朱 晶 鄭文忠

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱150090)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于土木工程加固領(lǐng)域［1-2］.粘貼FRP布加固混凝土結(jié)構(gòu)主要使用FRP布和黏結(jié)用膠2種材料，其中碳纖維(CFRP)在絕氧條件下，1 000℃以?xún)?nèi)物理力學(xué)性能不衰減［3］;當(dāng)前使用的加固配套膠黏劑多為環(huán)氧類(lèi)有機(jī)膠，其熱穩(wěn)定性和長(zhǎng)期化學(xué)穩(wěn)定性較差，尤其是其最高使用溫度僅為82℃［4］，很難滿足工程抗火需要.因此，研制一種耐高溫結(jié)構(gòu)膠替代低軟化點(diǎn)的環(huán)氧類(lèi)有機(jī)膠，將有利于FRP加固技術(shù)的進(jìn)一步推廣.

本課題組初步研制了一種耐高溫?zé)o機(jī)膠——堿礦渣膠凝材料，該材料由堿激發(fā)劑、?；郀t礦渣和水等原料制成，具有早強(qiáng)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐高溫、隔熱性好、生產(chǎn)能耗低等優(yōu)點(diǎn)，是一種低成本、高性能的綠色建材［5］.本文介紹了堿礦渣膠凝材料的優(yōu)選組分，進(jìn)行了堿礦渣膠凝材料作膠黏劑的面內(nèi)剪切試驗(yàn)，通過(guò)與有機(jī)膠對(duì)比表明，用堿礦渣膠凝材料粘貼CFRP布加固混凝土結(jié)構(gòu)可行.

1 堿礦渣膠凝材料的組分優(yōu)選

1.1 原材料

1)礦渣.采用遼源市金剛水泥有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)粒化高爐礦渣，比表面積為475 m2/kg，化學(xué)成分見(jiàn)表1.

表1 礦渣化學(xué)成分 %

2)水玻璃.采用天津市惠達(dá)成化工廠生產(chǎn)的鉀水玻璃，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2.

表2 水玻璃主要技術(shù)指標(biāo)

3)氫氧化鈉.采用哈爾濱理工化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的氫氧化鈉(分析純)，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于96.0%.

1.2 組分優(yōu)選

浸漬/黏結(jié)用膠黏劑抗壓強(qiáng)度不應(yīng)小于70 MPa［6］;同時(shí)，為保證黏結(jié)界面的安全可靠，膠黏劑的力學(xué)性能應(yīng)優(yōu)于混凝土基材.因此，本文采用全自動(dòng)抗折抗壓試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了常溫下堿礦渣膠凝材料的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)堿礦渣膠凝材料的各組分進(jìn)行優(yōu)選.

研究表明［7-8］，在摻量相同時(shí)，Ms=2.0 的水玻璃的激活效果最好，P.O42.5水泥的激活效果最差，NaOH介于兩者之間.這一方面是因?yàn)槟z凝材料的水化過(guò)程必須在一定的強(qiáng)堿環(huán)境下完成，相同摻量的Ms=2.0的水玻璃和NaOH提供的堿性比P.O42.5水泥強(qiáng)得多;另一方面，水玻璃的水解產(chǎn)物Si(OH)4呈膠體狀態(tài)存在，膠體有吸附相同組分的性能.在水化過(guò)程中，Si(OH)4不僅吸附液相中硅氧陰離子團(tuán)和堿金屬離子，導(dǎo)致液相中簡(jiǎn)單聚體的縮聚，促使水化產(chǎn)物的形成，而且有助于消除礦渣周?chē)柩蹶庪x子團(tuán)過(guò)飽和現(xiàn)象，促進(jìn)礦渣的解聚過(guò)程.故 Ms=2.0的水玻璃激發(fā)效果優(yōu)于NaOH，3種堿激發(fā)劑激活能力依次為:Ms=2.0的水玻璃 ＞NaOH ＞P.O42.5水泥.因此，本文選用鉀水玻璃作堿激發(fā)劑，每次礦渣用量均取800 g，水玻璃用量和水用量皆以占礦渣質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)量.堿礦渣膠凝材料采用40 mm×40 mm×160 mm的膠件［9］，每組3個(gè)膠件成型后，放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室固化24 h后脫模，并繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)27 d后，測(cè)試其常溫下的抗壓強(qiáng)度.

1)本文取水玻璃模數(shù) Ms為 0.8 ～2.4，可通過(guò)加適量的NaOH調(diào)整水玻璃模數(shù)(如取水玻璃模數(shù)為 Ms=1.0，即 Ms=wSiO2/w(K2O+Na2O)=1.0).如圖1所示，膠塊的抗壓強(qiáng)度隨水玻璃模數(shù)的增加而逐漸降低.又由試驗(yàn)現(xiàn)象可知，當(dāng)水玻璃模數(shù)為0.8時(shí)，水玻璃變得黏稠，幾乎喪失流動(dòng)性，靜置一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)少量結(jié)晶體沉淀;而當(dāng)水玻璃模數(shù)增加為1.0時(shí)，水玻璃的流動(dòng)性相對(duì)較好，沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)晶體沉淀，膠件的抗壓強(qiáng)度可達(dá)80.88 MPa.故本文選用水玻璃模數(shù)為1.0.

圖1 水玻璃模數(shù)對(duì)膠件抗壓強(qiáng)度的影響

2)取水玻璃模數(shù)為1.0，水玻璃用量為8% ～22%.由圖2和表3可知，堿礦渣膠凝材料的抗壓強(qiáng)度隨水玻璃用量的增加經(jīng)歷一個(gè)先增加后降低的過(guò)程，水玻璃用量存在一個(gè)最佳區(qū)間.水化過(guò)程中［10］，當(dāng)水玻璃用量偏少時(shí)，反應(yīng)不能進(jìn)行徹底，礦渣的潛在活性未能被完全激發(fā).用量過(guò)多時(shí)會(huì)對(duì)膠凝材料強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響，這是因?yàn)檫^(guò)量的堿與空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鹽，導(dǎo)致膠凝材料強(qiáng)度降低;此外，當(dāng)OH－離子的濃度過(guò)高時(shí)，在礦渣顆粒表面快速反應(yīng)產(chǎn)生的水化物形成一層保護(hù)膜，阻止了反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，導(dǎo)致后期強(qiáng)度發(fā)展緩慢.故本文選取水玻璃用量為12%.

圖2 水玻璃用量對(duì)膠件抗壓強(qiáng)度的影響

表3 水玻璃用量的影響 MPa

3)取水用量為35%，42%和45%(包含水玻璃中的水).由圖3可知，當(dāng)水用量為35%時(shí)，膠塊的抗壓強(qiáng)度可達(dá)90.16 MPa，但由試驗(yàn)現(xiàn)象及新拌膠的擴(kuò)展流動(dòng)度(見(jiàn)表4)可知，此時(shí)膠液比較黏稠，初凝時(shí)間僅為30 min，不能滿足施工時(shí)間要求;當(dāng)水用量為42%時(shí)，膠塊的抗壓強(qiáng)度可達(dá)80.88 MPa，膠液黏度適中，初凝時(shí)間為45 min，終凝時(shí)間為80 min，可充分浸潤(rùn)并杵搗FRP布以完成粘貼;當(dāng)水用量為45%時(shí)，膠液黏聚性變差，膠塊抗壓強(qiáng)度也變小.故本文選取水用量為42%.

圖3 水用量對(duì)膠件抗壓強(qiáng)度的影響

表4 新拌膠的擴(kuò)展流動(dòng)度

2 基于雙剪試驗(yàn)的黏結(jié)效果比較

2.1 試驗(yàn)概況

用堿礦渣膠凝材料粘貼FRP布加固混凝土結(jié)構(gòu)，除堿礦渣膠凝材料的組分對(duì)加固效果具有顯著影響之外，F(xiàn)RP布的抗拉強(qiáng)度和浸潤(rùn)性能也是關(guān)鍵因素.因此，本文選用日本東麗公司生產(chǎn)的UT70-20和UT70-30型CFRP布，以及浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的BUF13-380型玄武巖纖維(BFRP)布進(jìn)行雙剪試驗(yàn)分析，3種FRP布基本性能見(jiàn)表5.

表5 3種FRP布的基本性能

選用堿礦渣膠凝材料的優(yōu)選組分配膠，并在混凝土表面粘貼一層FRP布，粘貼面積為70 mm×100 mm(見(jiàn)圖4).采用的混凝土試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，實(shí)測(cè)28 d混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體150 mm×150 mm×150 mm的抗壓強(qiáng)度值為31.55 MPa.

圖4 雙剪試驗(yàn)裝置圖(單位:mm)

2.2 試驗(yàn)流程

采用同一配比的堿礦渣膠凝材料實(shí)現(xiàn)底涂、找平和浸漬［11］，試驗(yàn)流程如下:

1)將混凝土表面打磨平整，清除混凝土表面的疏松層，露出混凝土結(jié)構(gòu)新面，用丙酮擦除表層浮塵、油污等雜質(zhì)，并保持混凝土表面濕潤(rùn)，使其與無(wú)機(jī)膠有較好的黏結(jié)強(qiáng)度.

2)按需要剪裁FRP布，并用優(yōu)選組分配制無(wú)機(jī)膠;隨后將無(wú)機(jī)膠液倒入槽型容器中浸潤(rùn)FRP布，并用平滑寬大的滾筒沿單向杵搗FRP布15 min.

3)在混凝土表面刷涂2 mm厚底膠，將FRP布受杵搗的一面朝下粘貼在混凝土表面;并用塑料刮板擠出氣泡，刷涂2 mm厚面膠.

4)將試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室固化至預(yù)定齡期后，進(jìn)行雙剪試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4.

2.3 3種FRP布的剪切效果比較

當(dāng)采用堿礦渣膠凝材料作膠黏劑時(shí)，F(xiàn)RP布-混凝土界面的受剪剝離破壞主要有以下4種形式:

1)界面下混凝土被撕脫導(dǎo)致的剝離破壞，有大面積混凝土被撕脫.

2)膠層和混凝土之間發(fā)生撕脫導(dǎo)致的剝離破壞，膠黏劑完全黏在FRP布上.3)膠層內(nèi)部發(fā)生面內(nèi)滑脫導(dǎo)致的剝離破壞.4)FRP布與膠層之間發(fā)生面內(nèi)滑脫導(dǎo)致的剝離破壞.

在上述4種破壞形式中，若膠層對(duì)纖維很好地浸潤(rùn)，膠層的抗拉強(qiáng)度又遠(yuǎn)高于混凝土，則后3種破壞形式在施工可靠的情況下一般不會(huì)出現(xiàn)，也是FRP布加固混凝土結(jié)構(gòu)所不容許出現(xiàn)的破壞形式［12-13］.因此，理想的界面破壞是膠層下混凝土被撕下一層，即破壞形式1，剝離破壞示意圖如圖5所示.其中，ta表示底面膠層的厚度，取值范圍是0≤ta≤2 mm;tf表示單層FRP布的計(jì)算厚度，取值范圍為0≤tf≤0.2 mm;bc表示混凝土試塊的寬度，bf表示粘貼單層FRP布的寬度，取值范圍是0≤bf≤bc;La表示FRP布的黏結(jié)長(zhǎng)度.

本文采用堿礦渣膠凝材料粘貼3種FRP布，在不同齡期的面內(nèi)剪切強(qiáng)度見(jiàn)表6，剝離情況見(jiàn)圖6.

圖5 剝離破壞示意圖

圖6 3種FRP布剝離情況比較

對(duì)比分析可知，0.111 mm厚的CFRP布相對(duì)較薄，當(dāng)承受拉力時(shí)CFRP布極易同時(shí)剝離和拉斷;0.167 mm厚的CFRP布薄厚適中，經(jīng)堿礦渣膠凝材料浸潤(rùn)并杵搗后成板狀整體剝離;0.180 mm厚的BFRP布相對(duì)密實(shí)，浸潤(rùn)性較差，進(jìn)行雙剪試驗(yàn)后，混凝土試塊上還零星黏有結(jié)構(gòu)膠，其面內(nèi)剪切強(qiáng)度也較小.因此，堿礦渣膠凝材料用于粘貼0.111和0.167 mm厚的CFRP布效果良好.

2.4 堿礦渣膠凝材料與有機(jī)膠的剪切效果比較

本文選用的有機(jī)膠，是由中國(guó)建筑科學(xué)研究院建研建材有限公司生產(chǎn)的昆侖牌MS系列碳纖維配套樹(shù)脂膠.選取堿礦渣膠凝材料和有機(jī)膠作膠黏劑，進(jìn)行雙剪試驗(yàn)對(duì)比，試件尺寸和制作過(guò)程與2.1節(jié)相同，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，28 d剝離情況見(jiàn)圖7.

對(duì)比分析可知，堿礦渣膠凝材料的面內(nèi)剪切強(qiáng)度可達(dá)1.34 MPa，與有機(jī)膠相當(dāng);界面破壞均為膠層下混凝土被撕下一層，呈現(xiàn)理想的剝離破壞模式.試驗(yàn)結(jié)果表明，堿礦渣膠凝材料可用于CFRP布加固.

表6 3種FRP布的面內(nèi)剪切強(qiáng)度比較

表7 2種結(jié)構(gòu)膠的面內(nèi)剪切強(qiáng)度比較

圖7 2種結(jié)構(gòu)膠的剝離情況比較

3 確定CFRP布的有效黏結(jié)長(zhǎng)度

CFRP布的有效黏結(jié)長(zhǎng)度，即指剪應(yīng)力的分布沿黏結(jié)長(zhǎng)度方向從加載端往自由端逐漸減小，直至剪應(yīng)力等于零時(shí)的長(zhǎng)度稱(chēng)為“有效黏結(jié)長(zhǎng)度”.超過(guò)有效黏結(jié)長(zhǎng)度的部分不再承擔(dān)荷載.

3.1 試驗(yàn)方案

選用UT70-20和UT70-30型CFRP布，在混凝土表面粘貼一層CFRP布，粘貼寬度取為70 mm.混凝土棱柱體尺寸為160 mm×160 mm×1 000 mm，材料性能指標(biāo)與2.1節(jié)相同，應(yīng)變量測(cè)與加載裝置如圖8所示.為實(shí)現(xiàn)工程加固的實(shí)際效果，在混凝土棱柱體中對(duì)稱(chēng)配置的受力鋼筋和雙肢φ6@150的箍筋，鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表8.

圖8 應(yīng)變量測(cè)與加載裝置圖

表8 鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)

為確定CFRP布的有效黏結(jié)長(zhǎng)度，需不斷改變CFRP布的粘貼長(zhǎng)度，并量測(cè)試件上CFRP布的應(yīng)變發(fā)展.應(yīng)變片分布情況為:從距離CFRP布加載端5 mm開(kāi)始，每隔10 mm粘貼一個(gè)電阻應(yīng)變片，最后3個(gè)電阻應(yīng)變片間距均為15 mm(見(jiàn)圖8(a)).

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)得到的黏結(jié)破壞形式主要分為2類(lèi):

1)錨固破壞 破壞的結(jié)果是混凝土界面被撕脫使CFRP布剝離.破壞前，首先在混凝土端部出現(xiàn)裂縫，伴隨著“噼啪”的脆響可以看到CFRP布沿縱向突然崩裂，崩裂位置多數(shù)是在試件的中間部位縱向發(fā)生;隨后成條的CFRP布脫離混凝土表面，混凝土被撕下一層，以致錨固失效.該破壞是在黏結(jié)長(zhǎng)度不足時(shí)發(fā)生的，破壞帶有突然性.CFRP布的錨固破壞形式如圖9所示.

2)CFRP布被拉斷 此種破壞是當(dāng)加載至破壞荷載的80% 左右時(shí)，聽(tīng)到明顯的響聲，聲響最初是由膠與混凝土表面發(fā)生一定程度的剝離引起的，這表明CFRP布受力較均勻，后期是由CFRP布單絲斷裂發(fā)出的.被拉斷的斷面形狀呈鋸齒狀，斷面位置是在粘貼范圍以外的CFRP布處.此種破壞說(shuō)明黏結(jié)長(zhǎng)度滿足要求，達(dá)到了CFRP布的有效黏結(jié)長(zhǎng)度.CFRP布被拉斷形式如圖10所示.

圖9 錨固破壞形式

圖10 CFRP布被拉斷形式

由表9和圖11可知，外貼CFRP布與混凝土黏結(jié)界面的黏結(jié)強(qiáng)度不會(huì)隨著黏結(jié)長(zhǎng)度La的增加而持續(xù)提高，而且不論黏結(jié)長(zhǎng)度有多長(zhǎng)，CFRP布都可能達(dá)不到其極限抗拉強(qiáng)度.圖11中，P為荷載，Pu為破壞荷載，s為加載端滑移量.由圖可見(jiàn)，在加載初期，只有加載端附近的CFRP布承受荷載，隨著荷載的增大，參與受力的CFRP布長(zhǎng)度增加.當(dāng)參與受力的CFRP布長(zhǎng)度達(dá)到有效黏結(jié)長(zhǎng)度后，荷載不再增加，CFRP布在自由端承受的拉應(yīng)變等于零.因此，可知試件T-10和T-20的有效黏結(jié)長(zhǎng)度分別達(dá)到160和220 mm.

表9 CFRP布的有效黏結(jié)長(zhǎng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖11 典型試件的CFRP布應(yīng)變發(fā)展

4 結(jié)論

1)得到堿礦渣膠凝材料作膠黏劑的優(yōu)選組分為:水玻璃模數(shù)Ms=1.0，水玻璃用量和水用量分別為礦渣粉質(zhì)量的12%和42%.

2)0.111 mm厚的CFRP布相對(duì)較薄，當(dāng)承受拉力時(shí)CFRP布極易同時(shí)剝離和拉斷;0.167 mm厚的CFRP布厚薄適中，經(jīng)堿礦渣膠凝材料浸潤(rùn)并杵搗后成板狀整體剝離;0.180 mm厚的BFRP布相對(duì)密實(shí)，浸潤(rùn)性較差，經(jīng)雙剪試驗(yàn)后，混凝土試塊上還零星黏有結(jié)構(gòu)膠，其面內(nèi)剪切強(qiáng)度也較小.因此堿礦渣膠凝材料用于粘貼0.111和0.167 mm厚的CFRP布效果良好.

3)堿礦渣膠凝材料的面內(nèi)剪切強(qiáng)度與有機(jī)膠相當(dāng)，界面破壞呈現(xiàn)膠層下混凝土大面積剝離的理想破壞模式.與有機(jī)膠對(duì)比結(jié)果表明，用堿礦渣膠凝材料粘貼CFRP布加固混凝土結(jié)構(gòu)可行.

4)用堿礦渣膠凝材料粘貼 0.111和0.167 mm厚CFRP布的有效黏結(jié)長(zhǎng)度分別達(dá)到160和220 mm.

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