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摘要: 在混凝土表面涂覆不同的界面剂, 然后用环氧树脂粘贴玻璃纤维并成型FRP薄板。测试FRP与混凝土粘接界面的剪切强度, 结果以偶联剂配制的界面剂最佳, 但剪切强度对偶联剂具有选择性。分析偶联剂的增强机理, 供体外粘贴混凝土结构加固参考。
关键词: 混凝土结构加固、粘接、玻璃纤维、界面剂、偶联剂
通过体外粘贴薄层材料的方法( 以下简称?? 粘贴法?? ) 加固混凝土结构已有较普遍的工程应用, 包括粘钢、碳纤维片、玻璃纤维布等。其中粘贴玻璃纤维布及碳纤维片具有较好的可操作性, 又以粘贴玻璃纤维造价更低, 本文仅以玻璃纤维的粘贴为研究对象。
粘贴法固然是通过粘贴界面传递应力, 使外贴材料与原结构形成整体, 有效承载。通常情况下粘贴界面主要是传递剪切应力, 因此粘贴加固混凝土结构的关键是粘接剪切强度。文献显示, 构件在极限荷载作用下绝大部分为粘接面受剪破坏。本文以如何提高界面的剪切强度为宗旨, 用不同的界面剂涂覆混凝土表面, 研究对粘接界面剪切强度的影响。
1?? 实验部分
1. 1?? 粘接剪切强度的测试方法与装置
采用100 mm ?? 100 mm ?? 20 mm 的正方形混凝土块切片, 表面打磨, 去除浮浆, 至露出骨料的状态。用环氧树脂胶粘剂( 处理剂配方见表1) 和玻璃纤维条按图1所示尺寸逐层粘贴于混凝土切片2面, 形成2条玻纤增强树脂片( FRP)。由于混凝土属脆性材料, 测试夹头直接夹持混凝土切片时, 会直接将混凝土拉断。因此, 实验采用矩形钢框作为传力构件, 套在混凝土试件外面, 载荷通过钢框施加到混凝土试件上, 如图2所示。
剪切强度测试在100 kN 万能材料实验机上进行。将FRP夹持端及钢外框夹持端分别夹持在实验机上下夹头上,并使FRP薄片、混凝土切片、钢外框沿拉伸方向平行对中, 然后进行拉伸剪切, 测定极限强度。
1. 2?? 实验材料
界面剂用的试剂及原料均为市售品, 配制成的8种界面剂成分见表1。其中5#、6#、7#为型号不同的偶联剂; 9# 为不
作任何表面处理直接粘贴。
?? 所用混凝土按强度等级为C50配制, 按标准条件养护28 d后, 切割为20 mm 厚片材。玻璃纤维选用型号为E??450 的10?? 1 单向无碱布, 沿拉伸方向铺贴。粘贴玻璃纤维的环氧树脂胶配方为( 质量份) : E44 100,活性稀释剂10, 固化剂20。
1. 3?? 实验过程
将混凝土切割面清洗去灰后, 分别用各界面剂涂覆表面; 32 ?? 条件下彻底干燥后, 用环氧树脂胶粘贴玻璃纤维布;在30~ 36 ?? 条件下, 经7 d时间固化; 将粘贴面玻璃纤维端头超出40 mm 部分的毛边切断, 然后进行测试。
2?? 结果及分析
试件数量为每组3个, 测试结果的标准差除3#、9# 分别为1. 4MPa和1. 6M Pa外, 其余在0. 11~ 0. 88M Pa之间, 离散性不大。经各种表面处理剂涂覆的粘接界面的剪切强度测试结果见图3。
由图3可见, 以对照样9# 为基准, 除试件6#提高61%外,其余试件均低于标准样。从断口形貌来看也只有6# 样出现混凝土被劈裂的情况, 其余试样为黏附破坏或以黏附破坏为主。
1#和2# 界面剂均为酸性介质, 强度很低, 说明酸性介质对碱性的混凝土表面存在一定的腐蚀性, 使粘接强度降低。3#、4# 分别为硅酸盐水泥浆和高铝水泥浆, 前者碱性较强。由于环氧树脂所用固化剂为改性胺类, 属碱性物质, 在碱性环境条件下具有较高的活性, 使得环氧树脂在与混凝土的接触面上能较好地固化, 所以用高碱性的硅酸盐水泥浆处理后,粘接强度较高, 略低于对照样。根据断口形貌分析, 破坏面发生在水泥浆与混凝土的界面上, 说明水泥水化物部分阻隔了环氧树脂对混凝土的粘接, 使粘接强度弱化。
5# 、6#、7# 3种偶联剂, 前2者为硅烷偶联剂, 分子中均含有可与环氧树脂反应的基团, 但6# 与环氧树脂反应后性能比5# 高, 而7#则无反应基团, 所以6#获得最佳的处理效果, 从试片破坏状态看, 6# 试样是混凝土材质破坏, 而粘接面并未断裂。
8# 试样为环氧底胶处理, 是现存粘贴加固混凝土通常采用的方法, 所用底胶为加固专用胶, 但效果并不理想。因此用粘贴法进行结构加固是否一定采用底胶是值得商榷的问题。
3?? 结论
( 1) 用6# 偶联剂配制的界面剂涂覆混凝土表面效果最佳, 剪切强度提高61%左右。
( 2) 酸性界面剂处理混凝土表面导致粘接强度下降; 碱性界面剂使粘接强度的下降相对较小。
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