袁琪 盛黎* 董靈相 盛渭慶
(浙江樹人大學(xué)城建學(xué)院,浙江杭州 310015)
建筑物由于使用年限的延長(zhǎng)或其他諸如地震災(zāi)害等多種原因造成構(gòu)件強(qiáng)度、剛度不足或開裂、破損等情況屢見不鮮,尤其在我們國(guó)家,建國(guó)初期建成的許多建筑物已經(jīng)到了維修加固的高峰期,其次還有部分建筑由于設(shè)計(jì)不符合使用要求,需要對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或建筑物整體進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)[1,2]。
利用建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑將各種補(bǔ)強(qiáng)材料粘結(jié)在受損構(gòu)件上,是近來應(yīng)用比較廣泛的一類加固方法。但是膠粘劑的膠粘過程是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)過程,粘結(jié)效果不僅取決于膠粘劑本身性能,而且與粘結(jié)工藝、被粘物表面的處理情況、周圍環(huán)境的溫度等因素有關(guān),因此為了獲得結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)的最佳效果,使結(jié)構(gòu)膠的使用更加科學(xué)有效,有必要對(duì)上述因素的影響進(jìn)行研究,爭(zhēng)取使膠粘劑的使用與這些因素相適應(yīng)。
本試驗(yàn)采用目前市場(chǎng)上常用的WD-1001型高性能丙烯酸酯AB膠和DY·E-44型環(huán)氧樹脂膠。WD-1001型高性能丙烯酸酯AB膠可廣泛用于鋼材、碳纖維、水泥、木材等同種或異種材料的粘結(jié),由A,B兩個(gè)組分組成,使用時(shí)兩組分以1∶1配比混合后涂膠,常溫指壓下8 min左右初步固化定位,1 h后就可達(dá)最終強(qiáng)度的70%,24 h后達(dá)到最高強(qiáng)度。DY·E-44型環(huán)氧樹脂膠為淡黃色高粘度透明液體,與固化劑按1∶1混合,固化后尺寸穩(wěn)定性好,粘結(jié)性能優(yōu)異,廣泛用于各種金屬與非金屬的粘合及防水補(bǔ)強(qiáng)材料等。
CMT5105型微機(jī)控制高低溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)由深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司生產(chǎn)。
按照GB/T 7124-2008膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定(剛性材料對(duì)剛性材料)標(biāo)準(zhǔn)制備試樣。首先用工業(yè)酒精擦拭2根25 mm×100 mm的鋼片表面,除去污染物后用砂紙打磨鋼片表面直至出現(xiàn)金屬光澤,將配好的兩種結(jié)構(gòu)膠的A,B混合膠液分別均勻地涂在粘結(jié)面積A=12.5 mm×25 mm上,用金屬線控制膠層厚度分別為0.1 mm,0.2 mm,0.3 mm,0.5 mm,1.0 mm,1.5 mm,在(23 ±2)℃的環(huán)境溫度下固化7 d,固化壓力為接觸壓,試樣個(gè)數(shù)為6個(gè),試樣尺寸見圖1。
圖1 試樣尺寸圖
粘結(jié)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的試樣尺寸按照?qǐng)D2制作,首先用工業(yè)酒精擦拭兩塊截面尺寸為40 mm×40 mm,厚度為4 mm的Q235鋼板,除去污染物后用砂紙打磨鋼片表面直至出現(xiàn)金屬光澤,用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié),將配好的兩種結(jié)構(gòu)膠的A,B混合膠液分別均勻地涂在兩塊鋼板上,用金屬線控制膠層厚度分別為0.1 mm,0.2 mm,0.3 mm,0.5 mm,1.0 mm,1.5 mm,在(23 ±2)℃的環(huán)境溫度下固化7 d,試樣個(gè)數(shù)為6個(gè),鋼板兩邊中部焊接一段直徑為8 mm的鋼筋用于試驗(yàn)機(jī)夾持端加載。
在CMT5105型微機(jī)控制高低溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)上以2 mm/min的恒定速度加載,記錄試樣破壞的最大負(fù)荷以及膠接接頭破壞的類型。
膠接是與被粘結(jié)構(gòu)件和膠粘劑組織結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系的過程。膠接接頭在受到外力作用時(shí),由于粘附強(qiáng)度和內(nèi)聚強(qiáng)度的不同,其破壞情況有四種形式,即被粘構(gòu)件破壞、膠層內(nèi)聚破壞、界面粘附破壞及混合破壞。
在實(shí)際操作中,如果保證了膠層本身足夠強(qiáng)度的話,就能避免膠層內(nèi)聚破壞,同時(shí)如果保證膠與被膠接構(gòu)件有良好粘附的話,就能避免界面粘附破壞,可能實(shí)現(xiàn)被粘物構(gòu)件破壞。
觀察拉伸剪切和粘結(jié)抗拉試驗(yàn)后各組試樣破壞面,均發(fā)現(xiàn)有膠層殘留在鋼片上,而且殘留膠層比較光滑,鋼片上無膠的地方?jīng)]有結(jié)構(gòu)膠破壞后留下的毛刺,這說明本試驗(yàn)中不同膠層厚度膠接接頭失效模式是以界面粘附破壞為主。由圖3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見當(dāng)膠層厚度非常小時(shí),隨著膠層厚度的增加,兩種結(jié)構(gòu)膠的拉伸剪切強(qiáng)度均提高,當(dāng)丙烯酸酯AB膠的膠層厚度為0.2 mm,環(huán)氧樹脂膠的膠層厚度為0.3 mm時(shí),兩種膠的拉伸剪切強(qiáng)度分別達(dá)到最高,但隨著膠層厚度的繼續(xù)增加,兩種結(jié)構(gòu)膠的拉伸剪切強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),膠層越厚,強(qiáng)度值越低,本試驗(yàn)結(jié)論與文獻(xiàn)[3]中試驗(yàn)結(jié)果基本一致。當(dāng)膠層厚度超過1 mm時(shí),厚度對(duì)強(qiáng)度的影響更為明顯,下降幅度越來越大。由圖4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見,當(dāng)丙烯酸酯AB膠的膠層厚度為0.3 mm,環(huán)氧樹脂膠的膠層厚度為0.5 mm時(shí),兩種膠的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到最高,隨著膠層厚度的繼續(xù)增加,兩種建筑結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),膠層越厚,粘結(jié)抗拉強(qiáng)度值越低。
圖3 不同膠層厚度下結(jié)構(gòu)膠的拉伸剪切強(qiáng)度
圖4 不同膠層厚度下結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度
分析膠層厚度對(duì)拉伸剪切強(qiáng)度和粘結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響,粘結(jié)過程中由于種種原因膠層材料本身的結(jié)構(gòu)或界面區(qū)總是存在一些裂縫和其他缺陷,比如表面劃痕、微孔、晶界等。這些裂縫和缺陷會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象,使局部區(qū)域所受的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過平均應(yīng)力,當(dāng)局部應(yīng)力超過某一臨界條件時(shí),裂縫失去穩(wěn)定性并發(fā)生擴(kuò)展,引起破壞。
對(duì)一般材料而言,試樣的尺寸體積、半徑、長(zhǎng)度越大,其內(nèi)部存在裂縫、缺陷的幾率也越大,但是膠接接頭膠層并不是越薄越好。但膠層厚度小到一定程度時(shí),拉伸剪切強(qiáng)度反而隨之下降,其原因是膠層太薄時(shí),容易產(chǎn)生缺膠,即生成了新的弱界面層和應(yīng)力集中現(xiàn)象。
結(jié)構(gòu)膠必須通過固化過程才能產(chǎn)生強(qiáng)度,固化溫度的控制是固化過程中的重要因素,它不僅決定固化完成的程度,而且也決定固化過程進(jìn)行的快慢。本試驗(yàn)將兩種結(jié)構(gòu)膠制備成每級(jí)固化溫度條件下各6組膠接試件,膠層厚度均為1 mm,分別在室溫10℃,20℃下固化7 d后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,與在烘箱內(nèi)加熱到40℃,60℃,80℃下固化4 h后,立即取出試樣,迅速進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試進(jìn)行對(duì)比。目的是研究不同固化溫度和時(shí)間下,結(jié)構(gòu)膠的拉伸剪切強(qiáng)度和粘結(jié)抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律。
觀察力學(xué)試驗(yàn)后各組試樣破壞面發(fā)現(xiàn),常溫固化后試樣主要發(fā)生界面粘附破壞,提高固化溫度以后,鋼片上出現(xiàn)了一部分結(jié)構(gòu)膠的毛刺,膠層上的紋路清晰縱橫交錯(cuò),所以認(rèn)為試樣同時(shí)發(fā)生了膠層內(nèi)聚破壞和界面粘附破壞,結(jié)構(gòu)膠的性能得到了更大程度的發(fā)揮。
由圖5和圖6的試驗(yàn)結(jié)果可見,適當(dāng)提高固化溫度使強(qiáng)度值明顯提高,但是當(dāng)溫度升高后,丙烯酸酯AB膠達(dá)到60℃、環(huán)氧樹脂膠達(dá)到40℃時(shí),結(jié)構(gòu)膠開始軟化,兩種結(jié)構(gòu)膠的抗剪強(qiáng)度和粘結(jié)抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的下降。
圖5 不同固化溫度下結(jié)構(gòu)膠的拉伸剪切強(qiáng)度
圖6 不同固化溫度下結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度
由于適當(dāng)提高固化溫度使結(jié)構(gòu)膠的浸潤(rùn)能力提高,使結(jié)構(gòu)膠與鋼片之間的接觸面積增大,充分浸潤(rùn)了鋼片表面,膠層和鋼片之間發(fā)揮了一定的機(jī)械咬合力,避免了大面積界面破壞的發(fā)生,提高了強(qiáng)度值。但是固化溫度不宜過高,過高的固化溫度會(huì)使結(jié)構(gòu)膠組分A與B反應(yīng)活性變高,交聯(lián)反應(yīng)速率過快,反應(yīng)不完全就已經(jīng)產(chǎn)生固化,造成粘結(jié)力下降。
1)結(jié)構(gòu)膠隨著膠層厚度變大,膠層剪切強(qiáng)度和粘結(jié)抗拉強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)。但如果膠層太薄容易造成缺膠,致使膠接強(qiáng)度下降。
2)當(dāng)丙烯酸酯AB膠的膠層厚度為0.2 mm,環(huán)氧樹脂膠的膠層厚度為0.3 mm時(shí),兩種膠的拉伸剪切強(qiáng)度分別達(dá)到最高,當(dāng)丙烯酸酯AB膠的膠層厚度為0.3 mm,環(huán)氧樹脂膠的膠層厚度為0.5 mm時(shí),兩種膠的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到最高。
3)溫度較低時(shí),結(jié)構(gòu)膠拉伸剪切強(qiáng)度和粘結(jié)抗拉強(qiáng)度值隨著固化溫度的提高而提高,適當(dāng)提高固化溫度有利于提高固化程度,但是過高的固化溫度會(huì)造成粘結(jié)力下降。
[1] 賀曼羅.建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑施工應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.
[2] 唐業(yè)清,萬墨林.建筑物改造與病害處理[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000:172-210.
[3] 林 美.建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)定因素的分析[J].福建建設(shè)科技,2011(1):56-57.