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界面劑處理混凝土表面對粘接FRP界面抗剪強度的影響

日期：2010-06-01　　有1202人瀏覽

摘要：在混凝土表面涂覆不同的界面劑，然后用環氧樹脂粘貼玻璃纖維并成型FRP薄板。測試FRP與混凝土粘接界面的抗剪強度，結果以偶聯劑配制的界面劑ZUI佳，但抗剪強度對偶聯劑具有選擇性。分析偶聯劑的增強機理，供體外粘貼混凝土結構加固參考。

一．引言

　　通過體外粘貼薄層材料的方法（以下簡稱“粘貼法”）加固混凝土結構已有較普遍的工程應用，包括粘鋼、碳纖維、玻璃纖維等。其中粘貼玻璃纖維及碳纖維具有較好的可操作性，又以粘貼玻璃纖維造價更低。因此本文僅以玻璃纖維的粘貼為研究對象。

　　粘貼法固然是通過粘貼界面傳遞應力，使外貼材料與原結構形成整體，有效承載。通常情況下粘貼界面主要是通過剪切方式進行應力傳遞，因此粘貼加固混凝土結構的的關鍵問題是粘接界面的抗剪強度。從受彎構件外貼纖維加固的大量文獻中可見，構件在極限荷載作用下幾乎均為界面受剪破壞。為此本文以如何提高界面的剪切強度為宗旨，用不同的表面處理劑涂覆混凝土表面，研究對粘接界面抗剪強度的影響。

二．實驗方法、內容

（一）．粘接界面抗剪強度的測試方法與

　　裝置：

　　實驗采用100×100×20 mm的正方形混凝土切片，模擬混凝土表面打磨（去除浮漿）至露出骨料的狀態。在兩切割面上對稱粘貼、成型40mm寬玻璃纖維薄片，粘接面為40×40mm，纖維一端出頭作為夾持端，如圖1．所示。

　　由于混凝土屬脆性材料，且抗拉強度較低。測試夾頭直接夾持混凝土切片時，會直接將混凝土拉斷，無法測得膠接面抗剪強度。因此，實驗采用矩形鋼框作為傳力構件，外套混凝土試件，荷載通過鋼框施加到混凝土試件上，如圖2．所示。

　　粘貼界面抗剪強度測試在100KN萬能材料實驗機上進行。將FRP夾持端及鋼外框夾持端分別夾持在實驗機上下夾頭上，并使FRP薄片、混凝土切片、鋼外框沿拉伸方向平行對中，然后進行拉伸剪切，測定極限強度。

（二）．實驗材料

　　界面劑選用的試劑及原料均為市售品，配制成的8種界面劑列入表1．。其中5、6、7號為型號不同的偶聯劑；9號為不作任何表面處理直接粘貼。

表1．混凝土表面處理劑及配方

編號	1	2	3	4	5	6	7	8	9
界面劑	草酸	硬脂酸	普通水泥漿	高鋁水泥漿	偶聯劑A	偶聯劑B	偶聯劑C	環氧底膠	無
劑量	2％水溶液	2％乙醇溶液	水/灰=1/0.5	水/灰=1/0.5	1％乙醇溶液	1％乙醇溶液	1％乙醇溶液	A/B=10/4	空白

　　所用混凝土按強度等級為C50配制，按標準條件養護28天后，切割為20mm厚片材。

　　玻璃纖維選用型號為E－450的10：1單向無堿布，沿拉伸方向鋪貼。

　　環氧樹脂采用市售E44，環氧樹脂配方為：E44－100；活性稀釋劑－10；固化劑－20。

三．實驗過程及現象

　　將混凝土切割面清洗去灰后，分別用各界面劑涂覆表面；室溫（32℃）條件下徹底干燥后，用環氧樹脂粘貼玻璃纖維；在30－36℃室溫條件下，經7天時間固化；將粘貼面玻璃纖維端頭超出40mm部分的毛邊切斷（參見圖4.），然后進行測試。

　　由于受剪面為對稱的兩個粘貼面，測試過程中達到極限荷載的瞬間，絕大部分試件可觀察到混凝土切片的轉動，即兩個粘貼面并非同時破壞。因此，剪應力應以單面面積計算。同時，先剪壞的面總是較弱的一面，因而實驗結果趨于保守。另外，根據試驗結果的標準差值的大小可以斷定沒有發生雙面同時剪切破壞現象。

四．實驗結果及分析：

（一）．實驗結果

　　試件數量為每組3個，測試結果的

　　標準差除3＃、9＃分別為1.4MPa和1.6MPa外，其余在0.11～0.88MPa之間，離散性不大。經各種表面處理劑涂覆的粘接界面的極限抗剪強度測試結果繪制成柱狀圖如圖3．所示。

　　兩種典型的破壞斷口形貌分別見圖4、圖5。

（二）．結果分析

　　由圖3可見，以空白樣9＃為基準，除試件6＃(偶聯劑B)高出61％外，其余試件均低于空白樣，僅3＃（普通水泥漿）試樣接近空白樣。從斷口形貌來看也只有6＃樣出現圖4所示混凝土被劈裂的情況，其余試樣為界面黏附破壞或以黏附破壞為主，如圖5所示。

　　1＃和2＃試樣均為酸性介質，強度分別為ZUI低值及次低值，說明酸性介質對堿性的混凝土表面存在一定的腐蝕性，使界面粘接強度降低。1＃草酸的酸性強于3＃硬脂酸，相應的強度更低。斷口如圖5，為黏附破壞。

　　3＃、4＃分別為硅酸鹽水泥漿和高鋁水泥漿，鋁水泥漿堿性相對較弱。由于環氧樹脂所用固化劑為改性胺類，屬堿性物質，在堿性環境條件下具有較高的活性，使得環氧樹脂在與混凝土的接觸面上能較好地固化，這樣高堿性的硅酸鹽水泥漿處理后，界面強度更高，但略低于空白樣。根據斷口形貌分析，破壞面發生在水泥漿與混凝土的界面上，說明水泥水化物部分阻隔了環氧樹脂對混凝土地粘接，使界面強度弱化。

　　5＃、6＃、7＃分別為用三種偶聯劑處理，而強度差異接近一倍，其中5＃、7＃均低于空白樣，而6＃試樣獲得本次實驗的ZUI高強度。可以說明兩個問題，一方面偶聯劑對于環氧樹脂與混凝土的界面處理非常有效；另一方面偶聯劑有很強的選擇性，選擇不當反而會降低界面強度。5＃、6＃為均帶有能與環氧樹脂反應交聯的有機基團的同類偶聯劑，但參與化學反應的基團不同，6＃的反應活性強于5＃。而7＃樣所用偶聯劑與環氧樹脂無可反應基團，強度卻高于5＃，這可根據偶聯劑的化學結構，從物理相容性及分子鏈的纏結方面進行分析，在此不作詳述。從6＃樣的斷口形貌觀察，FRP薄片上均有混凝土殘留，可見破壞為混凝土的內聚破壞。由于本實驗方法使混凝土破壞前始終受鋼外框上橫梁約束，當粘接強度較高時，混凝土只能通過水平方向的橫向變形導致破壞，即混凝土被劈裂。因此可以認為6＃的粘接界面仍未被破壞，粘接效果比較理想。

　　8＃試樣為環氧底膠處理，是現存粘貼加固混凝土通常采用的方法，所用底膠為加固專用膠，其強度略低于空白樣，可見效果并不理想。因此用粘貼法進行結構加固是否一定采用底膠還值得進一步研究、商榷。

五．結論

　　本實驗針對體外粘貼法進行結構加固的粘接界面處理得出如下結論：

（一）．證實通過適當的界面劑對混凝土表面進行處理，可使加固的粘接界面抗剪強度大幅提高。

（二）．用偶聯劑配制的界面劑涂覆混凝土表面效果為ZUI佳；偶聯劑具有很強的選擇性，其選用可根據化學結構定性地作出判斷。

（三）．酸性介質處理混凝土表面導致粘接強度下降；堿性介質使粘接強度的下降相對較小。

（四）．涂覆底膠作為界面劑并不一定能使粘接強度得到改善。

以上結論僅從粘接界面的極限剪切強度測試得出。可以認為體外粘貼加固必須通過對混凝土表面的有效約束進行應力傳遞，而這種約束是由粘接界面的剪切作用提供，因此，本實驗得出的結論對體外粘貼加固混凝土結構具有普遍的指導意義。