià)格低廉，無(wú)污染、制備工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、使用方 便，是一種有很大發(fā)展前途的無(wú)機(jī)類(lèi)膠粘劑。在專利CN103786382A中公開(kāi)的一種無(wú)機(jī)膠 纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)和保護(hù)混凝土的方法，以及CN103104100A所公開(kāi)的一種應(yīng)用磷酸鎂水 泥和纖維布復(fù)合材料加固混凝土的方法。均公開(kāi)了類(lèi)似的采用磷酸鎂水泥作為膠粘劑的技 術(shù)。
[0005] 磷酸鎂水泥由可溶性磷酸鹽、氧化鎂、緩凝劑和水拌制而成。但是氧化鎂微溶于 水，而碳纖維布一般比較致密，一束碳纖維中包含幾千或者幾萬(wàn)根纖維單絲，纖維單絲之間 的空隙較小，形成無(wú)數(shù)個(gè)毛細(xì)管。當(dāng)磷酸鎂水泥與碳纖維布接觸時(shí)，由于毛細(xì)作用，磷酸鎂 水泥中的水分被碳纖維布汲取，充斥在毛細(xì)管中，而氧化鎂由于粒徑較大，被密實(shí)的碳纖維 布過(guò)濾掉，殘留在碳纖維布表面，導(dǎo)致原本均勻的分散體系出現(xiàn)兩相分離的現(xiàn)象。
[0006] 在磷酸鎂水泥粘結(jié)碳纖維布加固混凝土試件破壞試驗(yàn)中，達(dá)到極限荷載時(shí)，碳纖 維布和粘貼面均未出現(xiàn)明顯的變形，破壞是突然發(fā)生的。破壞后，粘貼面處的碳纖維布大部 分被剝離，碳纖維布底部的粘貼膠完全粘在混凝土試塊上，和底膠直接接觸的碳纖維布被 拉斷并粘在試塊上，其余的則被剝離。這表明磷酸鎂水泥粘結(jié)碳纖維布時(shí)，只有與底膠直接 接觸的碳纖維可以被浸潤(rùn)，碳纖維布無(wú)法與磷酸鎂水泥整體受力，在承受外部荷載時(shí)，只是 最底層的碳纖維傳遞剪力，而其上的碳纖維絲則未充分發(fā)揮作用，整塊碳纖維布未能充分 發(fā)揮抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)。因此使用磷酸鎂水泥粘結(jié)碳纖維布的效果不僅僅取決于碳纖維布 和磷酸鎂水泥自身的性能，而且與二者之間的粘結(jié)強(qiáng)度有很大關(guān)系。磷酸鎂水泥與碳纖維 布之間要粘結(jié)緊密，其前提是磷酸鎂水泥必須能充分潤(rùn)濕碳纖維布。
[0007] 為改善結(jié)構(gòu)膠粘劑對(duì)碳纖維布的浸潤(rùn)性，提高膠粘劑與碳纖維布之間的粘結(jié)強(qiáng) 度，科研工作者們研發(fā)了眾多表面處理方法來(lái)改善碳纖維布的表面狀態(tài)。目前，改善碳纖維 布表面狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)膠粘劑與碳纖維布之間的粘結(jié)強(qiáng)度主要有以下三種機(jī)理：（1)提高 纖維的表面粗糙度以提高其與基體的物理粘結(jié)作用；（2)增加纖維表面活性官能團(tuán)以其與 基體的化學(xué)粘結(jié)作用；（3)通過(guò)聚合、沉積等手段在碳纖維與基體之間增加一過(guò)渡層。
[0008] 基于以上機(jī)理，目前已開(kāi)發(fā)出多種碳纖維的表面處理方法，主要有氧化處理、氨氣 處理、表面涂層處理、等離子體處理、杵搗和加壓處理等處理方式。
[0009] 氧化處理主要包括氣相氧化法、液相氧化法和電化學(xué)氧化法等。其中氣相氧化法 是將碳纖維布置于氧化性氣體氛圍中，利用氣體氧化碳纖維布表面碳原子，引入羥基、羧基 等極性官能團(tuán)，增加碳纖維布與磷酸鎂水泥的化學(xué)和物理粘結(jié)作用。同時(shí)，合適的氣相氧化 條件還可以提高碳纖維布的抗拉強(qiáng)度，但是氣相氧化條件難以控制，非常容易造成碳纖維 布的過(guò)度氧化，增加表面缺陷，降低抗拉強(qiáng)度。液相氧化法是利用硝酸、硫酸等強(qiáng)氧化性液 體浸泡碳纖維布，增加碳纖維布表面活性官能團(tuán)數(shù)量，增大碳纖維布表面粗糙程度。濃硝酸 處理是一種較簡(jiǎn)便的液相處理方法，其處理效果隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出一種先增大后 降低的趨勢(shì)，短時(shí)間的濃硝酸處理可以提高碳纖維布與基體的粘結(jié)強(qiáng)度，但是隨著處理時(shí) 間的增加，纖維表層剝落，纖維結(jié)構(gòu)受到損傷，纖維的抗拉強(qiáng)度降低。電化學(xué)氧化法是一種 目前研宄最多，工藝最成熟的氧化處理法，其主要利用碳纖維布的導(dǎo)電性，將碳纖維布浸泡 在電解液中作為陽(yáng)極，電流通過(guò)碳纖維布時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)，在碳纖維布表面產(chǎn)生一些含氧 官能團(tuán)，從而提高碳纖維布與磷酸鎂水泥之間的粘結(jié)強(qiáng)度，但是電化學(xué)氧化法處理碳纖維 布時(shí)，處理效果也呈現(xiàn)出一種先增大后降低的趨勢(shì)。
[0010] 氨氣處理法是高溫下碳纖維布與氨氣發(fā)生反應(yīng)，在碳纖維布表面引入氨基官能 團(tuán)，參與磷酸鎂水泥的水化反應(yīng)，改善磷酸鎂水泥對(duì)碳纖維布的浸潤(rùn)性，以及提高兩者之間 的粘結(jié)強(qiáng)度。但是氨氣處理法成本較高，對(duì)環(huán)境污染也較大。
[0011] 表面涂層處理包括氣相沉積、偶聯(lián)劑涂覆、表面電聚合、聚合物涂覆等。采用氣相 沉積法可以按照需要在碳纖維布表面沉積一層化合物涂層，為碳纖維布與基體之間提供應(yīng) 力緩沖區(qū)域，增加碳纖維布與基體之間的粘結(jié)力。偶聯(lián)劑分子結(jié)構(gòu)含有多種官能團(tuán)，可以與 碳纖維和磷酸鎂水泥基體形成化學(xué)鍵，偶聯(lián)劑涂覆在碳纖維布表面可以達(dá)到一種橋接碳纖 維布與磷酸鎂水泥的作用。但是碳纖維布表面活性官能團(tuán)數(shù)量較少，直接在碳纖維布表面 涂覆偶聯(lián)劑效果較差，所以偶聯(lián)劑涂覆處理之前需要首先對(duì)碳纖維布進(jìn)行氧化處理，偶聯(lián) 劑起到強(qiáng)化氧化處理的作用。表面電聚合是最近發(fā)明的一種碳纖維表面處理技術(shù)，是指在 電場(chǎng)作用下，一些含活性官能團(tuán)單體分子聚合在碳纖維表面，從而將在碳纖維布表面形成 一層含活性官能團(tuán)的涂層，達(dá)到活化碳纖維，增加碳纖維與基體之間粘結(jié)強(qiáng)度的目的。涂覆 處理又稱上漿，選用合適的涂覆材料可以改善碳纖維布的表面能，增加磷酸鎂水泥對(duì)碳纖 維布的浸潤(rùn)性，達(dá)到增加粘結(jié)強(qiáng)度的目的。酚醛樹(shù)脂就是一種常用的涂覆用聚合物，酚醛樹(shù) 脂涂覆處理的碳纖維與有機(jī)膠的粘結(jié)強(qiáng)度有較大提高，但是當(dāng)碳纖維布與磷酸鎂水泥復(fù)合 時(shí)，酚醛樹(shù)脂處理不僅不會(huì)增加粘結(jié)強(qiáng)度，而且會(huì)大大降低兩者間粘結(jié)強(qiáng)度。
[0012] 等離子體處理是使用等離子體對(duì)碳纖維布表面進(jìn)行輻射，使碳纖維表面發(fā)生一些 反應(yīng)，增加表面活性官能團(tuán)數(shù)量和表面粗糙程度，有效改善碳纖維的表面惰性，增加其與磷 酸鎂水泥的粘結(jié)強(qiáng)度。等離子體處理的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在（1)可以常溫處理，節(jié)約能量與成 本；（2)處理效率高，只需要幾秒鐘就可以改變碳纖維表面結(jié)構(gòu)和組成；（3)改性只在碳纖 維表面進(jìn)行，對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)的影響較小。但是在建筑工程中使用等離子體處理，成本較大。 處理時(shí)間短時(shí)，處理效果不易控制；處理時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，碳纖維表面過(guò)度刻蝕，表面缺陷增多，碳 纖維布與磷酸鎂水泥的粘結(jié)強(qiáng)度反而降低。
[0013] 杵搗和加壓處理均是使用外力將粘結(jié)膠強(qiáng)制壓入碳纖維單絲之間。這兩種方法在 使用堿性激發(fā)材料作為粘結(jié)劑時(shí)具有較好的處理效果。但是磷酸鎂水泥凝結(jié)時(shí)間短，漿體 未完全浸潤(rùn)纖維單絲之前已凝結(jié)，因此杵搗和加壓處理均不適合在磷酸鎂水泥粘結(jié)碳纖維 布中使用。
[0014] 此外，納米級(jí)二氧化鎂顆粒較細(xì)，可以進(jìn)入碳纖維單絲之間，也可用于改善磷酸鎂 水泥對(duì)碳纖維布浸潤(rùn)性差的問(wèn)題，但是納米級(jí)二氧化鎂價(jià)格昂貴，會(huì)大大增加建筑成本，因 此使用納米級(jí)氧化鎂改善磷酸鎂水水泥對(duì)碳纖維布的浸潤(rùn)性問(wèn)題僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室研宄 階段。
[0015] 故有必要尋找一種新的，操作簡(jiǎn)單，預(yù)處理效果好，能夠提高磷酸鎂水泥對(duì)纖維布 的浸潤(rùn)性，增加磷酸鎂水泥和碳纖維布之間的粘結(jié)強(qiáng)度的碳纖維布預(yù)處理方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：如何提供一種操作簡(jiǎn) 單，預(yù)處理效果好，能夠提高磷酸鎂水泥對(duì)纖維布的浸潤(rùn)性，增加磷酸鎂水泥和碳纖維布之 間的粘結(jié)強(qiáng)度的混凝土加固用碳纖維布預(yù)處理方法。
[0017] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案： 一種混凝土加固用碳纖維布預(yù)處理方法，其特征在于，包括以下步驟： (1)無(wú)水乙醇溶液處理，使用濃度為99%以上的無(wú)水乙醇溶液浸泡碳纖維布24小