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        鋁合金板與混凝土的粘結(jié)性能

        2019-06-21 07:47:50楊立軍鄧志恒楊海峰王云洋江德明
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)膠剪應(yīng)力粘貼

        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 試驗方案

        1.1 試驗設(shè)計

        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,用于試驗機(jī)夾具對試件沿鋁合金板軸向加載。

        圖1 面內(nèi)單剪試驗試件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)置了一組對比組(第II組),分別單獨變化對比組的界面處理(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)性能與對比組對比,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個試件,其粘貼長度分別為25、50、75,……,200 mm,以研究粘貼長度對鋁合金板和混凝土塊體粘結(jié)性能的影響。面內(nèi)單剪試驗試件參數(shù)如表1所示。為了剔除試驗的偶然性和離散性影響,所有試件都設(shè)計了3個相同試件,故共有5組合計105個試件。試驗在廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院實驗室完成。

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

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

        1.2 試驗裝置及加載制度

        設(shè)計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機(jī)對試件進(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,試驗時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機(jī)上、下夾具之間,利用試驗機(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)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2016)采用華龍混凝土壓力試驗機(jī)對混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行抗壓試驗,試驗結(jié)果為:fcu=26.8 MPa(C20),fcu=41.3 MPa(C35)。

        依據(jù)《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)中的試驗方法,對試驗用鋁合金板采用MTS 809 Axial/Torsional Test System進(jìn)行拉伸試驗。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%時所對應(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變形,聽到二者剝離的劈啪聲音后,相對變形驟然增大,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。混凝土層剝離破壞是《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB 50367—2013)推薦的破壞形式,驗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)單剪試驗測得的5組共105個試件的極限粘結(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分別為同一編號的3個試件極限粘結(jié)荷載;Fa為同一編號試件極限粘結(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??;試件從加載到破壞過程中,基本沒有塑性變形,破壞時板端位移很小,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,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)變片測得的該點鋁合金板應(yīng)變εa, i代入式(3),求得相應(yīng)的σa, i,繼而由式(2)求得各點的粘結(jié)剪應(yīng)力為

        (4)

        式(4)中,Δi, i+1是第i個和第i+1個應(yīng)變片的間距,i從1開始取值,最大值為9,在la=200 mm時取得。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為同一編號的3個試件平均值。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,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,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,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,有效粘貼長度和實際粘貼長度無關(guān)。

        分析圖10,可得到相關(guān)因素對剪應(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對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??梢姡迟N鋁合金板前必須對界面進(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,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。鋁合金板寬度對連接承載力的影響體現(xiàn)在周圍混凝土對連接的約束上,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(因為應(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,由加載端位移計測得。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分別取同一編號的3個試件平均值,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:

        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,曲線割線斜率變小,曲線的原點切線斜率最大,頂點割線斜率最小。這是因為,原點時試件處于彈性階段,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重要因素。為此,自行設(shè)計了一套試驗固定裝置,對5組共105個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,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,發(fā)生了界面剝離破壞,其粘結(jié)性能較差,必須對界面進(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,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。

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