公路用膠粘劑的壓縮強(qiáng)度性能研究

莫延英

摘要：隨著社會(huì)科技的快速發(fā)展，對(duì)鋼筋混凝土的改造使得公路的壓縮強(qiáng)度不斷被提高。文章通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的方法，研究公路所使用的鋼筋混凝土材料加上水泥基膠粘劑后的壓縮強(qiáng)度。由于公路暴露于陽(yáng)光下，其表面溫度會(huì)很高，加入膠粘劑的混凝土的性能會(huì)受到影響，所以本文還對(duì)加入膠粘劑的混凝土試樣在不同溫度下的性能進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：水泥基膠粘劑用量為5份時(shí)，鋼筋混凝土的壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大化;水泥基膠粘劑相比環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑耐熱性能更好，更適合用于鋼筋混凝土。

關(guān)鍵詞：公路;水泥基膠粘劑;鋼筋混凝土;壓縮強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TQ437文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）07-0001-05

公路上使用的鋼筋混凝土要求有較好的性能，在過(guò)去幾十年里，對(duì)現(xiàn)有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的改造一直是土木工程研究中關(guān)注的主題。這是由于所需的服務(wù)負(fù)荷增加，材料的機(jī)械性能隨時(shí)間降低以及設(shè)計(jì)規(guī)范的變化。世界各地使用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑改造了許多混凝土結(jié)構(gòu)。然而，環(huán)氧聚合物在高溫下機(jī)械性能的急劇下降是這些膠粘劑的不利因素之一。有學(xué)者研究得出復(fù)合材料的鋼筋混凝土在溫度超過(guò)50℃后混凝土就會(huì)出現(xiàn)發(fā)裂現(xiàn)象，公路由于暴露于空氣中，有些地區(qū)溫度高，路面溫度達(dá)到50℃比較常見(jiàn)，這時(shí)鋼筋混凝土的壓縮性能就會(huì)受到影響。而且使用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑也容易產(chǎn)生毒煙霧和皮膚刺激的危害。用水泥基膠粘劑代替這種聚合物可以提高高溫區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)的性能，并最大限度地減少環(huán)境危害。大多數(shù)水泥基膠粘劑的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)行了外部粘接的FRP強(qiáng)化。然而，過(guò)早分層是一種嚴(yán)重的失效反應(yīng)，會(huì)降低纖維增加物質(zhì)容量的有效性。由Ahmed Al-Abdwais和Riadh Al-Mahaidi研發(fā)的改性水泥基膠粘劑在常溫下表現(xiàn)出接近表面安裝強(qiáng)化系統(tǒng)的優(yōu)異粘合強(qiáng)度。這種水泥基膠粘劑可以增強(qiáng)高溫下的粘合阻力。在該研究中，評(píng)估了該粘合劑在高溫下的效率。使用單搭接剪切試驗(yàn)裝置進(jìn)行混凝土試樣的拉拔試驗(yàn)，以在高溫下使用改性水泥基粘合劑檢查碳纖維布與混凝土之間的粘合強(qiáng)度。由Ahmed AlAbdwais和Riadh Al-Mahaidi研發(fā)的改性水泥基膠粘劑已經(jīng)實(shí)施。這種水泥基膠粘劑是為內(nèi)嵌式碳纖維混凝土強(qiáng)化而開(kāi)發(fā)的，可作為高溫環(huán)境下環(huán)氧樹(shù)脂的替代品。測(cè)試結(jié)果顯示了在高溫下使用改性水泥基膠粘劑的NSM技術(shù)的效率。文章為了強(qiáng)化路面的各種性能選擇內(nèi)嵌式碳纖維混凝土作為公路的主要材料，研究公路用水泥基膠粘劑的壓縮強(qiáng)度性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1樣本詳細(xì)信息

使用單搭接剪切試驗(yàn)裝置進(jìn)行混凝土試樣拉拔試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)程序。測(cè)試程序使用了14個(gè)混凝土棱柱體。棱柱體的尺寸為75mm×75mm×250mm。在混凝土表面上縱向切割4mm寬18mm深的凹槽。槽深取決于板或梁底面可用的混凝土保護(hù)層，以避免鋼筋。碳纖維布由三個(gè)平行的碳纖維層壓板網(wǎng)構(gòu)成，所述碳纖維層壓板條在橫向方向上與纖維條連接，如圖1所示。網(wǎng)的整個(gè)寬度為14mm，以適應(yīng)18mm的凹槽深度，以在纖維條周圍提供合適的膠粘劑層。每個(gè)矩形碳纖維布層壓條的橫截面尺寸為。材料的機(jī)械性能如表1所示。試驗(yàn)在正常和高溫下分兩個(gè)階段進(jìn)行。每個(gè)階段使用七個(gè)樣品，使用水泥基膠粘劑將每個(gè)膠粘劑長(zhǎng)度為50mm和100mm的三個(gè)樣品與碳纖維布粘合，使用環(huán)氧膠粘劑，其膠粘劑長(zhǎng)度為50mm的一個(gè)樣品。標(biāo)本詳情如表2所示。

常溫下的極限載荷應(yīng)用于高溫試驗(yàn)的工作載荷的計(jì)算。對(duì)于常溫測(cè)試，碳纖維布從棱柱體延伸100mm，并且在高溫測(cè)試中延伸430mm以適應(yīng)高溫測(cè)試設(shè)置。

1.2標(biāo)本準(zhǔn)備

通過(guò)在混凝土表面切割4mm寬18mm深的凹槽，在固化28d后制備常溫試樣。使用空氣壓力從凹槽中除去灰塵。在施加膠粘劑之前用水潤(rùn)濕凹槽，然后使用鋼刀片填充膠粘劑。粘接層在距離混凝土試樣的加載端50mm處開(kāi)始，以避免試樣邊緣處的錐體破壞。將條帶直接插入凹槽的中心，然后將表面弄平。

高溫試樣的制備分三個(gè)階段進(jìn)行。將碳纖維布條從棱鏡上延伸430mm并使用改性的水泥基膠粘劑粘合在棱柱體的凹槽中。7d后，通過(guò)在為此目的而制成的模板中澆注普通水泥基膠粘劑來(lái)覆蓋延長(zhǎng)的纖維，以保護(hù)纖維免于高溫暴露。最后，使用環(huán)氧膠粘劑將纖維與（50+50mm）鋁板粘合。試樣制備如圖2（a）和（b）所示。

1.3測(cè)試設(shè)置和儀器

測(cè)試裝置分兩個(gè)階段進(jìn)行，對(duì)于正常和高溫，常溫測(cè)試的結(jié)果用于計(jì)算在高溫測(cè)試中應(yīng)用的負(fù)載。常溫下的設(shè)置使用單搭接剪切試驗(yàn)裝置進(jìn)行。使用100英斯特朗萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。使用稱重傳感器和引伸計(jì)測(cè)量載荷和伸長(zhǎng)率。光纖與夾具垂直對(duì)齊，以確保純軸向載荷，以防止光纖上出現(xiàn)任何彎矩。

高溫測(cè)試裝置設(shè)計(jì)為使用特殊等級(jí)鋼（253-M）來(lái)適應(yīng)腔室，以抵抗高溫暴露。該裝置的尺寸類似于用于常溫測(cè)試的尺寸。該室安裝在100kN英斯特朗萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上。將纖維從混凝土試樣上延伸340mm。將鋁板夾在爐外，如圖5所示。使用位于粘接線室內(nèi)的兩個(gè)K型熱電偶測(cè)量溫度。室內(nèi)溫度的升高設(shè)定在最高加熱速率（室內(nèi)溫度隨時(shí)間增加）。但是，加熱速率低于標(biāo)準(zhǔn)火焰率曲線。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1常溫下膠粘劑用量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為使用改性水泥基膠粘劑的用量不一樣時(shí)，公路上使用的混凝土的壓縮強(qiáng)度的變化。從圖中可以看處，當(dāng)膠粘劑用量越來(lái)越多后，混凝土的壓縮強(qiáng)度是越來(lái)越大，但是當(dāng)膠粘劑超過(guò)五份后，混凝土的壓縮強(qiáng)度會(huì)下降。所以當(dāng)膠粘劑用量為五份時(shí)，混凝土的壓縮強(qiáng)度時(shí)最大的。

2.2常溫下試樣的試驗(yàn)結(jié)果

常溫下試樣的試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)在表3中。這些結(jié)果被認(rèn)為是計(jì)算在高溫試驗(yàn)中施加在試樣上的使用載荷。

2.2.1TC50標(biāo)本

TC50系列試樣的粘接長(zhǎng)度為50mm，平均極限載荷為11.03kN。該值是三個(gè)試樣的平均極限載荷。三個(gè)試樣的載荷一位移曲線如圖4所示。平均粘接應(yīng)力為9.6MPa。失效模式是纖維和與沿著砂漿表面?zhèn)鞑サ牧芽p相關(guān)的粘合劑之間的界面區(qū)域，如圖5所示。結(jié)果顯示由于殘余機(jī)械摩擦而失效后的軟化。

具有100mm粘合長(zhǎng)度的TC100系列的失效模式是纖維斷裂。纖維實(shí)現(xiàn)了完整的復(fù)合作用。試樣的平均極限載荷為13.6kN如圖6所示。平均粘接應(yīng)力為5.9MPa。纖維破裂的失敗如圖7所示。

2.2.3TE50標(biāo)本

使用環(huán)氧膠粘劑增強(qiáng)50mm膠粘劑長(zhǎng)度的試樣的極限載荷為13.7kN。荷載位移曲線如圖8所示。破壞模式是混凝土的破裂。由于在試樣的加載端產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力導(dǎo)致混凝土過(guò)早破裂，纖維沒(méi)有達(dá)到完全的復(fù)合作用，如圖9所示。

2.3高溫暴露的測(cè)試結(jié)果

用改性水泥基膠粘劑對(duì)TC50和TC100試樣進(jìn)行常溫試驗(yàn)的平均極限載荷分別為11.03kN和13.6kN，含環(huán)氧樹(shù)脂的試樣為13.7kN。這些結(jié)果用于計(jì)算受高溫狀態(tài)下的負(fù)荷，其表示在受高溫狀態(tài)下施加在結(jié)構(gòu)上的實(shí)際負(fù)荷情況。負(fù)荷的計(jì)算根據(jù)AS1170.0進(jìn)行如下：

P^*=ψP_u

其中：P^*為分解負(fù)荷，p_u最終的容量，并且u=0：8。假設(shè)死亡和活荷載彼此相等。

p_*=1.2G+1.5Q

G=Q=3.26kN加熱暴露率如圖10所示。溫度增量隨時(shí)間的變化曲線表示試驗(yàn)過(guò)程中試樣的熱暴露率。試樣的失效溫度如表4所示。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于公路經(jīng)常受到高強(qiáng)度的荷載，而且又暴露于陽(yáng)光下，公路的表面溫度一般會(huì)達(dá)到70℃。公路所使用的的混合鋼筋混凝土材料選擇使用水泥基膠粘劑更能夠適合于公路的基建材料。當(dāng)使用五份的水泥基膠粘劑時(shí)，能讓鋼筋混凝土的壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大化，而且水泥基膠粘劑相比于環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑用于鋼筋混凝土中能有更好的性能，在高溫時(shí)，水泥基膠粘劑能夠保持較好的粘接度，而且水泥基膠粘劑受到高溫后不會(huì)產(chǎn)生有毒的物質(zhì)，所以公路用水泥基膠粘劑能夠有更好的性能。