混凝土界面（精选八篇）
混凝土界面 篇1
当大型混凝土工程进入老化病害期之后、新建混凝土工程中的新老混凝土界面出现的各种质量问题时,需补强加固。在进行加固、修补、浇筑施工时可能出现新老混凝土界面黏结不牢的情况,这都涉及到新老混凝土能否结合为整体共同工作的问题。而新老混凝土黏结性能的好坏直接影响着修补加固的成功与否。因此开展对新老混凝土黏结性能的研究,具有重要的社会意义与显著的经济效益。在新老混凝土共同使用的过程中,由于新老混凝土材料的不同,各自在不同环境下,其干缩、温度、自身体积等变形并不协调。因而它在结合面处产生拉应力与剪应力,这对于本来就较为薄弱的结合面是非常不利的。为了缓解由于材料本身造成的结合面薄弱,提高界面的黏结力,最佳方法便是采用合适的界面剂,并对老混凝土表面进行适当的处理[1,2,3,4,5,6,7,8]。本文通过在综合分析国内外文献的基础上,从修补材料的作用机理、目前工程黏结剂应用种类、混凝土界面分析、黏结性能的试验方法、不同工程黏结材料的选择5方面的问题进行了论述。
1 界面黏结材料的作用机理
随着科技的发展,黏结剂已发展成为无机及有机胶黏剂两大类、数百种成员的大家族。
建筑结构剂的主要组成部分是环氧类树脂、水泥砂浆。环氧树脂最早的专利是由Castan于1938年在瑞士取得的[9]。环氧树脂的应用对建筑结构剂的发展具有划时代的意义。而水泥砂浆的研究则对混凝土的持久性意义重大,还有利于环保,所以在未来发展潜力很大。影响新老混凝土的因素很多,在其他因素相同的条件下,使用界面剂就成为增加强度的有效途径之一。
1.1 黏结基本理论
环氧建筑结构胶的主要使用功能就是黏结。20世纪40年代以来,人们对黏结机理进行了相当多的研究,提出了不少理论来解释黏结本质。目前有如下几种比较公认的理论[10,11,12,13]。
(1)机械结合理论:
机械结合理论是最早提出的黏结理论。任何物体表面既使宏观上用肉眼看起来十分光滑,但放大起来看还是十分粗糙,遍布沟痕,有些表面还是多孔性的,胶黏剂渗透到这些凸凹不平的沟痕或空隙中,固化后在界面区产生了啮合力。
(2)吸附理论:
吸附理论认为黏结是类似吸附现象的表面过程,胶黏剂中的有机大分子通过链段与分子链的运动逐渐向被黏物表面迁移,极性基团靠近,当距离小于5Å时能够相互吸引,产生分子间力,也就是所谓的范德华力和氢键形成黏结。分子间作用力是黏结力的最主要来源,它广泛存在于所有的黏结体系中。
(3)扩散理论:
扩散理论认为分子或链段的热运动(微布朗运动)产生了胶黏剂和被黏物分子之间的互相扩散,从而使一个物体的分子跑到另一个物体的表层里,另一个物体的分子也跑到这个物体的表层里,中间的界面逐渐消失,相互“交织”而牢固地结合。
(4)化学键理论:
化学键理论认为胶黏剂与被黏物表面产生化学反应而在界面上形成化学键结合,像铁链一样,把两者牢固地连接起来。
(5)静电理论:
静电理论认为胶黏剂和被黏物之间存在双电层,由于静电的相互吸引而产生黏附力。总之,当胶黏剂与被黏物体系是一种电子与供给体的结合形式时,都可能产生界面静电引力。
上述是产生黏附力的5种理论,但至今尚无统一的说法。在各种产生黏结力的因素中,只有分子间的作用力普遍存在于黏结体系中,其他作用仅在特殊情况下成为黏结力的来源。
1.2 界面黏结材料使用条件
为了使混凝土结构在修补后能够持久,修补用的材料范围是有限的,应用的材料最大范围是与原结构为相同的混凝土和砂浆,其水泥和骨料品种则力求与原混凝土所用的相同,如结构是因化学侵蚀而损坏,则可能要改用其他品种的水泥和增加保护层厚度,以便在钢筋周围重新形成耐久的保护性环境,修补后结构的耐久性取决于新老混凝土的耐久性和修补材料的耐久性。不同的界面剂对性能的改善程度不同,与不使用界面剂的新老混凝土性能相比,水泥净浆、水泥砂浆、快硬铁铝酸盐水泥浆、掺膨胀剂的水泥浆及聚合物类界面剂,都可不同程度地改善新老混凝土的微观结构,提高强度。因此,根据不同情况选择不同的合适的修补材料非常重要。
一般情况下,对修补材料来说,最重要的性质是它与老混凝土的黏结力。此外,还要求其热膨胀系数与弹性模量和原混凝土的相接近,而且耐久性、强度至少要与原混凝土的相等,选择收缩小的材料作为修补材料。理想修补材料的标准是[14]:①作为一种外加剂,可与普通硅酸盐水泥共存;②即可少量也可大量的制成备用;③易于拌合;④在低水灰比时具有良好的和易性;⑤很快地进行养护;⑥具有良好的黏结性,即铺设(浇注)后能保留在原地;⑦在一定程度上是自我养护;⑧能抵御水和气体的渗入;⑨经济效益较好。
混凝土修补常常因为新老混凝土之间的黏结失效而导致破坏。虽然在开始时新老混凝土之间有较好的黏结性,但由于新混凝土的收缩在界面上产生应变。该应变大的足以能使黏结破坏,为此应选择收缩小的材料。修补用新混凝土中加碳纤维可以改善新老混凝土之间的黏结性[15]。在砂浆中加入短碳纤维,黏结抗剪强度增大。其增强原理是加入碳纤维后使新混凝土的干缩减小。试验结果表明[16],使用收缩补偿砂浆效果很好,可以提高修补结构的耐久性。
2 界面黏结材料的研究与应用现状
2.1 界面黏结材料要求与介绍
新老混凝土界面目前作为工程使用的黏结剂按组分可以分为无机类和有机类,见表1。
2.1.1 有机类胶
有机类现在主要有环氧树脂类、丙烯酸类和聚氨酯类。因为环氧树脂除了具有一般高聚物的众多优点外,还有其他热固性树脂无法比拟的性能,作为主体黏料使用得最多。现代的环氧剂已经朝着高强度、经济、使用方便、环保等方向发展,其功能不仅局限在黏合这一领域。作为一种新型的复合材料,环氧剂在建筑工程中发挥着越来越重要的作用。 由于高分子材料的发展及使用胶黏剂时提出新的要求,现有的环氧树脂胶黏剂大都由多种成分组成,使其具有较全面的性能。其主要组分[17]如下。
(1)黏料树脂(或叫基料即黏合物质):
它是环氧树脂胶黏剂的基本组分,是主要的成膜物质,它使胶黏剂具有黏附特性及机械特性。它既可以是纯环氧树脂,也可以是环氧树脂和橡胶及其他改性混合物质。
(2)固化剂(也称硬化剂):
它可以使线型环氧树脂高分子通过化学反应,形成网状或体型结构,从而使胶黏剂固化。固化剂的种类繁多,要按不同树脂的固化反应情况和对胶黏剂性能的要求,以及工艺性能等条件进行配置与选择。
(3)增塑剂与增韧剂:
一般环氧树脂类固化后胶黏性能较脆,加入增塑剂或增韧剂可以改善或提高耐冲击的韧性强度。有时也可以改进工艺性能。应适量掺加,否则会降低其他性能。
(4)填料:
加入填料往往可以降低固化收缩率,降低线胀系数,降低成本。加入得当还可以改善冲击韧性、胶结强度、耐热性等。填料的种类很多,要视具体要求进行选择,并要考虑到填料的粒度、形状和添加量等因素。
(5)其他辅料:
为满足胶黏剂的性能要求,还需要加入一些其他组分,如稀释剂、偶联剂、消泡剂及颜料等。有的环氧建筑胶黏剂其组分较多较复杂,有的环氧建筑胶黏剂的组分较少较单一,在实际应用中,主要根据使用要求、工艺条件及成本等几个主要因素来进行合理选用。
2.1.2 无机类胶
目前应用于建筑材料无机胶黏剂有硅酸盐、磷酸盐、氧化物、硫酸盐和硼酸盐等多种。用于研究的无机胶种类很多,下面通过介绍一种用无机胶、硅酸盐水泥加水拌制而成的黏结剂说明无机材料黏结性能。
修补材料不仅要求具有比被修补材料更好的力学性能,而且要求具有与被修补材料相近的线膨胀系数,否则在长期使用中,会由于温度反复变化而产生反复应力,致使修补材料与被修补材料剥离。由表2可见无机胶不仅具有很高的强度,而且具有与砂浆、混凝土和钢材等相近的线膨胀系数。而环氧树脂则高出它们线膨胀系数近5倍,由于无机胶是水泥基材料,它具有与混凝土相当的使用寿命。
当然,目前研究的无机胶还有使用掺膨胀剂的水泥净浆,掺膨胀剂、硅灰、高效减水剂的改性水泥浆,还有掺有机材料的无机胶等。
2.2 新老混凝土界面研究
2.2.1 新老混凝土界面分析
了解混凝土损坏的根源是决定选用恰当的修补工序和适合结构材料的首要步骤。在旧混凝土表面上浇筑新拌混凝土时,新老混凝土之间必然出现界面。界面的出现是新老混凝土结合的一个薄弱环节,它降低了混凝土整体的抗拉、抗剪强度以及耐久性能。这就需要了解新老混凝土中的界面结构及形成过程以解决新老混凝土结合薄弱的问题。对受力薄弱环节的新老混凝土结合面的界面结构及形成过程,可概述如下。
(1)新老混凝土接触界面存在一个类似于整体浇筑混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区。由于旧混凝土的亲水性,修补时会在旧混凝土表面形成水膜,使修补混凝土界面区的局部水灰比高于体系中的水灰比,导致界面处钙矾石和氢氧化钙晶体数量增多,晶粒变大,形成择优取向,降低界面强度。且由于旧混凝土的阻碍,修补混凝土中的泌水和气泡积聚在旧混凝土表面,不仅使修补混凝土局部水灰比更高,而且使得气孔和微裂缝在该区富集,这种界面结构显著降低界面强度。这是物质结构化学方面的原因,是影响新老混凝土结合本质的内因。
(2)认为新老混凝土界面处修补混凝土中的骨料经过振捣可能挤压在界面处,使骨料与界面突出的石子,水泥石形成点接触,骨料堆积在旧混凝土表面,阻塞了一部分旧混凝土表面的孔隙和凹凸不平部分,使具有黏结性的水泥浆不能完全渗入孔隙中去,形成空穴现象[18],界面处水泥浆不能充分浸润骨料和水泥石,而修补混凝土失去一部分水泥浆,这样使得界面处的修补混凝土中出现空隙,这种界面空隙结构也影响了新老混凝土的性能。
(3)新老混凝土界面处的骨料和硬化水泥石对修补混凝土而言犹如一个面,像一块表面比较平坦的“大骨料”,而这块“大骨料”与整体浇筑混凝土中的骨料相比不但体积大且只有一个“面”,并且这个“面”很平坦。浇筑的新拌混凝土犹如只与这块“大骨料”的一个平“面”黏结。自然,界面结构与新老混凝土本身的结构差异,造就了新老混凝土之间一个性质独特的过渡层。
2.2.2 新老混凝土界面的处理方式
在同样的受力条件下,新老混凝土的结合面比整浇体系中骨料与水泥石界面还要薄弱,通过以上混凝土界面概述了解到新老混凝土界面薄弱的根本原因后,将进入实际对其表面加入黏结胶前的初步处理工程中。
修补混凝土的一般步骤是:表面处理→浇层或涂界面剂→浇注新混凝土→养护。所以,老混凝土表面处理是混凝土修补的第一步,表面处理是指清除掉老混凝土结合面上所有损坏的、松动的和附着的骨料、砂浆和杂物,并使坚固的部分骨料露出表面,构成粗糙面以提高黏结性,表面处理的粗糙度是影响黏结性的主要因素。一般来说,老混凝土的表面粗糙比表面光滑更易被浸润,表面粗糙程度与强度有一定关系,对结合面进行一定程度的粗糙处理即可以除去表面附着的异物,又可使表面积增大,这两点对增加黏结强度是有利的。大连理工大学对影响新老混凝土黏结强度的因素进行了显著性分析认为,老混凝土黏结面的粗糙度对黏结面劈拉强度和抗折强度的影响显著[19]。以下介绍国内外目前使用的一些处理方式[20]。
(1)高压水射法:
为得到干净、理想的结合面,高压水射法是最好的方法。该方法具有许多优点:工作进行迅速,有成效,没有振动、噪声和灰尘;此外,使用该法处理老混凝土表面, 不挠动周围保留的混凝土,同时混凝土表面被清洁干净、湿润,这是获得良好黏结的最有利条件。更重要的一点是: 高压水射法适用于任何情况,在有钢筋的情况下, 不但不会损伤钢筋且能为钢筋除锈。
(2)喷砂法:
对新老混凝土的黏结面采用喷砂法, 用喷射机向老混凝土的待处理面喷射不同直径的钢球(直径为1.2 mm、1.4 mm、1.7 mm、2.0 mm) 或不同粒径的小碎石(粒径为1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm、1.7 mm ) , 通过喷射机控制其喷射速度和喷射密度, 可以得到能以平均深度定量描述的新老混凝土黏结面的处理度,这样便于控制最为满意的表面处理度,污染也相对较小。
(3)人工凿毛法:
该方法使表面粗糙的同时,在表面下会同时伴有裂缝出现,挠动周围混凝土使黏结强度降低,而且带来噪声和粉尘等污染。
(4)钢刷刷净法:
钢刷刷净法实际上只是做表面清理,而不是表面处理,用该法清理的表面性能差。
(5)喷蒸汽法:
这是向老混凝土待处理面喷射高压蒸汽来打毛老混凝土面的方法,该方法施工操作危险性较其他方法大,购置喷射机的价格也较昂贵。
(6)酸浸蚀法:
酸浸蚀法是面处理的一种化学方法,但经验表明这种方法不像其他面处理方法那么可靠,而且一些酸浸蚀液含有氯化物,这些氯化物会腐蚀钢筋,除非不能采用别的面处理方法,是不建议采用酸浸蚀法的。
(7)喷烧法:
这是用可燃性气体的高压力火焰喷蚀老混凝土面的方法。该方法施工操作的危险性较大。
此外还有真空喷砂法、气锤凿毛法、机械切削法等。
3 界面黏结材料性能的检测
3.1 性能检测方法
目前,用于混凝土之间黏结性能测试的试验方法有许多种,主要试验方法有:拉伸试验、剪切试验、弯曲强度试验、拔出试验、斜剪试验、修复梁试验、抗渗性能试验、显微结构分析试验、蜕变过程研究试验。
国内外对新老混凝土的力学性能研究主要集中在以下几个方面:用立方体试件进行劈裂抗拉强度试验和直接抗拉强度试验;新老混凝土面的剪切强度试验,包括Z形试件的单剪,拉剪、压剪试验等斜剪试验;新老混凝土的抗折(弯)强度试验;新老混凝土的拉拔强度试验;新老混凝土的双轴拉压强度研究;新老混凝土断裂性能研究;高温下新老混凝土的性能研究;用超声波无损检测方法检测评估质量以及数值计算方法的研究等。在常温条件下,新老混凝土面的轴心抗拉强度可达到整体新混凝土轴心抗拉强度的67%～84%[21],劈裂抗拉强度可达新混凝土相应强度的62%～75%;抗折(弯)强度可达整体新混凝土抗折强度的47%～53%。而新老混凝土面的抗剪强度则可达到整体抗剪强度的17.1%～38.5%[22]。新老混凝土的断裂韧度可达新混凝土整体断裂韧度的47.3%～55.5%[23]。200 ℃高温后的新老混凝土劈裂抗拉强度较常温下降低26%左右,700 ℃时下降约92%[24]。新老混凝土黏结面在复合应力作用下的性能随应力作用的类型不同而有所变化,总的来说,在压剪作用下的黏结面剪切强度随压应力的增大而提高。
3.2 试验方法评述
(1)斜剪试验:
依结构形式及使用情况不同,新老混凝土层应力状态发生变化极大。例如,修补层的黏结面可能要承受由收缩或温度影响引起的拉应力和剪应力或压应力和剪应力。然而,在轴向荷载作用下或由温度收缩引起的拉应力作用下,黏结层可能受很高的压应力。故此,没有一种试验能完全反映实际使用界面剂后新老混凝土界面复杂多变的应力状态的。但是,一种试验方法应该尽可能的包括一种典型的应力状态,同时能敏感的反映强度的变化。Wall,Shrive和Gam Ble通过对强弱的强度和变形的敏感程度的测量,评定了斜剪、间接拉伸和两种弯曲试验。发现斜剪试验是最合适的试验方法[25]。斜剪试验实为抗压试验,它的试件为一圆形组合试件,该试件具有一径向平面,该平面与水平面成60°角。
(2)直接和间接拉伸试验:
直接拉伸试验很难控制,且不易得到真实结果。相比之下,间接拉伸试验较易得到精确解。研究中,多种弯曲试验用来估计新老混凝土黏结强度,但这些弯曲试验的空间利用率很低。一则试件的长度大于其截面尺寸(为得到必要的弯矩);二则黏结平面承受的是梯度应力,这意味着黏结平面上很小部分承受最大应力引起破坏。
(3)直剪试验:
在直剪试验中,试件产生一种剪应力,该剪应力由不可忽视的弯矩或轴应力组合, 为消除施加剪应力时在黏结面处产生的应力集中,剪应力可与垂直施加在黏结平面上的压应力相组合,这样可减小剪切区的应力集中的影响,得到更能反应黏结平均能力的破坏,在此情况下,黏结面断裂不是由试件的破坏引起的[26]。
4 不同工程混凝土界面黏结材料的选用
(1)处于不同环境中和不同使用功能的结构物有各自引起损坏的原因,根据不同原因和不同结构物,使用合适的修补方法。因此也应该具体情况具体分析。
(2)有机环氧类胶与干燥的老混凝土表面结合较好,但与新混凝土的结合面有时不良,环氧树脂类胶虽然各项指标并不突出,但实践证明,这类黏结剂强度安全储备足够,而且有良好的耐老化和耐化学腐蚀能力,是目前主要的结构黏结剂。无机类胶用于新老混凝土界面时,不仅其黏结抗拉强度可以达到和超过混凝土本体的抗拉强度,消除界面薄弱面,且具有与混凝土一致的物理变形特性和耐久性,达到与混凝土长期共存的目的。无机类胶成本低、施工工艺简单、无毒,满足工程的环保要求。
(3)有些工程可以将这两种主要的胶按不同的用量结合起来一起使用,以达到更佳的效果,应视实际工程具体情况而定。
5 结 语
关于新老混凝土界面修补材料研究和应用在现代社会发展中已变得越来越普遍,文中从黏结作用机理、有机无机主要两类黏结剂、老混凝土界面处理方式以及黏结性能检测几点出发,对当前混凝土修补现状进行了介绍和梳理,有些并不能完全反映出当前研究和实践运用中的实际情况。因此,涉及的问题还得进一步在实践中加以改进和完善。
摘要：目前,混凝土的损坏、病害防治修补材料、修补技术的研究己形成了一门必不可少的学科领域。对老混凝土的维护、修复等常常需要浇筑修补混凝土。老混凝土结构物与修补混凝土的接触面形成新老混凝土界面,新老混凝土界面黏结质量决定新老混凝土能否形成统一的整体,保证混凝土结构物的整体性。通过分析当前国内外修补材料的作用机理、选择和应用条件,再介绍新老混凝土界面黏结材料的研究与应用现状以及现在主要使用的几种界面清理方式,又进一步提出了对混凝土界面黏结强度进行检验的几种主要方法,最后对界面黏结材料实际运用情况进行了评述。
混凝土界面 篇2
第一条 本合同研究开发项目的要求如下：
1、技术目标：完成蒸压加气混凝土砌体界面剂、抗裂砂浆的最优配方研制，并且完成相关的数据处理。
2、技术内容：
① 完成50组抗裂砂浆和界面剂组合应用的试块；
② 完成多次抗裂砂浆和界面剂组合（墙体）抹面的抗裂性能检测；
③ 提供实验报告及相关原始实验数据。
3、技术方法和路线：
① 放入不同性质、比例的骨料、胶凝材料和掺合料，采用正交试验方法，通过收集、对比不同试块的工作性能数据，得出最佳抗裂砂浆配方；
②通过正交试验使得界面剂与抗裂砂浆有效组合，并满足基本的工作性能。
第二条 乙方应在本合同生效后30日内向甲方提交研究开发计划。研究开发计划应包括以下主要内容：
1、试验时间：2012年3月1日至2013年3月31日；提交试验成果时间：2013年3月31日之前。
2、试验内容；
3、技术要求；
4、实验方案。
第三条 乙方应按下列进度完成研究开发工作：
1、按研究开发计划时间完成试验；
2、试验结束后30天内完成实验报告；
第四条 甲方应向乙方提供的技术资料及协作事项如下：
1、技术资料清单：普通硅酸盐水泥；特细砂；聚丙烯纤维；乳胶粉∶
纤维素醚：木质纤维：膨胀剂。
2、提供时间和方式：实验前10天提供“1”中所有材料。
3、其他协作事项： 无。
第五条 甲方应按以下方式支付研究开发经费和报酬：
1、研究开发经费和报酬总额为 拾万元人民币（10万元）。
其中：
（1）抗裂砂浆材料（小计4万）；
（2）试验方案设计和数据处理（小计0.5万元）；
（3）石井牌水泥水泥（小计1.0万元）；；
（4）Ⅱ级粉煤灰（小计0.5万元）；
（5）细砂（小计1.0万元）
（6）矿渣粉，重钙粉（小计1.0万元）
（7）纤维素醚，膨胀剂，可再分散性胶粉（小计1.0万元）
（8）其他耗材、水电费、管理费：1万元
2、研究开发经费由甲方 分期（一次、分期或提成）支付乙方。具体支付方式和时间如下：
（1）合同生效后甲方向乙方提供50%的经费；
（2）试验完成，提交实验报告，并将上述试验结果和成果的打印稿和电子稿都移交给甲方后，甲方向乙方拨付本合同中的剩余50%经费。
方案参考：
蒸压加气混凝土砌体界面剂、抗裂砂浆方案
(一)实验目的采用正交试验，得到界面剂、抗裂砂浆最优组合配方。
（二）实验内容抗裂砂浆
1．1实验方法
利用正交实验方法，对原材料“普通硅酸盐水泥、特细砂、聚丙烯纤维、乳胶粉、纤维素醚、木质纤维、膨胀剂”，进行不同组合的适配。
1.2性能检测:
1.2.1砂浆稠度、分层度、湿密度、收缩试验
按JGJ 70—90《建筑砂浆基本性能试验方法》进行测试，砂浆稠度控制在 7.5 cm左右。
1.2.2砂浆抗压强度和抗折强度试验
按 GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》进行测试，试件规格为 40 mm×40 mm×160 mm。
1.2.3砂浆拉伸粘结强度、浸水拉伸粘结强度试验
按 JG/T24—2000 《合成树脂乳液砂壁状建筑涂料》中6.14 的规定进行测试。
1.2.4砂浆开裂指数试验
根据裂缝宽度 d 的 4 个范围：d≥3 mm、3 mm>d≥2mm、2 mm>d≥1 mm、1 mm>d≥0.5 mm，对应的权值分别是 3、2、1、0.5，计算出砂浆开裂指数（每一权值和相应长度的乘积之和即为开裂指数）。
1.3设备：
木模、塑料薄膜、铁钉、小型砂浆搅拌机、电风扇、40 倍带光源读数显微镜
1.4 达到的目标：明显减少墙体面层的开裂现象，改善其适用性。
2.砌体界面剂：
2.1材料
按水泥的使用量为基准, 掺入适量粉煤灰、矿渣粉、甲基纤维素醚、膨胀剂及可再分散性胶粉。
2.2测试指标
（参照建筑用界面处理剂应用技术规程：标准DBJ/T01—40—98）项目指标检测结果
容器中状态：均匀无结块
拉伸胶接强度，MPa ≥0.6 0.68
收缩性，% ≤0.5 0.15
压剪胶接强度，MPa ≥1.3（原强度）1.35
压剪胶接强度，MPa ≥1.0（耐水）1.32
压剪胶接强度，MPa ≥1.0（耐温）1.2
压剪胶接强度，MPa ≥1.0（耐冻融性）1.2
注意：基层处理专用界面剂应符合建材行业《混凝土界面处理剂》（JC/T907-2002）中的标准
试验仪器为：LOS-50 万能试验机，高精度电子秤，铁质容器数个（含玻璃棒，药勺），清洗和筛分设备，电动搅拌器，拉力机，收缩膨胀率测定仪，橡胶支座抗剪切试验机等。
2.3 达到的效果：
加气混凝土砌体抹灰前涂刷界面处理剂, 可以有效提高基层抗渗
性、平衡基层及砂浆层的收缩, 且界面层的粗糙度可以提高砂浆层的剪切拉伸强度及粘结强度。
（三）实验目标
混凝土界面 篇3
1 界面双剪疲劳实验
1.1 实验材料以及试件
为了对混凝土界面的粘结性能进行研究, 需要进行界面双剪疲劳实验, 这就需要借助由混凝土块构成的双剪试件, 一般是六组, 每一组两个, 并且将混凝土的强度定为C25, 并将其与水泥、砂、水和碎石以一定的比例配合。此外, 为了实现保证试件的负荷, 需要在试件的两端预设螺杆, 同时在每一个试件上都安装从中部到另一端的应变片, 便于对混凝土界面的应力变化有明确的认识, 掌握其变化规律。
除了需要一定的试件, 还需要采用多通道的动态应变仪以及直线位移传感器, 进而对路桥的电阻以及灵敏度进行测试。
2 CFRP-混凝土界面的疲劳性能实验结果分析
2.1 对CFL的应变分析
通过界面双剪疲劳实验的分析, 发现CFL应变主要经历了三个主要的阶段, 即加载初期快速传力阶段、界面稳定传力阶段和界面失稳传力阶段。在第一个阶段, 主要是在加载端传力, 自由端基本没有发生应变, 在疲劳负荷的作用下, 会出现加载端的混凝土开裂的现象, 导致了传力向着自由端延伸, 并且在试件的疲劳寿命中占据5%左右。在第二个阶段, 其剥离情况相对稳定, 传力区域以较为平稳的速度向自由端延伸, 该阶段占是试件疲劳寿命的关键, 占到95%左右。第三个阶段中, 传力区域达到有效粘结长度时, 会出现失稳的情况, 造成了传力区域的减少, 当粘结力小于疲劳负荷的峰值时, 出现完全剥离现象, 进而试件完全破坏。
不过, 在对CFL应变分析时, 应变片会受到各种摩擦或者是错动的影响而失效, 因此对应变的数据无法完全记载。此外, 当峰值的负荷较小时, 疲劳加载到300万次以后, 传力区域的应变变化不大。
2.2 试件滑移规律分析
通过对实验的数据分析发现在循环加载的初始阶段, 混凝土的裂纹导致了能量的耗散, 在第二个阶段, 裂纹开始萌生并逐步扩展, 并且试件的相对滑移也随着循环次数的增加而增加, 到了第三个阶段, 相对滑移出现快速增长的趋势, 表明混凝土界面的裂纹已经处于失稳阶段。由此可以推断出试件滑移的相对规律:快速增长、稳定增长和失稳增长, 其中第二个阶段占据整个疲劳寿命的95%, 相对滑移与疲劳寿命之间呈现出类似线性的关系。
2.3 S/N曲线
在双剪疲劳实验中, CFRP-混凝土的界面疲劳寿命与荷载呈反比例关系, 即随着荷载的增加寿命逐降低, 并且界面的对数疲劳寿命与荷载幅值以及对数疲劳寿命与应力幅值之间存在着较好的线性关系, 因此通过分析相关的数据, 便能够得出相应的界面疲劳性能数值。
2.4 模型分析
在CFRP-混凝土界面疲劳性能的实验中, 可以建立相应的模型, 为界面疲劳寿命的研究提供依据, 一般是根据其界面的疲劳损伤建立三线性的模型, 进而非混凝土界面的损伤情况进行界定和分析。通过模型的帮助, 可以较为准确的明确CFRP-混凝土界面的损伤演化规律, 进而为提高其抗疲劳性改进工作提高参考。
3 结束语
混凝土界面 篇4
近年来, 纤维增强复合材料 (FRP) 加强修补混凝土结构以其高强高效、防腐耐久、施工便捷、适用面广等多方面的优势, 在工程中得到广泛应用[1]。然而, 大量的试验研究结果表明[1,2], 外贴FRP片材加固混凝土构件时, 常在混凝土与FRP之间的界面发生剥离, 形成脆性破坏。加固梁发生剥离破坏时, FRP远未达到其极限强度, 这种破坏不仅造成材料的浪费, 而且使加固件的可靠度大大降低。由此可见, 如何防止剥离破坏的发生成为应用FRP片材加固混凝土技术中的关键问题。因此, 开展FRP片材加固混凝土梁界面剥离的研究, 探明加固梁剥离破坏的机理有重要的理论意义与工程应用价值。
我国自90年代开始对FRP片材加固混凝土结构技术进行研究, 其中对钢筋混凝土抗弯加固的研究和应用最多, 并取得一定的成果[3]。然而, 现有关于FRP片材加固混凝土技术的研究集中于FRP拉断与混凝土压碎两种破坏模式, 有关加固梁剥离破坏的研究还不够深入。为此, 本文在前人的研究基础上, 对FRP片材加固混凝土梁剥离破坏界面剥离的破坏模式与破坏形态进行讨论, 分析加固梁界面剥离的破坏机理, 并建议预防加固梁发生早期剥离的一些措施。
2 加固梁界面粘结机理
FRP片材与混凝土梁之间的粘结作用力是在FRP片材、粘胶剂和梁下表面混凝土三层材料中有效传递。其中, FRP片材与混凝土之间的界面, 可分为两个界面区, 即混凝土基层与粘结剂界面区、粘结剂与FRP片材界面区, 每个界面区又可分为相互作用区及表面区。FRP片材与混凝土之间的粘结破坏发生于两个界面区中任一薄弱部位[4]。
将FRP片材外贴于混凝土梁, 当粘结剂与混凝土接触时, 由于混凝土表面存在大量的微空洞, 粘结剂会渗入到混凝土表面的这些孔隙中, 待粘结剂固化后产生机械咬合力和摩擦力。由此可知, 混凝土与FRP片材的粘结强度不仅与粘结剂的强度有关, 而且与混凝土表面粗糙度即表面的几何形状也有密切关系。
在粘结施工良好的情况下, 由于工程上常用粘结剂的抗剪强度一般高于混凝土, 故FRP片材与混凝土之间的界面剥离通常是发生于粘结剂与混凝土界面区靠近混凝土的一侧。因此, 混凝土基层与粘结剂界面区对加固梁整个界面的力学性能起决定性作用。
3 加固梁界面剥离分析
由加固梁界面的粘贴机理可知, 加固梁的剥离模式与界面的物理性能有密切的关系。值得注意的得, 加固梁在使用过程中, 其力学性能是不断变化的, 界面的粘贴性能受混凝土新产生的裂缝影响很大, 加固梁的受力方式、混凝土开裂状况及温度变化等外部条件直接影响界面的剥离模式和破坏形态。现有的研究表明, 在集中力作用下, FRP片材加固混凝土梁的界面剥离破坏模式包括FRP端部界面剥离模式和加固梁跨中界面剥离破坏两种模式[1]。
3.1 FR P端部界面剥离模式
采用FRP片材进行混凝土梁抗弯加固, 主要是通过粘贴胶层传递剪应力 (和正应力以达到共同工作的目的, 图1是抗弯加固梁的示意图。
由于FRP片材端部突然截断, 在外荷载的作用下, 片材端部附近的界面出现应力集中, 在混凝土与FRP之间产生较高的水平剪切应力和垂直法向的正应力。文献[1]给出了FRP片材端部界面的剪应力与正应力的分布趋势, 如图2所示。现有研究表明, 对于工程常见的加固梁, 界面的剪应力与正应力发生突变的a点 (距片端的距离) 是在0.2～10mm范围内左右。
由图2可以看出, FRP片材端部界面应力高度集中, 界面剪应力明显大于正应力。当片端的界面应力达到临界值时, 界面将萌生裂缝。随着外载荷的增大, 界面裂缝向跨中方向扩展。在裂纹扩展过程中, 由于粘贴剪应力占主导地位, 界面裂缝沿水平方向扩展。当界面裂缝的应力强度因子达到断裂韧性时, 界面裂缝失稳扩展, FRP片材快速向跨中方向剥离, 粘结作用失效, 从而使加固梁的承载力骤减, 导致加固梁的最终破坏。图3所示是加固梁发生端部界面剥离的破坏形态。许多试验结果表明, 这种破坏发生时, 剥落下来的FRP片材往往会粘附一薄层混凝土。
3.2 加固梁跨中界面剥离模式
跨中界面剥离是起始于加固梁受弯区域的弯曲裂缝的根部, 从跨中向FRP片端开展, 剥落下来的FRP片材往往也会粘附一薄层混凝土, 如图4所示。跨中界面剥离的主导因素是受弯裂缝的产生, 由于开裂截面混凝土拉应力的释放, 传至FRP片材, 导致受弯裂缝根部FRP片材应力的突增, 从而使混凝土与FRP之间的界面应力发生突变, 产生界面裂缝。随着外荷载的不断提高, 界面应力也随着增大。当界面裂缝的应力强度因子达到临界值时, FRP向片端方向迅速剥离。
跨中受弯裂缝导致界面剥离破坏的过程可分为两个阶段, 即界面裂缝形成阶段和界面裂缝开展阶段。在水平裂缝形成阶段, 梁受拉区混凝土开裂起关键作用。在水平裂缝的开展阶段, 加固梁从界面剥离段到未剥离段存在着内力分布的变化, 而从界面剥离段的屈服钢筋到未剥离段的弹性钢筋的过渡更加剧了内力分布的变化, 这将在剥离失效和未剥离截面过渡区段沿FRP片材产生极大的轴向应力梯度, 从而导致进一步的粘结失效开展。目前研究者一致认为, 跨中界面剥离破坏容易发生在高跨比较小的梁中, 与端部界面剥离破坏相比, 其延性较好。
4 结论与建议
⑴FRP片材加固混凝土梁的界面剥离现象主要发生在FRP的端部和跨中弯曲主裂缝的根部。
⑵为了防止发生FRP片端界面破坏, 避免使用质量较差的粘贴剂, 在粘贴FRP前, 要平整混凝土表面, 提高粘贴质量。同时, 粘贴完成后, 要给FRP端部施加充分的锚固以减缓端部界面的应力集中现象。
⑶跨中界面剥离破坏的过程可分为界面裂缝形成阶段和界面裂缝扩展阶段。为了增大界面裂缝扩展的阻力, 作者建议在加固梁的跨中附近粘贴U型箍。
摘要：纤维增强复合材料 (FRP) 片材与混凝土之间的界面剥离破坏是FRP片材加固混凝土梁的重要破坏模式。基于近年来国内外关于FRP片材加固混凝土构件的静载试验结果和力学理论知识, 讨论了FRP片材加固混凝土梁界面剥离的破坏模式与破坏形态, 分析了加固梁发生端部界面剥离和中部界面剥离两种破坏模式的破坏机理, 并提出了预防加固梁发生界面剥离破坏的建议。
关键词：纤维增强复合材料 (FRP) ,剥离,界面,加固,混凝土
参考文献
[1]滕锦光, 陈建飞, 史密斯S.T.等.FRP加固混凝土结构[M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.
[2]Teng J.G., Smith S.T., Yao J., et al.Intermediatecrack-induced debonding in RC beams and slabs[J].Con-struction and Building Materials, 2003, 17 (6-7) :447-462.
[3]刘沐宇, 李开兵.碳纤维布加固混凝土梁的疲劳性能试验研究[J].土木工程学报, 2005, 8 (9) :32-36.
小议影响新老混凝土界面粘结因素 篇5
1 新老混凝土粘结机理分析
关于新旧混凝土的粘结机理, 具有代表性的观点是:新旧混凝土的粘结模型分为渗透层、反应层和渐变层。渗透层在老混凝土一侧, 是由老混凝土以及由界面长入老混凝土的晶体组成;反应层是物理化学变化最复杂的区域, 主要由界面剂的水化产物以及界面剂与新旧混凝土的化学反应产物组成, 该层的晶体较大, 孔洞较多, 为界面强度的决定因素;渐变层是由反应层向新混凝土的过渡层, 主要由新混凝土的水化产物组成, 但该层的晶体较新混凝土本体大, 孔洞也较多。
2 新旧混凝土的结合面薄弱原因分析
1) 渗透层存在旧混凝土一侧, 由于旧混凝土的亲水性, 修补时会在旧混凝土表面形成水膜, 使结合面处新混凝土局部水灰比高于体系水灰比, 导致界面处钙矾石和氢氧化钙晶体数量增多, 形态变大, 降低界面强度。2) 由于旧混凝土的阻碍, 新混凝土中的泌水和气泡积聚在旧混凝土表面, 进行物理化学变化。由于旧混凝土上有水, 使得新混凝土局部水灰比较高, 气孔和微裂缝在该区富集, 因此降低界面强度。这是物质结构化学方面的原因, 是影响新旧混凝土结合本质的内因。3) 界面处露出的石子、水泥石和新混凝土的界面接触与整浇混凝土中骨料与水泥浆的界面接触有差别。在新混凝土中的骨料经过充分搅拌、振捣被水泥浆包裹, 新旧混凝土界面处新混凝土中的骨料经过振捣可能挤压在界面处, 是使骨料与界面突出的石子、水泥石形成“点接触”, 骨料堆积在旧混凝土表面, 阻塞了一部分旧混凝土表面的孔隙和凹凸不平部分, 使具有粘结性的水泥浆不能完全渗入孔隙中去, 形成“缺浆”现象, 界面处水泥浆不能充分浸润骨料和水泥石, 而新混凝土失去一部分水泥浆, 这样使得粘结界面处的新混凝土中出现空隙, 影响了新旧混凝土的粘结强度。4) 修补材料与旧混凝土之间存在物理化学性质差异, 由于冷热交替、冻融循环作用及新混凝土的收缩而在结合面处引起附加应力, 诱发“先天”裂缝。
3 新老混凝土粘结性及处理
3.1 结合面粗糙度处理方法
新旧混凝土结合面在不损伤骨料与旧混凝土粘结的前提下经过适当的粗糙处理, 主要是为了保证粘结面的质量和提高粘结面的强度。常用的处理方法有:人工随机凿毛法、切槽法、高压水射法、喷砂法、喷气法等。人工随机凿毛法是工程中常用的一种方法;切槽法是对新老混凝土粘结面进行粗糙度处理的一种新方法, 其优点是易于控制施工质量, 使粘结面上的粗糙度均匀性好。
3.2 结合面处理要求
除去油污灰尘等杂物;增大结合面面积, 增大机械咬合作用;加强施工质量, 结合面处的混凝土要加强振捣, 使其密实, 减少孔隙, 避免泌水和气泡的不利影响, 同时避免大骨料堆积在旧混凝土表面形成“点接触”, 也能使水泥浆更好地渗透到旧混凝土中去;加强养护以利于水泥的充分水化。
3.3 修补材料的选者和应用
常用的补强材料有水泥基材料、聚合物基材料及聚合物改性水泥基复合材料。
水泥基材料主要有普通混凝土、普通砂浆、纤维增强混凝土、水泥稀浆、小坍落度密实混凝土、磷酸盐混凝土和砂浆、预置骨料混凝土、速凝水泥、喷射混凝土、收缩补偿混凝土、硅灰混凝土等。
树脂基质材料主要以高分子树脂材料作为胶粘剂的复合粘结材料。主要有树脂混凝土 (PC) , 有机胶粘剂等。树脂混凝土 (PC) 主要由有机胶结料, 填料和粗骨料几部分组成。
聚合物改性水泥基材料是将聚合物乳液或水溶性聚合物粉末掺入新拌水泥基材料中, 必要时另加其他各种添加剂, 可使水泥基材料的性能得到明显的改善, 简称PMC。由于多数PMC与老混凝土粘结性能好, 常常被作为老混凝土表面粘结材料。
3.4 粘结剂的选者和使用
经过粗糙度处理的老混凝土表面涂刷界面剂可改善老混凝土的粘结微观结构, 提高粘结性能, 提高的幅度随界面剂种类的不同而异, 一般可达8%~60%。常用的界面剂有水泥净浆、水泥砂浆、快硬铁铝酸盐水泥浆、水泥膨浆及聚合物类界面剂等, 而水泥净浆具有经济实用的优点, 且其提高新老混凝土粘结断裂韧度效果较好, 界面剂厚度一般不超过3mm, 以0.5mm~1.5mm为宜。
3.5 修补混凝土的一般步骤
1) 表面处理。表面处理是指清除掉老混凝土结合面上所有损坏的、松动的和附着的骨料、砂浆和杂质杂物, 并使坚固的部分骨料露出表面, 构成粗糙面以提高粘结性。目前表面处理的方法有人工凿毛法、高压水射法、喷砂法、钢刷刷净法、喷蒸汽法、酸浸蚀法等, 每种方法各有其优缺点。其中, 人工凿毛法是目前我国工程中最常用的方法, 它具有施工方便、简单、快捷, 不需要任何机械设备, 易于操作, 费用较低等优点, 但是也存在对原混凝土表面产生扰动, 可能产生附加微裂缝, 不便于大面积机械化施工, 粘结力较差等缺点。
2) 修补材料的选者和应用。新老混凝土界面粘结材料必须是一种低收缩材料, 否则在界面层出现拉应力。其热膨胀系数及弹性模量、横向变形系数与老混凝土应尽可能地保持一致, 在温差变化及应力作用下, 材料界面不会出现应力集中, 保证界面的良好结合。常用的有水泥基材料、聚合物基材料及聚合物改性水泥基复合材料。
3) 混合料的浇筑。在浇筑时, 要先将钢筋进行隐蔽前的验收, 经验收合格后再进行浇注, 浇注时如果是现场搅拌混凝土要注意随时监控混凝土的配置其次要及时做试块, 如果是商品混凝土一是要注意混凝土进场的时间, 一般混凝土进场后1个小时内不浇筑, 其次就是现场做试块。在浇筑的过程中, 除了不要漏震, 过震外, 还要注意混凝土构件的保护层, 一旦发现构件钢筋、构件保护层有走位及偏差, 要及时调整。
4) 新补混凝土的养护条件。在混凝土浇捣后, 混凝土之所以能逐渐凝结硬化, 主要是因为水泥水花作用的结果, 而水化作用则需要适当的温度和湿度条件, 因此为了保证混凝土有适宜的硬化条件, 使其强度不断增长, 必须对混凝土进行养护。其目的一是创造各种条件使水泥充分水化, 加速混凝土的硬化;二是防止混凝土成型后暴晒、风吹、寒冷等条件而出现的不正常收缩、裂缝等破损现象。
4 结语
混凝土界面 篇6
型钢混凝土结构兼有钢结构和钢筋混凝土的结构共同的优点, 具有较高的承载力、较大刚度、良好的防火及抗震性能, 已广泛应用于大跨度结构和地震区的高层建筑[1]。鉴于泡沫混凝土是一种新型绿色节能材料, 具有轻质、保温隔热、抗震性能好等优良性能, 同时为了带动我国建筑材料行业的发展, 减少建筑行业的资源消耗和环境污染, 促进建筑行业的可持续发展, 本试验采用冷弯薄壁型钢 (C型钢) 与泡沫混凝土 (硫铝酸盐水泥) 组合结构来研究型钢开孔对粘结滑移规律的影响。
1 试验概况
1.1 试件设计及制作
本试验主要是研究型钢开孔直径、孔间距、空位置对泡沫混凝土粘结滑移性能的影响。主要以孔直径、孔间距、孔个数以及开孔的位置为主要变化参数, 同时保证泡沫混凝土强度、混凝土保护层厚度、横向配箍率为不变量, 设计了33 个型钢泡沫混凝土推出试件。另外还制作了4 个无措施的对比试件。 (试件形式见图1, 设计参数见表1) 。
1.2 测点布置及测量方法
根据型钢开孔位置确定应变片布设位置, 主要在开孔下方距离空洞一段距离沿着型钢外表面沿着受力方向贴应变片, 且每个试件至少保证贴3 个应变片。考虑测量时位移误差, 本试验主要在加载端设置电子百分表测量型钢与泡沫混凝土之间的滑移 (加载方法见图2) 。
2 实验结果与分析
2.1 实验过程
在一定荷载作用下, 上端和下端均无滑移产生。当荷载增加到极限荷载的40%~75%时, 型钢开始微小的滑移, 其侧面会出现微小的裂缝;随着荷载的增加, 型钢滑移逐渐缓慢的增加, 裂缝宽度也随着加宽, 随着荷载的增加试件形成劈裂破坏且发展迅速, 从上端到下端会形成新的细小分支裂缝, 且在下端较多, 裂纹像一棵倒置的大树。当荷载增加至极限荷载后, 突然出现跌落现象;此时荷载会迅速下降, 但是加载端的滑移继续增加, 随着加载端滑移迅速增加, 荷载下降却相对缓慢, 最后作用力基本平衡, 滑移逐渐增加, 荷载会围绕某一值上下波动。此过程中裂纹发展迅速, 已有裂纹迅速延伸, 裂纹宽度逐渐增大, 由于各分支裂缝的发展, 侧面裂缝相互贯通, 且裂缝面局部出现混凝土剥落, 随着型钢大部分压入混凝土中, 试件裂缝发展完全, 试件的纵向劈裂裂缝的最大宽度达到2~8mm, 当型钢进入40mm时, 实验基本结束。
2.2 荷载—滑移曲线及其特征
通过荷载加载装置与布置在加载端的位移计, 可以准确的测量到推出试件的荷载—滑移曲线, 如图3 所示。这种类型主要出现在锚固长度较短的试件中, 它的特点是在较大荷载 (60%—90%极限荷载) 作用下, 产生初始滑移, 残余阶段的荷载相对于初始滑移荷载稍低。
试件的整个受力过程大至以分为以下5 个阶段[2]:
(1) 无滑移阶段:加载初期, 加载端不发生明显的滑移, 其中对型钢混凝土粘结起主要作用的是化学胶结力。
(2) 滑移阶段加载至一定的荷载时, 加载端发生滑移, 加载端的滑移发生的较缓慢, 曲线表现一定的非线性。
(3) 破坏阶段:随着荷载的逐步加大, 加载端滑移发展加快, 自由端开始滑移, 当荷载接近极限荷载时, 加载端突然出现纵向裂缝, 并伴随着“咔擦”一声, 荷载达到极限荷载, 出现微裂缝。
(4) 下降阶段:荷载达到极限荷载后, 加载端滑移迅速增加, 裂缝全面开展, 裂缝宽度也逐渐加大。
(5) 残余阶段:滑移达到一定长度后, 荷载不再继续降低, 保持在一定的荷载水平上。
2.3 裂缝形态及其发展过程
2.3.1 试件的开裂时刻
在推出试验中, 裂缝主要是出现在极限荷载之前, 并出现在试件的加载端, 然后随着加载端的增加, 裂缝向自由端迅速发展, 形成纵向劈裂裂缝 (见图4) 。
2.3.2 破坏时裂缝的主要形态
根据实验加载端和裂缝的不同的特征, 试件主要呈现相识的裂缝形态 (见图4) 。主要是劈裂裂缝形式。裂缝主要C型钢四个角开始一般沿大致45 度角方向向外扩张, 同时C型钢内部泡沫混凝土发生破坏, 进而在试件表面形成裂缝。随着滑移的增加, 裂缝宽度逐渐增加, 最后达到2—8mm的裂缝, 这种裂缝出现在大部分试件中。其中部分形成通长的表面裂缝, 造成中间部位裂缝膨胀, 随着滑移的增加, 膨胀部位发生剥落;由于试件保护层厚度不是特别的厚, 试件表面裂纹非常明显。
2.4 滑移测试的结果
由位移计测得的C型刚泡沫混凝土的滑移与荷载的关系曲线 (见上图3) 。可以得出:荷载加载初期, 整个C型钢均不发生任何滑移, 表现为加载端向自由端逐渐渗透的过程;随着荷载的增加, 加载端部首先开始滑移, 随着荷载继续增加, 滑移值也逐渐增加, 但是速度较缓慢, 但当加载到极限荷载时, 整个C型钢均开始滑移。进入卸荷阶段后, 荷载下降很快, 但是滑移继续增加;荷载下降一段距离后, 滑移开始较均匀增加, 此时进入残余阶段, 滑移继续增加但是荷载几乎不变, 在某一值上下波动。
3 对比试验结果
根据33 个型钢泡沫混凝土和4 个标准试件的荷载-滑移曲线进行综合对比。对比试验的主要结果如下表 (表5) 。可以直观的看出开孔直径、开孔间距、开孔个数、开孔位置对C型钢泡沫混凝土粘结滑移性能的影响。
4 结论
(1) 通过试验得出型钢表面开孔明显地提高了型钢与泡沫混凝土之间的粘结滑移性能。
(2) 根据33 个C型钢推出试件的实验结果, 对P-S曲线进行综合分析, 划分了试件受力过程的5 个受力阶段。总结了试件的主要裂缝形态。
(3) 通过4 个对比试件结果表明, 腹板和翼缘开孔能明显提高型钢和泡沫混凝土之间的粘结滑移性能。腹板和翼缘相比, 在短柱的推出试验中, 腹板开孔对型钢泡沫混凝土的粘结滑移性能影响会更明显。
摘要：本文主要研究C型冷弯薄壁型开孔的钢泡沫混凝土界面滑移性能。根据33个型钢泡沫混凝土推出试件和4个对比试件的推出试验, 得到型钢泡沫混凝土的荷载-滑移特征曲线, 以及其破坏形态, 探讨了不同开孔直径、间距、位置对界面滑移性能的影响。
关键词：C型钢开孔,泡沫混凝土,推出试验,粘结滑移,对比试验
参考文献
[1]赵鸿铁.钢与混凝土组合体.北京:科学出版社, 2001.77~226.
[2]薛建阳, 杨勇, 赵鸿铁, 型钢混凝土构件粘结滑移性能试验及其分析[J].工业建筑。2005.35.142-146.
混凝土界面 篇7
近几年来, 许多学者进行了跨中单裂缝脱胶破坏的试验和解析研究, 提出了多种模型[5,6,7,8,9,10,11,12].文献表明[13]:多裂缝引起的脱胶破坏不同于单裂缝脱胶破坏的机理.利用双线性局部胶结-滑移模型, Teng等[13]提出了两个相邻裂缝之间FRP-混凝土界面的脱胶破坏过程的解析解.Chen等[14]忽略内聚律的弹性上升部分, 得到了两个相邻裂缝间FRP-混凝土界面脱胶过程的更为简洁的解析解.然而, 所有这些研究成果都是基于忽略剪力和力偶的双剪模型取得的, 利用其他模型所得的研究成果较少.因此, 本文考虑由支承引起的剪力和力偶的办法, 揭示在外载荷增加时, 梁的多重跨中裂缝引起的FRP-混凝土界面脱胶破坏的过程.
1 控制方程
文献[15]详细推导了FRP加强梁的控制方程.为了本文的完整性, 简要概述如下:
如图1所示, FRP板通过一薄胶结层加固混凝土简支梁.取该加固梁一无穷小隔离体 (如图2所示) , 建立平衡方程如下
其中, Ni, Qi和Mi (i=c, p) 分别代表水平轴力、垂直剪力和弯矩;τ (x) 和σ (x) 分别表示界面剪应力和正应力;NT, QT和MT分别表示总轴向力、总剪力和总弯矩 (如图2) .
界面本构方程可表示为
其中, 式 (2) 中的δ代表FRP板和混凝土梁之间的相对位移
混凝土梁和FRP板的本构方程表示为
其中, ui和wi分别代表轴向位移和竖向位移, Ci和Di (i=c, p) 分别代表轴向刚度和弯曲刚度.
根据文献[11, 13]的假设可知, 加固梁的FRP板和混凝土梁有相同的曲率, 即
考虑了粘合剂对界面胶结行为的影响, 界面纵向位移的协调条件可表示为
其中, G0和h0分别代表粘结层的剪切模量和厚度.
将方程 (4) 和式 (1) 代入方程 (5) 可得
在上述方程两端乘以Dc得
把式 (4) 和式 (8) 代入式 (6) , 对x微分, 引入局部粘结强度参数τf和界面断裂能Gf得
对式 (9) 求微分, 结合式 (1) 和式 (2) 得到控制微分方程
其中
2 局部粘结滑移模型
考虑正向和反向滑移, 粘结滑移模型 (如图3所示) 可以表示为
从内聚区模型 (cohesive zone model, CZM) 的角度看, 式 (12) 表示的滑移律是给定材料的固有属性.在式 (12) 表达的线性滑移模型中, 模型线与坐标轴之间的面积表示界面断裂能Gf
3 粘结界面的破坏过程分析
由于采用局部粘结-滑移模型忽略弹性变形, 故整个界面初始状态是刚性的.在载荷作用下, 界面上的任一点可能处于刚性、软化或者脱胶状态.下文引用的字母“R” (刚性) , “S” (软化) 和“D” (脱胶) 表示界面状态 (见图4) .因为载荷的不确定性, 存在各种潜在的破坏过程.为简单起见, 本文仅考虑Np2>Np1的情况, 其他情况与之类似.
软化-刚性-软化 (S-R-S) 阶段:即使载荷非常小, 界面处在S-R-S状态.在0<|δ|δf的条件下, 将式 (12) 代入式 (10) 得到如下微分方程
其中
通过求解式 (14) 和式 (15) , 可以得到板的界面滑移, 界面剪应力和轴向应力.在[0 ≤x≤ e]内界面的左软化区[-δf<δ≤0]的解为
在[L-a≤x≤L]内界面的右软化区[0<δ≤δf]的解为
在左右加载端 (x=0, L) 应用下列边界条件 (见图4 (a) )
在界面的刚性区域[e≤x≤L-a]内, 没有界面滑移 (或界面剪应力) , 所以, 板的轴压力可以由式 (1) 和式 (4) 得到
式 (17) ∼式 (22) 中的常数A, B, C和D可通过将式 (25) 和式 (26) 代入式 (17) , 式 (19) , 式 (20) 和式 (22) 得到.
当
将式 (23) 代入式 (19) , 将式 (24) 代入式 (22) , 可以得到软化区的长度a和e.
加载结束, FRP板和混凝土梁之间在x=0和x=L的相对位移 (滑移) 分别用∆0和∆l表示.由式 (17) 和式 (20) 得
软化-刚性-软化-脱胶 (S-R-S-D) 阶段:在x=L处开始脱胶时, 一个S-R-S界面变成一个S-R-S-D界面 (即:当∆l=δf, 见图4 (b) ) .相应的软化长度a和e, 载荷Np2, 分别用ad, ed和Np2d表示.由式 (29) , 式 (30) 和式 (32) 可得
其中 au表示特征软化长度, 把Np2=Np2d, 将式 (1) , 式 (34) 和式 (35) 代入式 (29) 可得
其中,
如果粘结长度L大于特征粘结长度Le=ad+ed, 上述表达式有效.随着脱胶扩展, 右侧软化线 (峰值剪应力τf) 向左移动, 而左侧软化线保持原位.界面应力分布如图4 (c) .
右侧界面的脱胶长度以d表示, 如果以 (L-d) 代换L, ad代换a, 则式 (20) 和式 (22) 仍然有效.在脱胶过程中, x=L处的位移为
4 数值算例和参数研究
在本节, 对如图1所示的FRP-混凝土简支梁数值算例进行参数研究, 并且对本文前述的破坏过程进行分析.材料参数[5,6,13], 几何参数选择:hp=0.22 mm, bp=50 mm, hc=100 mm, bc=100 mm, h0=2.5 mm, L=500 mm.
图5表示了理论分析得出的载荷与x=L处的胶结滑移的关系.一旦加载, 左右两端均处于软化状态 (如图4 (a) 和图5中OA段) .若Np1
图6表示了实验研究得出的载荷与x=L处的胶结滑移关系曲线.采用文献[6]中的实验装置, 测量梁段右端x=L处的位移, 这个位移不仅包括了由于FRP--混凝土界面滑移导致的位移, 还考虑了FRP板未脱胶部分弹性变形对位移的影响.其中LP1, LP2, LP3, LP4代表不同的FRP片材胶结长度, 分别为100 mm, 145 mm, 190 mm, 240 mm[5,6,13].
首先, 对任意一根实验梁, 例如LP4的脱胶过程进行分析, 可以看出:起初, 随着载荷的增加, 滑移量接近线性增加;当载荷达到3.8 k N时, 微裂纹出现, 初始脱胶开始;随着载荷的继续增加, 滑移量出现明显增加趋势;当载荷达到5 k N时, 载荷-滑移曲线出现一个平台, 此时载荷基本保持不变, 滑移量持续增加, 直至最终发生脱胶破坏.同时, 对比LP 1, LP 2, LP 3, LP 4梁的脱胶过程可以发现, 当载荷达到3.5 k N左右时, 初始脱胶开始, 当载荷达到5.5 k N左右时, 平台出现, 且平台出现时, x=L处的位移为0.2 mm左右.对比实验研究 (图6) 和理论分析 (图5) 的相关数据, 可以发现, 实验研究的破坏过程和理论分析得出的结果基本吻合, 很好地验证了理论分析的正确性.因此, 本文理论分析的结果可以很好地预测FRP-混凝土界面粘结区域的承载力.
同时, 实验研究也反映了不同胶结长度对脱胶过程的影响, 如图6所示, 初始阶段, 不同曲线的斜率类似, 初始脱胶发生后, 滑移量都明显增加, 所有曲线在极限破坏前都会出现一个平台, 但平台长度随着胶结长度的增加而增加.因此, FRP片材的胶结长度是影响极限承载力的一个重要因素.
选择不同的粘结层厚度来分析粘结层厚度对FRP--混凝土界面性能的影响.在相同载荷P=4.0 kN作用下, FRP--混凝土界面的3种不同粘结层厚度的剪应力分布如图7所示.由图7可以看出, FRP-混凝土间粘结层厚度在界面剪应力分布和脱胶扩展过程中起着重要的作用.当粘结层处于最小厚度 (h0=1.0 mm) 时, 产生一个完整的软化区, 脱胶始于右端.当胶结层厚度h0=2.5 mm, 右端剪应力大于0, 它表明在FRP-混凝土界面右端附近出现一个局部软化区 (81.22 mm) .当胶结层厚度增加到h0=4.0 mm, 出现一个更小的软化区 (73.36 mm) .正如图7所示, 发生初始脱胶后, 随着粘结层厚度的增加, 右端的软化区将增大, 这意味着FRP-混凝土界面承载能力与粘结层厚度有关.
5 结论
新老混凝土界面粗糙度的定性化分析 篇8
本文主要探讨新老混凝土毛面处理问题,其中老混凝土粘结毛面的粗糙程度是一个重要因素,其界面的处理对确保新老混凝土粘结补强工程质量具有重要意义。目前,国内外还没有相应的规范或规程对新老混凝土粘结面的毛面处理作出明确的规定。美国内务部垦务局编制的混凝土手册[1]中要求在补浇混凝土之前,要把坏的、松的和未浇结好的混凝土用铁凿或其他适用工具全部除去,然后用水砂枪、风动凿岩机或其他适合的方法打毛、清扫干净并干燥。我国混凝土结构设计规范指出:叠合式受弯构件的叠合面处理应根据叠合面的受剪强度要求来进行,常用的方法有人工叠合面(包括凹凸形或锯齿形叠合面)和自然粗糙面(指混凝土振捣后不加抹平而形成的有一定凹凸起伏的自然表面)。从以上规定可以看出,各规定对界面粗糙度的处理和评定都具有较大的主观性和随意性。因此,对新老混凝土粘结面粗糙度处理方法的研究和试验显得尤为重要。
1 新老混凝土粘结毛面常见处理方法
1.1 人工凿毛法
人工凿毛法是实际工程中常用的一种毛面处理方法,是用铁锤和凿子借助人力对老混凝土粘结界面敲打,使其表面形成随机的凸凹不平状,增加粘结界面的粗糙程度。此方法的优点是施工技术简单,不需大型昂贵的机械设备,工程造价低;其缺点是不便于大面积机械化施工且在老混凝土界面产生扰动,产生附加的微裂缝。
1.2 植筋法
植筋法是利用专用化学粘合剂的快速、高强的固化特性,将锚筋或锚栓植入原有混凝土结构中,达到与预埋钢筋一样的效果,从而连接新的混凝土结构,对原有结构进行补强加固。
目前植筋法在改造工程运用比较普遍,对施工工艺要求较高,但其施工效果好,且成本不高,还能起到加固补强的作用,对改造工程来说是一举两得的好方法,较为经济适用,且对结构安全也有保障。
1.3 电钻凿孔法
电钻凿孔法是在老混凝土表面用轻型电钻按照一定的要求进行成排钻孔。该方法和随机人工凿毛一样对混凝土的损伤比较严重。此方法可用在梁、柱加大截面结合层处理,配合人工凿毛,使其结合层面粗糙度符合要求,增加新老混凝土粘结强度。
1.4 高压水射法
高压水射法是用高压水枪对老混凝土的粘结界面进行冲毛粗糙处理。一般高压水枪压力在100～250 MPa之间,控制其喷水速度、喷射距离和喷除速度,借助巨大的水冲射力除去老混凝土界面的水泥石,使其界面表层的粗糙集料外露,从而形成凹凸不平的粘结界面。该方法有以下优点:工作迅速、有成效,没有振动、噪声和灰尘;机械化施工程度高,施工速度快,对老混凝土扰动小,处理面凹凸均匀性好;更重要的是高压水射法适用于任何情况,在有钢筋的情况下,不但不会损伤钢筋,而且能为钢筋除锈。此方法的最大缺点是所用设备昂贵,工程费用大。目前该方法已在欧洲国家和日本得到广泛研究和应用,但在我国还没有大面积推广使用。
不同水压力得到不同粗糙度的粘结面。试验结果表明:粘结面粗糙度的不同直接影响粘结劈拉强度,其粘结劈拉强度为老混凝土整体劈拉强度的64.1%～75.5%,为新混凝土整体劈拉强度的63.3%～74.5%,而且随粘结面粗糙度的增加,粘结劈拉强度增大。这是由于粘结面粗糙度的增大,增加了粘结接触面积,从而提高了新老混凝土的粘结性能。
2 新老混凝土粘结的新思路
根据试验结果,在一定的粗糙度范围内,界面粘结强度随着界面粗糙度的增大而不断增大,并非越粗糙粘结性能越好。
对混凝土表面粗糙度的评定方法,目前国内外还没有相应的规范或规程。现有的评定方法主要有灌砂法[2]、硅粉堆落法[3]、触针法和分数维法等,这几种方法均只考虑了表面粗糙度1种因素。本文提出1种分析界面粘结性能的新思路,称之为锯齿现象,认为可以细分表面粗糙程度,即毛面深度和毛面面积2种因素,这样能更精确地解释粘结性能与毛面的关系。由于毛面面积及深度均在实际操作中较难求解,因此本文设计了一种简单近似的测定方法:一是目测凿毛的毛面积,并使之尽量处于原面积的50%～70%,当新混凝土抗压强度与混凝土抗压强度接近时,取50%。二是将灌砂法、灌水法测得的毛面体积除以目测凿毛面积,即为凿毛深度,凿毛深度宜为3 mm左右。
虽然本文的测定方法不算精确,但将粗糙度分为两种相互联系的因素,为后续的理论研究指引了方向。
(1)毛面的深度。在一定范围内,深度越大,粘结性能越好(如图1所示)。
根据钢筋的抗拉强度和混凝土的抗拉强度的比值,凿毛深度大概为钢筋锚固长度30d的,由此可知最优凿毛深度的概值为,这里的ft是一个近似值,是混凝土的抗拉强度,而与凿毛深度对应相关的是新混凝土棒从旧混凝土及旧混凝土棒从新混凝土中拉出来的极限抗拉能力。所以本文提出的凿毛深度是一种新思路、一种概值。而提出确切的数值及计算公式,需要大量的研究及实验,这将是新思路的后续发展方向。
(2)毛面的面积。毛面的面积前期与粘结性能成正比,后期与之成反比(如图2所示)。
从混凝土的抗剪公式0.5ftbh0可以看出,混凝土界面抗剪能力将由新老混凝土共同承担。根据剪力由两个相反方向的力组成的特点,新老混凝土承担的正、反剪力将相同,因此新老混凝土结构的抗剪能力应该接近,即老混凝土的0.5ftbh0接近新混凝土的0.5ftbh0,且凿毛孔尽量采用圆孔,避免圆锥孔。
3 结论
(1)在一定范围内,毛面的深度越大,粘结性能越好。
(2)毛面的最优凿毛深度的概值为。
(3)毛面的面积前期与粘结性能成正比,后期与粘结性能成反比。
(4)新老混凝土结构的抗剪能力应该接近,即老混凝土的0.5ftbh0接近新混凝土的0.5ftbh0,
(5)凿毛孔尽量采用圆孔,避免圆锥孔。
参考文献
[1]美国内务部垦务局.混凝土手册[M].王圣培,译.北京:水利电力出版社.1990.
[2]赵志方,赵国藩.采用高压水射法处理新老混凝土粘结面的试验研究[J].大连理工大学学报,1999(4).