界面剂处理混凝土表面对粘接FRP界面抗剪强度的影响

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摘要：在混凝土表面涂覆不同的界面剂，然后用环氧树脂粘贴玻璃纤维并成型FRP薄板。测试FRP与混凝土粘接界面的抗剪强度，结果以偶联剂配制的界面剂最佳，但抗剪强度对偶联剂具有选择性。分析偶联剂的增强机理，供体外粘贴混凝土结构加固参考。
 

关键词：混凝土结构加固 粘接 FRP 玻璃纤维 界面剂 偶联剂

一．引言

　　通过体外粘贴薄层材料的方法（以下简称“粘贴法”）加固混凝土结构已有较普遍的工程应用，包括粘钢、碳纤维、玻璃纤维等。其中粘贴玻璃纤维及碳纤维具有较好的可操作性，又以粘贴玻璃纤维造价更低。因此本文仅以玻璃纤维的粘贴为研究对象。

　　粘贴法固然是通过粘贴界面传递应力，使外贴材料与原结构形成整体，有效承载。通常情况下粘贴界面主要是通过剪切方式进行应力传递，因此粘贴加固混凝土结构的的关键问题是粘接界面的抗剪强度。从受弯构件外贴纤维加固的大量文献中可见，构件在极限荷载作用下几乎均为界面受剪破坏。为此本文以如何提高界面的剪切强度为宗旨，用不同的表面处理剂涂覆混凝土表面，研究对粘接界面抗剪强度的影响。

二．实验方法、内容   

（一）．粘接界面抗剪强度的测试方法与

　　装置：

　　实验采用100×100×20 mm的正方形混凝土切片，模拟混凝土表面打磨（去除浮浆）至露出骨料的状态。在两切割面上对称粘贴、成型40mm宽玻璃纤维薄片，粘接面为40×40mm，纤维一端出头作为夹持端，如图1．所示。

　　由于混凝土属脆性材料，且抗拉强度较低。测试夹头直接夹持混凝土切片时，会直接将混凝土拉断，无法测得胶接面抗剪强度。因此，实验采用矩形钢框作为传力构件，外套混凝土试件，荷载通过钢框施加到混凝土试件上，如图2．所示。

　　粘贴界面抗剪强度测试在100KN万能材料实验机上进行。将FRP夹持端及钢外框夹持端分别夹持在实验机上下夹头上，并使FRP薄片、混凝土切片、钢外框沿拉伸方向平行对中，然后进行拉伸剪切，测定极限强度。

（二）．实验材料

　　界面剂选用的试剂及原料均为市售品，配制成的8种界面剂列入表1．。其中5、6、7号为型号不同的偶联剂；9号为不作任何表面处理直接粘贴。

表1．混凝土表面处理剂及配方

编号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

界面剂

草酸

硬脂酸

普通水泥浆

高铝水泥浆

偶联剂A

偶联剂B

偶联剂C

环氧底胶

无

剂量

2％水溶液

2％乙醇溶液

水/灰=1/0.5

水/灰=1/0.5

1％乙醇溶液

1％乙醇溶液

1％乙醇溶液

A/B=10/4

空白

　　所用混凝土按强度等级为C50配制，按标准条件养护28天后，切割为20mm厚片材。

　　玻璃纤维选用型号为E－450的10：1单向无碱布，沿拉伸方向铺贴。

　　环氧树脂采用市售E44，环氧树脂配方为：E44－100； 活性稀释剂－10； 固化剂－20。

三．实验过程及现象

　　将混凝土切割面清洗去灰后，分别用各界面剂涂覆表面；室温（32℃）条件下彻底干燥后，用环氧树脂粘贴玻璃纤维；在30－36℃室温条件下，经7天时间固化；将粘贴面玻璃纤维端头超出40mm部分的毛边切断（参见图4.），然后进行测试。

　　由于受剪面为对称的两个粘贴面，测试过程中达到极限荷载的瞬间，绝大部分试件可观察到混凝土切片的转动，即两个粘贴面并非同时破坏。因此，剪应力应以单面面积计算。同时，先剪坏的面总是较弱的一面，因而实验结果趋于保守。另外，根据试验结果的标准差值的大小可以断定没有发生双面同时剪切破坏现象。

四．实验结果及分析：

（一）．实验结果

　　试件数量为每组3个，测试结果的

　　标准差除3＃、9＃分别为1.4MPa和1.6MPa外，其余在0.11～0.88MPa之间，离散性不大。经各种表面处理剂涂覆的粘接界面的极限抗剪强度测试结果绘制成柱状图如图3．所示。

　　两种典型的破坏断口形貌分别见图4、图5。

（二）．结果分析

　　由图3可见，以空白样9＃为基准，除试件6＃(偶联剂B)高出61％外，其余试件均低于空白样，仅3＃（普通水泥浆）试样接近空白样。从断口形貌来看也只有6＃样出现图4所示混凝土被劈裂的情况，其余试样为界面黏附破坏或以黏附破坏为主，