界面劑處理混凝土表面對(duì)粘接FRP界面抗剪強(qiáng)度的影響

一．引言
    通過(guò)體外粘貼薄層材料的方法（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“粘貼法”）加固混凝土結(jié)構(gòu)已有較普遍的工程應(yīng)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(jià)更低。因此本文僅以玻璃纖維的粘貼為研究對(duì)象。
　　粘貼法固然是通過(guò)粘貼界面?zhèn)鬟f應(yīng)力，使外貼材料與原結(jié)構(gòu)形成整體，有效承載。通常情況下粘貼界面主要是通過(guò)剪切方式進(jìn)行應(yīng)力傳遞，因此粘貼加固混凝土結(jié)構(gòu)的的關(guān)鍵問(wèn)題是粘接界面的抗剪強(qiáng)度。從受彎構(gòu)件外貼纖維加固的大量文獻(xiàn)中可見(jiàn)，構(gòu)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(qiáng)度為宗旨，用不同的表面處理劑涂覆混凝土表面，研究對(duì)粘接界面抗剪強(qiáng)度的影響。
    二．實(shí)驗(yàn)方法、內(nèi)容 
    （一）粘接界面抗剪強(qiáng)度的測(cè)試方法與裝置：
    實(shí)驗(yàn)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(tài)。在兩切割面上對(duì)稱(chēng)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(qiáng)度較低。測(cè)試夾頭直接夾持混凝土切片時(shí)，會(huì)直接將混凝土拉斷，無(wú)法測(cè)得膠接面抗剪強(qiáng)度。因此，實(shí)驗(yàn)采用矩形鋼框作為傳力構(gòu)件，外套混凝土試件，荷載通過(guò)鋼框施加到混凝土試件上，如圖2．所示。

    粘貼界面抗剪強(qiáng)度測(cè)試在100KN萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。將FRP夾持端及鋼外框夾持端分別夾持在實(shí)驗(yàn)機(jī)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(duì)中，然后進(jìn)行拉伸剪切，測(cè)定極限強(qiáng)度。
    （二）實(shí)驗(yàn)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(hào)為型號(hào)不同的偶聯(lián)劑；9號(hào)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

    所用混凝土按強(qiáng)度等級(jí)為C50配制，按標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28天后，切割為20mm厚片材。
    玻璃纖維選用型號(hào)為E－450的10：1單向無(wú)堿布，沿拉伸方向鋪貼。
    環(huán)氧樹(shù)脂采用市售E44，環(huán)氧樹(shù)脂配方為：E44－100； 活性稀釋劑－10； 固化劑－20。
    三．實(shí)驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)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(huán)氧樹(shù)脂粘貼玻璃纖維；在30－36℃室溫條件下，經(jīng)7天時(shí)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(jiàn)圖4.），然后進(jìn)行測(cè)試。
    由于受剪面為對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)粘貼面，測(cè)試過(guò)程中達(dá)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(zhuǎn)動(dòng)，即兩個(gè)粘貼面并非同時(shí)破壞。因此，剪應(yīng)力應(yīng)以單面面積計(jì)算。同時(shí)，先剪壞的面總是較弱的一面，因而實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨于保守。另外，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差值的大小可以斷定沒(méi)有發(fā)生雙面同時(shí)剪切破壞現(xiàn)象。
    四．實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析：
    （一）實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    試件數(shù)量為每組3個(gè)，測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)各種表面處理劑涂覆的粘接界面的極限抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)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(jiàn)圖4、圖5。
    （二）結(jié)果分析

    由圖3可見(jiàn)，以空白樣9＃為基準(zhǔn)，除試件6＃(偶聯(lián)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(lái)看也只有6＃樣出現(xiàn)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(zhì)，強(qiáng)度分別為最低值及次低值，說(shuō)明酸性介質(zhì)對(duì)堿性的混凝土表面存在一定的腐蝕性，使界面粘接強(qiáng)度降低。1＃草酸的酸性強(qiáng)于3＃硬脂酸，相應(yīng)的強(qiáng)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(duì)較弱。由于環(huán)氧樹(shù)脂所用固化劑為改性胺類(lèi)，屬堿性物質(zhì)，在堿性環(huán)境條件下具有較高的活性，使得環(huán)氧樹(shù)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(qiáng)度更高，但略低于空白樣。根據(jù)斷口形貌分析，破壞面發(fā)生在水泥漿與混凝土的界面上，說(shuō)明水泥水化物部分阻隔了環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)混凝土地粘接，使界面強(qiáng)度弱化。
    5＃、6＃、7＃分別為用三種偶聯(lián)劑處理，而強(qiáng)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(shí)驗(yàn)的最高強(qiáng)度�？梢哉f(shuō)明兩個(gè)問(wèn)題，一方面偶聯(lián)劑對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂與混凝土的界面處理非常有效；另一方面偶聯(lián)劑有很強(qiáng)的選擇性，選擇不當(dāng)反而會(huì)降低界面強(qiáng)度。5＃、6＃為均帶有能與環(huán)氧樹(shù)脂反應(yīng)交聯(lián)的有機(jī)基團(tuán)的同類(lèi)偶聯(lián)劑，但參與化學(xué)反應(yīng)的基團(tuán)不同，6＃的反應(yīng)活性強(qiáng)于5＃。而7＃樣所用偶聯(lián)劑與環(huán)氧樹(shù)脂無(wú)可反應(yīng)基團(tuán)，強(qiáng)度卻高于5＃，這可根據(jù)偶聯(lián)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從物理相容性及分子鏈的纏結(jié)方面進(jìn)行分析，在此不作詳述。從6＃樣的斷口形貌觀察，F(xiàn)RP薄片上均有混凝土殘留，可見(jiàn)破壞為混凝土的內(nèi)聚破壞。由于本實(shí)驗(yàn)方法使混凝土破壞前始終受鋼外框上橫梁約束，當(dāng)粘接強(qiáng)度較高時(shí)，混凝土只能通過(guò)水平方向的橫向變形導(dǎo)致破壞，即混凝土被劈裂。因此可以認(rèn)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(huán)氧底膠處理，是現(xiàn)存粘貼加固混凝土通常采用的方法，所用底膠為加固專(zhuān)用膠，其強(qiáng)度略低于空白樣，可見(jiàn)效果并不理想。因此用粘貼法進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固是否一定采用底膠還值得進(jìn)一步研究、商榷。
    五．結(jié)論
    本實(shí)驗(yàn)針對(duì)體外粘貼法進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固的粘接界面處理得出如下結(jié)論：
    （一）．證實(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)慕缑鎰��?duì)混凝土表面進(jìn)行處理，可使加固的粘接界面抗剪強(qiáng)度 大幅提高。
    （二）．用偶聯(lián)劑配制的界面劑涂覆混凝土表面效果為最佳；偶聯(lián)劑具有很強(qiáng)的選擇性， 其選用可根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)定性地作出判斷。
    （三）．酸性介質(zhì)處理混凝土表面導(dǎo)致粘接強(qiáng)度下降；堿性介質(zhì)使粘接強(qiáng)度的下降相對(duì)較小。
    （四）．涂覆底膠作為界面劑并不一定能使粘接強(qiáng)度得到改善。
    以上結(jié)論僅從粘接界面的極限剪切強(qiáng)度測(cè)試得出�？梢哉J(rèn)為體外粘貼加固必須通過(guò)對(duì)混凝土表面的有效約束進(jìn)行應(yīng)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(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論對(duì)體外粘貼加固混凝土結(jié)構(gòu)具有普遍的指導(dǎo)意義。