鋁合金板與混凝土的粘結(jié)性能

楊立軍，鄧志恒，楊海峰，王云洋，江德明

(1.湖南文理學(xué)院 a.洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)與發(fā)展省級(jí)協(xié)同創(chuàng)新中心; b.土木建筑工程學(xué)院, 湖南 常德 415000；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004)

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

用丙酮清理糙化(或不糙化)鋁合金板與混凝土棱柱體連接界面，界面干燥后，在鋁合金板粘貼范圍均勻涂抹按比例配制好的結(jié)構(gòu)膠，膠層厚度3 mm左右，然后，將鋁合金板粘貼在混凝土棱柱體表面，做成鋁合金板和混凝土棱柱體粘結(jié)性能面內(nèi)單剪試驗(yàn)試件，如圖1所示。圖1中，鋁合金板ABCD部分為粘貼區(qū)域，其長度AC用la表示；伸出棱柱體CE部分長150 mm，用于試驗(yàn)機(jī)夾具對(duì)試件沿鋁合金板軸向加載。

圖1 面內(nèi)單剪試驗(yàn)試件Fig.1 The specimen of in-plane simple shear

鋁合金板采用廣西南南鋁業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的6061-T6鋁合金板，板寬ba有45 mm和30 mm兩種尺寸，板厚ta有4 mm和2 mm兩種尺寸；結(jié)構(gòu)膠采用湖南固特邦土木技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JN建筑結(jié)構(gòu)膠；混凝土棱柱體采用南寧華潤西鄉(xiāng)塘混凝土有限公司生產(chǎn)的商品混凝土澆筑，尺寸為100 mm×100 mm×510 mm[16]。

試件有4種界面處理方式，分別用A、B、C和D表示，即：A為混凝土鑿毛，鋁合金板糙化；B為混凝土鑿毛，鋁合金板不糙化；C為混凝土不鑿毛，鋁合金板糙化；D為混凝土不鑿毛，鋁合金板不糙化。

試件分為5組，設(shè)置了一組對(duì)比組(第II組)，分別單獨(dú)變化對(duì)比組的界面處理(第I組)、混凝土強(qiáng)度(第III組)、鋁合金板寬(第IV組)和板厚(第V組)等因素，將其粘結(jié)性能與對(duì)比組對(duì)比，以研究界面處理、混凝土強(qiáng)度、鋁合金板寬度和厚度等因素對(duì)粘結(jié)性能的影響；第II組～第V組中，每組各有僅粘貼長度不同的8個(gè)試件，其粘貼長度分別為25、50、75，……，200 mm，以研究粘貼長度對(duì)鋁合金板和混凝土塊體粘結(jié)性能的影響。面內(nèi)單剪試驗(yàn)試件參數(shù)如表1所示。為了剔除試驗(yàn)的偶然性和離散性影響，所有試件都設(shè)計(jì)了3個(gè)相同試件，故共有5組合計(jì)105個(gè)試件。試驗(yàn)在廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室完成。

表1 面內(nèi)單剪試驗(yàn)試件參數(shù)Table 1 Details of the specimens of in-plane simple shear test

注：No.表示試件編號(hào);MIT(Modes of Interfacial Treatment)表示界面處理方式。

1.2 試驗(yàn)裝置及加載制度

設(shè)計(jì)了一套用于固定試件的裝置，其制作材料為Q235鋼，如圖2所示，采用WAW-600微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行加載，加載裝置如圖3所示。試件安裝示意圖如圖4所示，試驗(yàn)時(shí)將試件放置在該裝置上、下兩塊水平鋼板之間，鋁合金板CD緊貼上面水平鋼板空洞左側(cè)板壁伸出，旋緊4根豎向螺桿上的螺栓，壓緊混凝土棱住體。然后，將試件固定裝置放置于試驗(yàn)機(jī)上、下夾具之間，利用試驗(yàn)機(jī)下夾具錨固試件固定裝置的豎向鋼板，上夾具夾緊鋁合金板CE部分。由于試驗(yàn)機(jī)上、下夾具中心、豎向鋼板和鋁合金板位于同一豎向面上，保證了鋁合金板軸心受拉，試件承受面內(nèi)剪力。

利用上夾具對(duì)鋁合金板施加軸心拉力，加載制度采用位移控制，加載速率0.2 mm/min，單調(diào)加載，當(dāng)試件發(fā)生剝離破壞時(shí)停止加載。

圖2 試件固定裝置Fig.2 The fixture device

圖3 加載裝置Fig.3 The loading

圖4 試件安裝示意圖

圖5 應(yīng)變片布置Fig.5 The layout of strain

1.3 材料力學(xué)性能

根據(jù)廠商提供的報(bào)告，結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能如表2所示。表2中：fpt為抗拉強(qiáng)度；fpm為抗彎強(qiáng)度；fpc為抗壓強(qiáng)度；Ep為彈性模量；εpu為伸長率。

表2 結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of structural adhesive

將混凝土棱柱體和混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2016)采用華龍混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為：fcu=26.8 MPa(C20)，fcu=41.3 MPa(C35)。

依據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)中的試驗(yàn)方法，對(duì)試驗(yàn)用鋁合金板采用MTS 809 Axial/Torsional Test System進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。鋁合金板矩形拉伸試樣如圖6所示，力學(xué)性能指標(biāo)如表3所示。表3中：Ea為鋁合金在原點(diǎn)處的彈性模量；f0.1和f0.2分別為殘余應(yīng)變?yōu)?.1%和0.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；fau為鋁合金的極限強(qiáng)度；εau為極限應(yīng)變；n為表征鋁合金材料本構(gòu)關(guān)系的一個(gè)參數(shù)(如式(3)所示)。

圖6 鋁合金板矩形拉伸試樣Fig. 6 The rectangular tensile specimens of aluminum alloy

試件編號(hào)Ea/MPaf0.1/MPaf0.2/MPafau/MPaf0.2/f0.1εau/μεn6061-171 941.3245.8265.3314.771.079101 0000.9.126061-266 756.4258.6275.0314.581.063105 00011.356061-368 301.1250.7271.5313.771.083104 7530.8.69平均值68 999.6251.7270.6314.371.075103 5840.9.72

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 剝離破壞形式

試件破壞前，鋁合金板與混凝土塊體沒有明顯的相對(duì)變形，聽到二者剝離的劈啪聲音后，相對(duì)變形驟然增大，隨即鋁合金板和混凝土塊體剝離，試件發(fā)生剝離破壞。共有兩種剝離破壞形式，分別為：

2)混凝土層剝離破壞：界面處理為A的構(gòu)件發(fā)生的破壞形式，破壞時(shí)粘貼在鋁合金板上的結(jié)構(gòu)膠將混凝土界面表層5 mm之內(nèi)的混凝土撕脫，殘留在鋁合金板上，破壞界面凹凸不平，屬于混凝土受拉破壞，如圖7(c)所示?；炷翆觿冸x破壞是《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50367—2013)推薦的破壞形式，驗(yàn)證了鋁合金板用于混凝土結(jié)構(gòu)加固的適用性。

圖7 剝離破壞形式Fig.7 The debonding failure

2.2 粘結(jié)荷載位移曲線

面內(nèi)單剪試驗(yàn)測(cè)得的5組共105個(gè)試件的極限粘結(jié)荷載如表4所示。從表中可以看出，雖然3個(gè)試件的極限粘結(jié)荷載有所差別，但差別不是很大。試件極限粘結(jié)荷載與其平圴值相差最大的是I-3的第1個(gè)試件，為10%，其他試件的誤差介于-9.14%～8.84%之間。

表4 極限粘結(jié)荷載試驗(yàn)結(jié)果

Table 4 The experimental results of ultimate bond loads kN

No.123FaNo.123FaNo.123FaI-16.405.816.086.10III-25.074.844.944.95IV-69.288.398.798.82I-26.817.096.966.95III-36.996.396.676.68IV-79.319.439.379.37I-36.385.275.745.80III-18.509.058.788.78IV-89.319.529.429.42II-13.443.583.513.51III-59.618.859.229.23V-12.592.962.752.77II-26.305.485.845.87III-610.3110.3410.3310.33V-24.534.964.734.74II-38.577.407.937.97III-710.6010.6610.6310.63V-35.836.005.925.92II-110.279.8110.0310.04III-810.6111.4911.0211.04V-46.507.466.926.96II-511.3813.2212.1912.26IV-12.682.532.602.60V-56.596.666.636.63II-611.9111.9911.9411.95IV-24.914.384.624.64V-66.596.736.666.66II-711.9512.1212.0412.04IV-36.686.036.336.35V-76.596.606.586.59II-811.9512.2612.1112.11IV-48.006.757.307.35V-86.596.606.586.59III-12.742.782.752.76IV-58.869.219.049.04

注：1、2和3分別為同一編號(hào)的3個(gè)試件極限粘結(jié)荷載；Fa為同一編號(hào)試件極限粘結(jié)荷載平均值。

圖8 試件粘結(jié)荷載位移曲線Fig.8 The bond load-displacement curves of

從圖8和表4可以看出：

1) 隨著荷載的增大，由于損傷的積累，曲線斜率逐漸變小；試件從加載到破壞過程中，基本沒有塑性變形，破壞時(shí)板端位移很小，小于1 mm。

2) 隨著粘貼長度的變大，極限粘結(jié)荷載變大。但粘貼長度增大到某一值時(shí)，極限粘結(jié)荷載不再增加。說明鋁合金板和混凝土的粘貼存在一個(gè)有效粘貼長度，當(dāng)超過有效粘貼長度后，增加粘貼長度不會(huì)再增加試件的極限粘結(jié)荷載。

2.3 剪應(yīng)力分布曲線

從圖1(b)中取出長度為dx的鋁合金板元，如圖9所示。設(shè)鋁合金板厚度為ta，寬度為ba，正應(yīng)力為σa，正應(yīng)變?yōu)棣臿，粘結(jié)剪應(yīng)力為τ，沿x向建立平衡方程，有

bata(σa+dσa)=bataσa-τbadx

(1)

圖9 試件受力分析圖Fig.9 The stress analysis of the

由式(1)可得

(2)

鋁合金材料的本構(gòu)關(guān)系為[17]

(3)

將應(yīng)變片測(cè)得的該點(diǎn)鋁合金板應(yīng)變?chǔ)臿, i代入式(3)，求得相應(yīng)的σa, i，繼而由式(2)求得各點(diǎn)的粘結(jié)剪應(yīng)力為

(4)

式(4)中，Δi, i+1是第i個(gè)和第i+1個(gè)應(yīng)變片的間距，i從1開始取值，最大值為9，在la=200 mm時(shí)取得。應(yīng)該指出，式(4)求得的是相鄰應(yīng)變片間的平均界面剪應(yīng)力，忽略了鋁合金板厚度的影響，其精度與應(yīng)變片間距、鋁合金板厚度相關(guān)。圖10給出了部分試件界面剪應(yīng)力τ沿粘貼長度的分布曲線，圖中，x是指與加載端(圖1中CD)的距離，剪應(yīng)力τ為同一編號(hào)的3個(gè)試件平均值。從圖10可知：

1) 界面剪應(yīng)力呈現(xiàn)中間大，兩端小的倒“U”形分布，加載端CD界面剪應(yīng)力為零(此處鋁合金板正應(yīng)力最大)，最大剪應(yīng)力在臨近加載端一側(cè)出現(xiàn)。當(dāng)荷載較小時(shí)，出現(xiàn)位置在25 mm處左右。隨著粘結(jié)荷載Fa的變大，由于混凝土表面細(xì)微裂縫的出現(xiàn)，初始損傷的積累，應(yīng)力發(fā)生重分布，最大剪應(yīng)力向自由端AB略有移動(dòng)，其出現(xiàn)位置距離加載端最大不超過75 mm。

圖10 試件剪應(yīng)力分布曲線Fig.10 The shear stresses distribution curves of

2) 隨著粘結(jié)荷載Fa變大，參與受剪的結(jié)構(gòu)膠長度變大，當(dāng)荷載大于極限粘結(jié)荷載Fau的60%左右時(shí)，參與受剪的結(jié)構(gòu)膠長度不再隨粘結(jié)荷載Fa的增大而增大，而是保持為一定值；由于結(jié)構(gòu)膠的粘貼長度la大于有效粘貼長度le，所以，自由端一側(cè)有效粘貼長度le之外的界面剪應(yīng)力τ等于零，有效粘貼長度和實(shí)際粘貼長度無關(guān)。

分析圖10，可得到相關(guān)因素對(duì)剪應(yīng)力分布的影響。

1)界面處理的影響。試件I-1、試件I-2和試件II-8的不同點(diǎn)在于界面處理不同(由于粘貼長度都大于有效粘貼長度，粘貼長度的不同不會(huì)對(duì)試件受力性能造成影響)。從圖10(a)～(c)可以看出，試件I-2的最大剪應(yīng)力略大于試件I-1，說明光滑的鋁合金板表面對(duì)粘結(jié)性能影響較混凝土大。試件I-1和I-2的最大剪應(yīng)力小于1.3 MPa，距離加載端100 mm處剪應(yīng)力等于零；試件II-8的最大剪應(yīng)力為2.4 MPa左右，距離加載端175 mm處剪應(yīng)力等于零；試件I-1、I-2的有效粘貼長度和最大剪應(yīng)力都小于試件II-8。界面最大剪應(yīng)力與混凝土和鋁合金板材料表面的粗糙程度有關(guān)。材料表面越粗糙，與膠層的膠結(jié)作用、摩擦力和機(jī)械咬合作用越大，其最大剪應(yīng)力隨之變大。光滑的界面使得連接能承擔(dān)的最大剪應(yīng)力大幅變小，影響了膠層的應(yīng)力重分布，其荷載傳遞能力相應(yīng)變?nèi)?，有效粘貼長度相應(yīng)變小?？梢?，粘貼鋁合金板前必須對(duì)界面進(jìn)行粗糙處理，以增加連接承載力。

2)混凝土強(qiáng)度的影響。試件II-8和試件III-8僅混凝土強(qiáng)度不同。從圖10(c)～ (d)可以看出，相對(duì)于試件III-8(C25混凝土)，試件II-8(C30混凝土)的最大剪應(yīng)力變大，有效粘貼長度變小。試驗(yàn)中，界面處理方式為A的試件均發(fā)生了混凝土層剝離破壞，在加載初期，加載端結(jié)構(gòu)膠下幾毫米厚的混凝土內(nèi)出現(xiàn)一條與界面平行的裂縫，隨著粘結(jié)荷載的變大，自加載端向自由端發(fā)展，荷載增至極限粘結(jié)荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)膠連同表面混凝土被鋁合金板從混凝土塊體上剝離下來。因此，最大剪應(yīng)力的大小與混凝土受拉強(qiáng)度密切相關(guān)?；炷潦芾瓘?qiáng)度越大，能承受的最大剪應(yīng)力隨之變大。試件III-8的有效粘貼長度較大，說明只要對(duì)界面進(jìn)行粗糙處理，就能保證結(jié)構(gòu)膠荷載傳遞和應(yīng)力重分布。

3)鋁合金板寬度的影響。試件II-8和試件IV-8僅鋁合金板寬度不同。從圖10(c)、(e)可以看出，相對(duì)于試件IV-8(ba=30 mm)，試件II-8(ba=45 mm)的最大剪應(yīng)力變小，有效粘貼長度不變。鋁合金板寬度對(duì)連接承載力的影響體現(xiàn)在周圍混凝土對(duì)連接的約束上，鋁合金板寬度越小，單位鋁合金板受外圍混凝土的約束越大，相應(yīng)的粘結(jié)荷載越大。

4)鋁合金板厚度的影響。試件II-8和試件V-8僅鋁合金板厚度不同。從圖10(c)、(f)可以看出，相對(duì)于試件V-8(ta=2 mm)，試件II-8(ta=4 mm)的最大剪應(yīng)力變小，有效粘貼長度差別在圖上沒有體現(xiàn)出來(因?yàn)閼?yīng)變片間距25 mm，小于25 mm的差別有可能得不到體現(xiàn))。

2.4 粘結(jié)滑移曲線

第i個(gè)應(yīng)變片處的滑移si為

(5)

s1等于加載端位移，由加載端位移計(jì)測(cè)得。這樣，由式(4)和式(5)就可以得到各試件不同位置的粘結(jié)滑移曲線。剪應(yīng)力τi和滑移si分別取同一編號(hào)的3個(gè)試件平均值，得到各試件的粘結(jié)滑移曲線，如圖11所示，圖例中的25、50 mm等指的是與加載端CD的距離。

圖11 粘結(jié)滑移曲線Fig.11 The bonding-slip relationship

從圖11可以看出，粘結(jié)滑移曲線具有如下特點(diǎn)：

1) 粘結(jié)滑移曲線具有上升段和下降段，曲線上升段中滑移很小，大部分滑移是在下降段完成的。在下降段隨著滑移的增大，曲線向水平軸逼近。

2) 剪應(yīng)力向極限剪應(yīng)力爬坡接近時(shí)，曲線割線斜率變小，曲線的原點(diǎn)切線斜率最大，頂點(diǎn)割線斜率最小。這是因?yàn)?，原點(diǎn)時(shí)試件處于彈性階段，剪應(yīng)力向極限剪應(yīng)力趨近的過程是混凝土裂縫出現(xiàn)和發(fā)展的過程，是由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，是損傷不斷累積的過程，相應(yīng)也是界面剛度減小的過程。

3) 試件I-1和試件I-2是界面剝離破壞，除了具有最大剪應(yīng)力和極限位移小于混凝土層剝離破壞的試件特點(diǎn)外，其粘結(jié)滑移曲線也具有不一樣的特征，在下降段由于界面發(fā)生滑移，其剪應(yīng)力突然下掉至零，更具有突然性。

4) 粘結(jié)滑移曲線與橫坐標(biāo)所圍的面積表征了連接的界面斷裂能，界面斷裂能越大，連接的承載性能越好。從界面斷裂能的角度，也可以得出相同的結(jié)論，從圖11可以看出，試件I-1的界面斷裂能最小，試件IV-8的界面斷裂能最大。

3 結(jié)論

鋁合金板與混凝土的粘結(jié)性能是影響加固效果的一個(gè)重要因素。為此，自行設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)固定裝置，對(duì)5組共105個(gè)鋁合金板與混凝土棱柱體連接體試件進(jìn)行了面內(nèi)單剪試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1) 試件存在兩種破壞形式：界面剝離破壞和混凝土層剝離破壞。

2) 界面處理對(duì)粘結(jié)性能有著重要的影響，當(dāng)混凝土不鑿毛，或鋁合金板不糙化時(shí)，發(fā)生了界面剝離破壞，其粘結(jié)性能較差，必須對(duì)界面進(jìn)行鑿毛或糙化處理。

3) 界面剪應(yīng)力呈現(xiàn)中間大，兩端小的倒“U”形分布，加載端界面剪應(yīng)力為零，最大剪應(yīng)力在臨近加載端25 mm左右出現(xiàn)。隨著粘結(jié)荷載的變大，最大剪應(yīng)力向自由端略有移動(dòng)，其出現(xiàn)位置距離加載端最大不超過75 mm。

4) 隨著混凝土強(qiáng)度的提高、鋁合金板寬度和厚度的變小，粘結(jié)性能提高。

5) 試驗(yàn)中，試件剪應(yīng)力不為零，距離加載端長度不大于175 mm，說明存在一個(gè)有效粘貼長度。當(dāng)粘貼長度大于有效粘貼長度后，增大粘貼長度并不能提高連接的極限荷載。