高溫后植筋膠黏結(jié)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

張 宇, 樓國標(biāo), 李國強(qiáng)， 孫友誼

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2.武警后勤學(xué)院 建筑工程系,天津 300309；3.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710000;4.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092; 5.中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030000)

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高溫后植筋膠黏結(jié)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

張 宇1,2,3, 樓國標(biāo)1,4, 李國強(qiáng)3,4， 孫友誼5

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2.武警后勤學(xué)院 建筑工程系,天津 300309；3.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710000;4.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092; 5.中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030000)

為了測試工程中植筋膠在高溫后的安全性能, 對(duì)3種常用植筋膠分別在25,60,100,160和260 °C恒溫加載自然冷卻后的黏結(jié)力學(xué)性能開展試驗(yàn)研究.首先，測試了這3種植筋膠的玻璃轉(zhuǎn)化溫度.其次，通過拉伸試驗(yàn)，得出了恒溫加載、自然冷卻后試件受力與滑移曲線關(guān)系，極限黏結(jié)承載力和其隨溫度的損失規(guī)律.對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得出受力與滑移三階段和四階段數(shù)學(xué)模型.研究表明，溫度會(huì)造成植筋試件力學(xué)性能的退化，熱塑性植筋膠比熱固性植筋膠剛性和耐熱性均較差.玻璃轉(zhuǎn)化溫度是植筋膠高溫后承載力的突變點(diǎn)，是植筋膠正常使用的溫度上限并影響著它的高溫后使用性能.

植筋膠； 高溫后； 黏結(jié)強(qiáng)度； 殘余承載力

植筋膠(anchorage adhesive)是由合成樹脂、填充材料及化學(xué)助劑組成的建筑結(jié)構(gòu)黏結(jié)加固材料，主要分為熱固性和熱塑性兩類.具有錨固力強(qiáng)、施工簡捷、材料成本低、耐腐蝕性等特點(diǎn)，適用于新老建筑物連接、建筑物抗震加固、設(shè)備基礎(chǔ)錨固以及磚混建筑結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng).通常，植筋膠在常溫下發(fā)揮其力學(xué)性能，但在結(jié)構(gòu)加固和改造過程中，焊接成為不可或缺的鋼筋連結(jié)方式，這樣會(huì)導(dǎo)致植筋部位受到高溫的影響；另外，植筋膠遭遇火災(zāi)或高溫影響時(shí)，也同樣會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)性能的退化[1].目前，國內(nèi)外對(duì)植筋膠在常溫[2-3]和高溫[4-8]時(shí)力學(xué)性能開展了研究，對(duì)高溫后[9]植筋膠性能研究，處于起步階段.研究中存在材料選取單一，機(jī)理分析不透徹的問題，對(duì)于植筋在經(jīng)歷不同高溫后力學(xué)性能的退化規(guī)律也未有較成熟的理論.同時(shí)，玻璃轉(zhuǎn)化溫度和固化條件等都會(huì)影響高分子材料的力學(xué)性能，但現(xiàn)有研究沒有考慮這些因素.

1 試驗(yàn)

1.1 材料的制備

試樣取自市場占有率較高且較易獲取的3個(gè)品牌的植筋膠，分別是：慧魚FISV360S(植筋膠A), 悍馬HM-500(植筋膠B)和喜利得HIT-RE 500(植筋膠C).FISV360S為混合型高強(qiáng)乙烯基甲基丙烯酯樹脂，雙塑料管包裝，其中組分A為乙烯樹脂和高強(qiáng)水泥砂漿混合物，不含苯乙烯，無異味；組分B為固化劑加水，固化劑為過氧及雙苯甲酰.基材A和固化劑B的體積比為5∶1.在21～30 ℃時(shí)，其固化時(shí)間為45 min，固化后的膠體為灰色類混凝土狀材料.HM-500為雙塑料管包裝的改性環(huán)氧式注射植筋膠，基材和固化劑的體積比為2∶1.通過改性使其保持了環(huán)氧樹脂的優(yōu)越性能，大大提高了膠體的固化時(shí)間和低溫下的固化性能，固化后的膠體均為暗紅色類似玻璃狀材料.膠體的劈裂抗拉強(qiáng)度為12.8 MPa，抗彎強(qiáng)度為70.4 MPa，抗壓強(qiáng)度為87.5 MPa.HIT-RE 500為雙酚A改性環(huán)氧樹脂.雙塑料管包裝的改性環(huán)氧式注射植筋膠，不含苯乙烯及乙二胺，無異味.在20～30 ℃時(shí)其固化時(shí)間為30 min，完全固化時(shí)間為6 h，固化后的膠體為鮮紅色類玻璃狀材料.膠體的劈裂抗拉強(qiáng)度為14.6 MPa，抗彎強(qiáng)度為75.7 MPa，抗壓強(qiáng)度為108.3 MPa.

1.2 結(jié)構(gòu)和性能表征

采用日本日立公司的S-4800掃描電子顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，加速電壓15 V.使用Mettler Toledo SDTA861e動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀對(duì)樣品進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析，采用小夾具拉伸模式，待測樣品長、寬、高分別為8，4和2 mm ，以5 ℃·min-1的升溫速率從室溫升至250 ℃，固定頻率為1 Hz，振幅為50 μm.

1.3 高溫后植筋膠黏結(jié)力學(xué)性能試驗(yàn)

1.3.1 試件制作

試驗(yàn)依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范GB50367—2006附錄J中富填料黏結(jié)材料拉伸抗剪強(qiáng)度測定方法(鋼套筒法)制作試件.試件由植筋膠、直徑為12 mm的Ⅱ級(jí)HRB335帶肋鋼筋和專用鋼套筒組成，如圖1所示.鋼筒采用45號(hào)碳鋼，一端內(nèi)徑16 mm，用于植入鋼筋，鋼筋植入深度36 mm；另一端內(nèi)徑24 mm，用于旋入螺桿將試件固定在試驗(yàn)機(jī)上.套筒內(nèi)壁有螺距為0.4 mm、深度為4 mm的梯形螺紋.

1.3.2 加載裝置

試驗(yàn)加載裝置采用同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室的微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)以及電阻爐(圖2).其中升溫設(shè)備采用上海意豐電爐有限公司生產(chǎn)的箱式電阻爐，額定電壓220 V，額定功率6.3 kW，額定溫度1 200 ℃，最大工作電流為30 A.電爐溫度-時(shí)間曲線如圖3所示.

圖2 加載裝置

圖3 電爐溫度時(shí)間曲線

1.3.3 試驗(yàn)過程

3種試件選用25,60,100,160和260 °C共5種溫度，每種溫度做5個(gè)試件.試驗(yàn)過程中，保持環(huán)境溫度為25 °C.為確定植筋錨固試件內(nèi)部升溫時(shí)間，前期進(jìn)行了植筋試件恒溫加載試驗(yàn)，在試件內(nèi)部插入熱點(diǎn)偶，每隔10 s記錄下試件內(nèi)部溫度，確定升溫曲線及特定溫度點(diǎn)的恒溫時(shí)間.當(dāng)?shù)竭_(dá)恒溫時(shí)間時(shí)，打開電爐，讓試件自然冷卻.進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，加載制度為200 N·s-1，萬能試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄試件承受的拉拔力及滑移量.

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

圖4為3種試樣固化后在X射線掃描電子顯微鏡(SEM)下觀測到的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖.從圖4中可以看出，3種植筋膠的表面粗糙度從FISV360S,HM-500到HIT-RE 500依次遞減，宏觀分析其韌性和力學(xué)性能將依次增加.

玻璃轉(zhuǎn)化溫度(tg)是玻璃態(tài)物質(zhì)在玻璃態(tài)和高彈態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化的溫度，從工程應(yīng)用角度而言，玻璃化溫度是工程塑料使用溫度的上限，是橡膠或彈性體的使用下限.本文用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析DMA(dynamic mechanical analysis)測試方法表征玻璃轉(zhuǎn)化溫度，得到的損耗角(δ)正切-溫度曲線.圖5為3種植筋膠的DMA測試曲線.由圖5可以看出，慧魚FISV360S(植筋膠A),悍馬HM-500(植筋膠B)和喜利得HIT-RE 500(植筋膠C)的玻璃轉(zhuǎn)化溫度分別為：180.43,137.54和69.34 ℃.

a FISV360S

b HM-500

c HIT-RE 500

2.2 高溫力學(xué)性能

2.2.1 殘余承載力

殘余承載力RBC(residual bearing capacity)被定義為高溫后與常溫狀態(tài)植筋膠的強(qiáng)度差與常溫狀態(tài)植筋膠的強(qiáng)度比值，可以表達(dá)為

(1)

式中：τafter為高溫后植筋膠的強(qiáng)度，MPa；τambient為常溫狀態(tài)植筋膠的強(qiáng)度，MPa.假設(shè)黏聚力在植筋方向?yàn)榫鶆蚍植嫉?，根?jù)規(guī)范[12],植筋膠的黏聚強(qiáng)度可以表達(dá)為

(2)

式中：τt為膠體黏聚強(qiáng)度, MPa;P為最大承載力，N;π為圓周系數(shù)；D為鋼套筒的內(nèi)徑,mm；L為植筋長度,mm;0.8為均勻化系數(shù).根據(jù)規(guī)范[12],參數(shù)D取16 mm，L取36 mm.根據(jù)公式(2)，黏聚強(qiáng)度僅僅由最大承載力P決定.

圖5 植筋膠DMA曲線

去掉每個(gè)試驗(yàn)溫度下5條荷載-滑移曲線中極限荷載最大和最小的兩條，對(duì)剩余的3條取平均，可作出各試驗(yàn)溫度下的平均荷載-滑移曲線.高溫對(duì)植筋膠產(chǎn)生不同程度的損傷，等冷卻至自然溫度后再受外力.由于材料的高溫?fù)p傷，材料受外力黏結(jié)承載能力降低.表1～3為3種植筋膠在升溫冷卻后的殘余承載力.由于植筋膠在溫度達(dá)到玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)會(huì)產(chǎn)生突變，因此選取的觀察點(diǎn)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離該溫度.觀察表1和表3，由于植筋膠A和B的玻璃轉(zhuǎn)化溫度分別為180.43 ℃和137.54 ℃，為了保證分析的準(zhǔn)確性，選取100 ℃時(shí)兩植筋膠的殘余承載力進(jìn)行對(duì)比，可知在耐溫性方面植筋膠B>A.同理，選取260 ℃時(shí)植筋膠B和C的殘余承載力進(jìn)行對(duì)比，可知在耐溫性方面，植筋膠C>B.因此，3種膠的耐溫性從高到低分別為C>B>A.

表1 植筋膠A在升溫冷卻后的殘余承載力

Tab.1 Residual bearing capacity of adhesive A specimens after heating

溫度/℃承載力/kN試件1試件2試件3平均承載力/kN平均黏聚力/MPa殘余承載力/%2529.6530.7631.5430.6521.181006022.9624.4523.8923.7716.437810017.3516.9116.7617.0011.75551608.678.918.738.776.062926015.4315.3815.2115.3410.6050

去掉每個(gè)試驗(yàn)溫度下5條荷載-滑移曲線中極限荷載最大和最小的2條，對(duì)剩余的3條取平均，可作出各試驗(yàn)溫度下的平均荷載-滑移曲線(圖6).

表2 植筋膠B在升溫冷卻后的殘余承載力

表3 植筋膠C在升溫冷卻后的殘余承載力

圖6中的實(shí)線是試驗(yàn)曲線，虛線為擬合模型.試驗(yàn)觀測到，植筋膠A和植筋膠B均為內(nèi)聚破壞，在拉伸的過程中鋼筋并未屈服或者破壞.在拉伸的初始階段，力隨著滑移的增大而增大.當(dāng)力到達(dá)最大承載力后，如果繼續(xù)拉伸試件，力很快減小.但可以觀察到，植筋膠C在達(dá)到最大承載力約40 kN后有一段強(qiáng)化曲線，分析原因是由鋼筋的屈服造成的：該試驗(yàn)選取的鋼筋為HRB335，屈服強(qiáng)度為335 MPa.鋼筋的直徑為12 mm，因此其最大承載力為38 kN.因此，曲線中約40 kN附近的強(qiáng)化段是由鋼筋的屈服頸縮造成的.

2.2.3 溫度效應(yīng)

慧魚FISV360S(植筋膠A)的固化溫度范圍是5～40 ℃，使用環(huán)境溫度范圍是-40～120 ℃；悍馬HM-500(植筋膠B)的固化溫度范圍是-5～30 ℃，使用環(huán)境溫度范圍是-5～120 ℃；喜利得HIT-RE 500(植筋膠C)的固化溫度范圍是5～40 ℃，使用環(huán)境溫度范圍是-40～70 ℃.3種植筋膠的固化溫度范圍和使用環(huán)境溫度范圍均在其玻璃轉(zhuǎn)化溫度(180.43,137.54和69.34 ℃)范圍內(nèi).但是為了考察植筋膠在?；c(diǎn)的力學(xué)特性，考察工況可高于玻璃轉(zhuǎn)化溫度.從不同植筋膠在不同高溫冷卻后的力-滑移曲線(圖6)中可以看出不同溫度下植筋膠的最大承載力(曲線峰值)和對(duì)溫度的敏感程度(曲線切線).對(duì)于植筋膠A，當(dāng)加載溫度低于玻璃轉(zhuǎn)化溫度(180.43 ℃)時(shí)，強(qiáng)度隨著溫度的升高降低，即 25,

a 植筋膠A

b 植筋膠B

c 植筋膠C

60,100和160 ℃高溫后，其平均黏聚力分別為21.18,16.43,11.75和6.06 kN；而當(dāng)加載溫度超過玻璃轉(zhuǎn)化溫度(180.43 ℃)為260 ℃時(shí)，其平均黏聚力為10.60 kN(表1).可見，在玻璃轉(zhuǎn)化溫度附近，膠體的強(qiáng)度略有回升.對(duì)于植筋膠B和C，仍然存在該現(xiàn)象.而在玻璃轉(zhuǎn)化溫度后繼續(xù)升高溫度，膠體的強(qiáng)度仍然繼續(xù)下降.因此可以得出，高溫后膠體的黏結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)非線性變化，隨著溫度的升高強(qiáng)度首先降低，后在玻璃轉(zhuǎn)化溫度點(diǎn)稍有升高(稱為轉(zhuǎn)化點(diǎn))，隨后又繼續(xù)降低.該轉(zhuǎn)化點(diǎn)是由于當(dāng)材料被置于高于玻璃轉(zhuǎn)化溫度的環(huán)境中時(shí)，熱量加劇了分子流動(dòng)，改變了高分子聚合物的鏈接方式.可見，玻璃轉(zhuǎn)化溫度是高分子材料許多性能的突變點(diǎn)，它可以作為植筋膠的上限使用溫度和橡膠材料的下限使用溫度.

2.2.4 熱塑性和熱固性植筋膠的異同

圖7為3種試樣最大承載力隨溫度的變化.從圖7可以看出，植筋膠A的初始黏聚強(qiáng)度比植筋膠B和C小得多，但對(duì)溫度的耐熱性和敏感性筋膠A比植筋膠B和C差.分析原因，慧魚FISV360S(植筋膠A)為熱塑性植筋膠，其熱加工過程只是一個(gè)物理變化的過程.在加熱冷卻后，其性能并沒有發(fā)生變化且可以重復(fù)多次.悍馬HM-500(植筋膠B)和喜利得HIT-RE 500(植筋膠C)為熱固性植筋膠，加熱過程發(fā)生了化學(xué)變化，分子間形成了共價(jià)鍵成為體型分子.在冷卻之后繼續(xù)加熱，在進(jìn)一步升溫的過程中導(dǎo)致共價(jià)鍵破壞，從而使原材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)也隨之改變.這類塑料的優(yōu)點(diǎn)在于耐熱性和剛性較好，硬度高，尺寸穩(wěn)定，但加工較難，且不可回收利用.可見，熱塑性比熱固性植筋膠剛性和耐熱性均較差，該結(jié)論與2.2.1的結(jié)論吻合，也符合該類材料的通性[14].

圖7 最大承載力隨溫度的變化

根據(jù)圖8強(qiáng)度-滑移(τ-S)模型曲線可以看出，高溫后植筋膠的力學(xué)性能可以歸結(jié)為三段式或者四段式模型.圖8中，τb為屈服應(yīng)力，τs為材料強(qiáng)度，τd為殘余強(qiáng)度.當(dāng)植筋膠的最大黏結(jié)力Padhesive小于鋼筋的最大黏結(jié)力Prebar時(shí),力-滑移曲線擬合為三階段模型：黏結(jié)，屈服和失效.三階段模型可以表達(dá)為

(3)

式中：A1,A2,A3,B2,B3和C2為擬合參數(shù).當(dāng)Padhesive大于鋼筋的最大黏結(jié)力Prebar時(shí),力-滑移曲線擬合為四階段模型：黏結(jié)，強(qiáng)化，屈服和失效.四階段模型可以表達(dá)為

(4)

非常明顯，四階段模型比三階段模型多了一個(gè)屈服強(qiáng)化階段，這是由鋼筋的屈服強(qiáng)化造成的.

a 三段式

b 四段式

3 結(jié)論

(1)隨著溫度的升高，植筋膠高溫自然冷卻后極限承載力逐漸降低.熱塑性植筋膠剛性和耐熱性均比熱固性植筋膠差.

(2)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以作為植筋膠的上限使用溫度，該溫度可以促進(jìn)植筋膠的完全固化.

(3)植筋膠在高溫后的黏結(jié)滑移力學(xué)性能可以根據(jù)鋼筋和膠體自身黏聚力大小分為三段和四段式數(shù)學(xué)模型.

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Experimental Study of Bond Strength of Anchorage Adhesive After Heating

ZHANG Yu1,2,3, LOU Guobiao1,4, LI Guoqiang3,4, SUN Youyi5

(1. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Department of Building Engineering, Logistics University of PAPF, Tianjin 300309, China； 3. State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710000, China; 4. State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China； 5. College of Materials Science and Engineering, North University of China, Taiyuan 030000, China)

To satisfy the safety properties of the organic anchorage adhesive used in engineering field after heating from elevated temperatures, a series of pull-out tests for three anchorage adhesives were conducted after heating at temperatures of 25, 60, 100, 160 and 260 °C. The glass transition temperatures of three adhesives were tested. The heating process was found to follow a fixed curve. Three commonly used anchorage adhesives were adopted. The force-slip relationships of the adhesives after heating, the ultimate strengths and their change regulation with the temperature were obtained. A three-stage or four-stage model for the force-slip relationship was obtained by curve-fitting. The results show that the bond strength of anchorage adhesive is strongly dependent on temperature, and the rigid and heat tolerance of thermoplastic adhesive is weak than thermosetting adhesive. The results also show that glass transition temperature is the turning point for behaviors of adhesive after heating, which can be used to determine the upper limit temperature for continuous application.

anchorage adhesive; after heating; bond strength; residual bearing capacity

2015-12-31

國家自然科學(xué)基金(51508412);中國博士后科學(xué)基金(2014M551451);機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SV2014-KF-17)

張 宇(1983—)，女，講師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榉罏?zāi)減災(zāi)與防護(hù)工程.E-mail: zhangyu1983xinxin@163.com

TU317

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