概览
- Tg限定了每种环氧CFRP系统的使用温度上限。 ACI 440.2R将使用温度限制在Tg − 15°C(Tg − 27°F)以内,而典型结构环氧树脂的Tg仅为60–82°C——因此标准系统的使用温度上限约为45–67°C。
- 接近Tg时,粘结强度和模量会急剧下降,在潮湿环境中使用时必须采用较低的湿态Tgw,而非干态数值。
- HDT不等于Tg。 数据表中给出的热变形温度(如65°C)并不能告诉你玻璃化转变温度——应要求供应商提供经DMA测定的两项数值。
浸渍环氧树脂或粘钢胶的玻璃化转变温度(Tg)决定了CFRP加固系统的使用温度上限——由于典型环氧树脂的Tg仅为60–82°C,在任何高温或工业环境下选型前掌握这一数值都至关重要。本文将说明Tg是什么、ACI的使用温度规则、为何HDT是另一个不同的数值,以及如何验证Tg。关于树脂的更全面介绍,参见结构环氧胶粘剂指南。
Tg是什么?为何它限定了CFRP系统的使用温度上限?
Tg是环氧树脂基体从坚硬的玻璃态固体转变为柔软的橡胶态的温度。低于Tg时,树脂刚性强、能有效传递荷载;当温度接近并超过Tg时,其模量和与混凝土的粘结强度都会随之下降——而在胶粘CFRP系统中,树脂正是荷载从混凝土传递到纤维的路径。因此,决定整个系统可用温度上限的是树脂的Tg,而非耐温性远高于树脂的碳纤维本身。这是有机基体特有的性质,这也正是为什么采用无机矿物基体、不存在玻璃化转变的FRCM没有这一限制。
CFRP系统实际能承受多高的使用温度?
ACI 440.2R第1.2.1.3节规定了这条规则:使用温度 ≤ Tg − 15°C(Tg − 27°F)。大多数常温固化结构环氧树脂的Tg为60–82°C(140–180°F)——这一数值在ACI两份独立文件(440.2R-17与440.7R-22第3.3.3节)中一致认可。综合这两条规则,标准现场施工系统的连续使用温度通常被限制在约45–67°C,具体取决于所用树脂。这对大多数室内环境而言没有问题,但在靠近烤箱、熔炉、蒸汽管道,或炎热气候下的深色屋面附近,这就是一个实实在在的限制——应先核查所用树脂的具体Tg数值。
湿度会改变这一数值吗?
会。在持续潮湿或高湿使用环境中,ACI 440.2R要求设计人员采用湿态Tg(Tgw),该值低于干态Tg(Luo & Wong 2002)。吸收的水分会使树脂增塑,从而降低转变温度。规范给出了这一原则,但未给出统一的数值折减量,因此在潮湿、水下或浪溅区工况下,应向厂商索取湿态Tg数值,而不要想当然地沿用干态数值。
HDT与Tg是同一回事吗?
不是——而将两者混为一谈是选型规格书中常见的错误。热变形温度(HDT,ASTM D648)测量的是树脂条在设定荷载下发生挠曲变形的温度;Tg(经DMA测定)则是热力学意义上的玻璃化转变温度。二者相关但不可互换,数据表中可能只给出其中一项而未给出另一项。例如,FidStrong的FSE362粘钢胶数据表公布的HDT为65°C(ASTM D648)——这是一个有用的数值,但它是HDT,而非DMA测得的Tg。在为高温环境比较不同系统时,应要求每家供应商同时提供两项数值,并注明具体测试方法。
| Tg(玻璃化转变温度) | HDT(热变形温度) | |
|---|---|---|
| 测量对象 | 玻璃态→橡胶态转变 | 特定温度下荷载作用下的挠曲变形 |
| 测试方法 | DMA(或DSC) | ASTM D648 |
| 用途 | 用于确定ACI使用温度上限(Tg−15°C) | 作为相关的热学参考指标 |
需核查的两条独立温度规则
设计时需同时满足这两条规则。ACI 440.2R设定了一个上限:使用温度 ≤ Tg − 15°C。fib第14号公告(§8.4.1.2)则对胶粘剂本身设定了一个下限:其Tg须 ≥ 45°C,或不低于最高使用环境气温 + 20°C,取二者较大值。而且这两条规则都与防火要求相独立:ACI 440.2R第9.2.1节规定,除非另有证明,否则应假定火灾中FRP的贡献完全丧失,因此未加固的原结构本身必须单独满足经折减的防火荷载校核。
Tg在现场如何测定与验证?
Tg通过DMA(动态热机械分析)测定;欧洲方法(prEN 6032)与美国方法均采用相同的5°C/min升温速率,被视为等效,不过仪器本身的差异有时比方法差异影响更大。在项目现场,ACI 440.2R的检验清单(第7.2节)通过核查实测Tg来验证固化程度(并辅以现场硬度和粘手性检测)——固化不足的树脂会表现出偏低的Tg。需要注意的是,更高的Tg可以通过工艺实现:FidStrong工厂拉挤成型的CFRP筋材Tg ≥ 100°C,远高于现场湿法铺贴环氧树脂——Tg是树脂与工艺共同决定的性质,而非“CFRP”这一材料的固定常数。
常见问题
CFRP加固系统能承受多高的使用温度?
使用温度必须维持在Tg − 15°C以下(ACI 440.2R第1.2.1.3节)。由于典型结构环氧树脂的Tg = 60–82°C,这通常将连续使用温度限制在约45–67°C——在热源附近使用前,应先查阅具体树脂的数据表。
湿度会降低允许使用温度吗?
会。在潮湿或高湿环境中使用时,应采用湿态Tg(Tgw),该值低于干态Tg(Luo & Wong 2002)。ACI给出了原则但未提供统一的数值折减量,因此在高湿或水下工况下应向厂商索取湿态Tg数值。
数据表上的HDT与Tg是同一回事吗?
不是。HDT(ASTM D648)是荷载下挠曲变形对应的温度;Tg是玻璃化转变温度,经DMA测定。二者相关但不可互换——数据表可能只给出其中一项。应要求每家供应商同时提供两项数值。例如,FidStrong的FSE362胶粘剂数据表公布的HDT为65°C,这是HDT数值,而非DMA测得的Tg。
CFRP系统在火灾中会发生什么?
ACI 440.2R第9.2.1节要求设计人员假定火灾中FRP的贡献完全丧失,除非专门证明其防火性能,因此未加固的结构本身必须单独满足经折减的防火荷载校核。超Tg工况与防火是两项独立的校核。
CFRP系统能否具备更高的耐温能力?
Tg取决于树脂与工艺,因此确实存在更高Tg的系统——FidStrong工厂拉挤成型的CFRP筋材Tg ≥ 100°C,而现场湿法铺贴环氧树脂仅为60–82°C。对于真正的高温环境,采用无玻璃化转变的无机FRCM系统,可能是比环氧CFRP更合适的方案。
如何确认现场树脂已固化至其完全的Tg?
ACI 440.2R第7.2节通过核查实测Tg(经DMA测定)来验证固化程度,并辅以现场硬度和粘手性检测——固化不足的层材会表现出偏低的Tg。应遵循厂商的固化时间表;参见CFRP系统固化指南。
FidStrong按照ISO 9001、14001和45001管理体系,生产用于CFRP加固的浸渍环氧树脂和粘钢胶,每份数据表均附有热学数据(如FSE362 HDT 65°C,ASTM D648)。使用温度规则遵循ACI 440.2R第1.2.1.3节;对于任何高温或高湿应用,应索取具体的Tg(及湿态Tg)数值,并与适用规范及具备资质的工程师核实确认。