用碱矿渣胶凝材料粘贴FRP布加固混凝土结构的剪切性能

朱 晶 郑文忠

(哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨150090)

纤维增强复合材料(FRP)因其轻质、高强、耐腐等优点，广泛应用于土木工程加固领域［1-2］.粘贴FRP布加固混凝土结构主要使用FRP布和黏结用胶2种材料，其中碳纤维(CFRP)在绝氧条件下，1 000℃以内物理力学性能不衰减［3］;当前使用的加固配套胶黏剂多为环氧类有机胶，其热稳定性和长期化学稳定性较差，尤其是其最高使用温度仅为82℃［4］，很难满足工程抗火需要.因此，研制一种耐高温结构胶替代低软化点的环氧类有机胶，将有利于FRP加固技术的进一步推广.

本课题组初步研制了一种耐高温无机胶——碱矿渣胶凝材料，该材料由碱激发剂、粒化高炉矿渣和水等原料制成，具有早强高强、耐腐蚀、耐高温、隔热性好、生产能耗低等优点，是一种低成本、高性能的绿色建材［5］.本文介绍了碱矿渣胶凝材料的优选组分，进行了碱矿渣胶凝材料作胶黏剂的面内剪切试验，通过与有机胶对比表明，用碱矿渣胶凝材料粘贴CFRP布加固混凝土结构可行.

1 碱矿渣胶凝材料的组分优选

1.1 原材料

1)矿渣.采用辽源市金刚水泥有限公司生产的S95级粒化高炉矿渣，比表面积为475 m2/kg，化学成分见表1.

表1 矿渣化学成分 %

2)水玻璃.采用天津市惠达成化工厂生产的钾水玻璃，主要技术指标见表2.

表2 水玻璃主要技术指标

3)氢氧化钠.采用哈尔滨理工化学试剂有限公司生产的氢氧化钠(分析纯)，NaOH质量分数不小于96.0%.

1.2 组分优选

浸渍/黏结用胶黏剂抗压强度不应小于70 MPa［6］;同时，为保证黏结界面的安全可靠，胶黏剂的力学性能应优于混凝土基材.因此，本文采用全自动抗折抗压试验测控系统进行了常温下碱矿渣胶凝材料的抗压强度试验，对碱矿渣胶凝材料的各组分进行优选.

研究表明［7-8］，在掺量相同时，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介于两者之间.这一方面是因为胶凝材料的水化过程必须在一定的强碱环境下完成，相同掺量的Ms=2.0的水玻璃和NaOH提供的碱性比P.O42.5水泥强得多;另一方面，水玻璃的水解产物Si(OH)4呈胶体状态存在，胶体有吸附相同组分的性能.在水化过程中，Si(OH)4不仅吸附液相中硅氧阴离子团和碱金属离子，导致液相中简单聚体的缩聚，促使水化产物的形成，而且有助于消除矿渣周围硅氧阴离子团过饱和现象，促进矿渣的解聚过程.故 Ms=2.0的水玻璃激发效果优于NaOH，3种碱激发剂激活能力依次为:Ms=2.0的水玻璃 ＞NaOH ＞P.O42.5水泥.因此，本文选用钾水玻璃作碱激发剂，每次矿渣用量均取800 g，水玻璃用量和水用量皆以占矿渣质量的质量分数计量.碱矿渣胶凝材料采用40 mm×40 mm×160 mm的胶件［9］，每组3个胶件成型后，放在标准养护室固化24 h后脱模，并继续标准养护27 d后，测试其常温下的抗压强度.

1)本文取水玻璃模数 Ms为 0.8 ～2.4，可通过加适量的NaOH调整水玻璃模数(如取水玻璃模数为 Ms=1.0，即 Ms=wSiO2/w(K2O+Na2O)=1.0).如图1所示，胶块的抗压强度随水玻璃模数的增加而逐渐降低.又由试验现象可知，当水玻璃模数为0.8时，水玻璃变得黏稠，几乎丧失流动性，静置一段时间后，会出现少量结晶体沉淀;而当水玻璃模数增加为1.0时，水玻璃的流动性相对较好，没有出现结晶体沉淀，胶件的抗压强度可达80.88 MPa.故本文选用水玻璃模数为1.0.

图1 水玻璃模数对胶件抗压强度的影响

2)取水玻璃模数为1.0，水玻璃用量为8% ～22%.由图2和表3可知，碱矿渣胶凝材料的抗压强度随水玻璃用量的增加经历一个先增加后降低的过程，水玻璃用量存在一个最佳区间.水化过程中［10］，当水玻璃用量偏少时，反应不能进行彻底，矿渣的潜在活性未能被完全激发.用量过多时会对胶凝材料强度产生负面影响，这是因为过量的碱与空气中的CO2发生反应生成碳酸盐，导致胶凝材料强度降低;此外，当OH－离子的浓度过高时，在矿渣颗粒表面快速反应产生的水化物形成一层保护膜，阻止了反应的进一步进行，导致后期强度发展缓慢.故本文选取水玻璃用量为12%.

图2 水玻璃用量对胶件抗压强度的影响

表3 水玻璃用量的影响 MPa

3)取水用量为35%，42%和45%(包含水玻璃中的水).由图3可知，当水用量为35%时，胶块的抗压强度可达90.16 MPa，但由试验现象及新拌胶的扩展流动度(见表4)可知，此时胶液比较黏稠，初凝时间仅为30 min，不能满足施工时间要求;当水用量为42%时，胶块的抗压强度可达80.88 MPa，胶液黏度适中，初凝时间为45 min，终凝时间为80 min，可充分浸润并杵捣FRP布以完成粘贴;当水用量为45%时，胶液黏聚性变差，胶块抗压强度也变小.故本文选取水用量为42%.

图3 水用量对胶件抗压强度的影响

表4 新拌胶的扩展流动度

2 基于双剪试验的黏结效果比较

2.1 试验概况

用碱矿渣胶凝材料粘贴FRP布加固混凝土结构，除碱矿渣胶凝材料的组分对加固效果具有显著影响之外，FRP布的抗拉强度和浸润性能也是关键因素.因此，本文选用日本东丽公司生产的UT70-20和UT70-30型CFRP布，以及浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的BUF13-380型玄武岩纤维(BFRP)布进行双剪试验分析，3种FRP布基本性能见表5.

表5 3种FRP布的基本性能

选用碱矿渣胶凝材料的优选组分配胶，并在混凝土表面粘贴一层FRP布，粘贴面积为70 mm×100 mm(见图4).采用的混凝土试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，实测28 d混凝土标准立方体150 mm×150 mm×150 mm的抗压强度值为31.55 MPa.

图4 双剪试验装置图(单位:mm)

2.2 试验流程

采用同一配比的碱矿渣胶凝材料实现底涂、找平和浸渍［11］，试验流程如下:

1)将混凝土表面打磨平整，清除混凝土表面的疏松层，露出混凝土结构新面，用丙酮擦除表层浮尘、油污等杂质，并保持混凝土表面湿润，使其与无机胶有较好的黏结强度.

2)按需要剪裁FRP布，并用优选组分配制无机胶;随后将无机胶液倒入槽型容器中浸润FRP布，并用平滑宽大的滚筒沿单向杵捣FRP布15 min.

3)在混凝土表面刷涂2 mm厚底胶，将FRP布受杵捣的一面朝下粘贴在混凝土表面;并用塑料刮板挤出气泡，刷涂2 mm厚面胶.

4)将试块放入标准养护室固化至预定龄期后，进行双剪试验，试验装置见图4.

2.3 3种FRP布的剪切效果比较

当采用碱矿渣胶凝材料作胶黏剂时，FRP布-混凝土界面的受剪剥离破坏主要有以下4种形式:

1)界面下混凝土被撕脱导致的剥离破坏，有大面积混凝土被撕脱.

2)胶层和混凝土之间发生撕脱导致的剥离破坏，胶黏剂完全黏在FRP布上.3)胶层内部发生面内滑脱导致的剥离破坏.4)FRP布与胶层之间发生面内滑脱导致的剥离破坏.

在上述4种破坏形式中，若胶层对纤维很好地浸润，胶层的抗拉强度又远高于混凝土，则后3种破坏形式在施工可靠的情况下一般不会出现，也是FRP布加固混凝土结构所不容许出现的破坏形式［12-13］.因此，理想的界面破坏是胶层下混凝土被撕下一层，即破坏形式1，剥离破坏示意图如图5所示.其中，ta表示底面胶层的厚度，取值范围是0≤ta≤2 mm;tf表示单层FRP布的计算厚度，取值范围为0≤tf≤0.2 mm;bc表示混凝土试块的宽度，bf表示粘贴单层FRP布的宽度，取值范围是0≤bf≤bc;La表示FRP布的黏结长度.

本文采用碱矿渣胶凝材料粘贴3种FRP布，在不同龄期的面内剪切强度见表6，剥离情况见图6.

图5 剥离破坏示意图

图6 3种FRP布剥离情况比较

对比分析可知，0.111 mm厚的CFRP布相对较薄，当承受拉力时CFRP布极易同时剥离和拉断;0.167 mm厚的CFRP布薄厚适中，经碱矿渣胶凝材料浸润并杵捣后成板状整体剥离;0.180 mm厚的BFRP布相对密实，浸润性较差，进行双剪试验后，混凝土试块上还零星黏有结构胶，其面内剪切强度也较小.因此，碱矿渣胶凝材料用于粘贴0.111和0.167 mm厚的CFRP布效果良好.

2.4 碱矿渣胶凝材料与有机胶的剪切效果比较

本文选用的有机胶，是由中国建筑科学研究院建研建材有限公司生产的昆仑牌MS系列碳纤维配套树脂胶.选取碱矿渣胶凝材料和有机胶作胶黏剂，进行双剪试验对比，试件尺寸和制作过程与2.1节相同，试验结果见表7，28 d剥离情况见图7.

对比分析可知，碱矿渣胶凝材料的面内剪切强度可达1.34 MPa，与有机胶相当;界面破坏均为胶层下混凝土被撕下一层，呈现理想的剥离破坏模式.试验结果表明，碱矿渣胶凝材料可用于CFRP布加固.

表6 3种FRP布的面内剪切强度比较

表7 2种结构胶的面内剪切强度比较

图7 2种结构胶的剥离情况比较

3 确定CFRP布的有效黏结长度

CFRP布的有效黏结长度，即指剪应力的分布沿黏结长度方向从加载端往自由端逐渐减小，直至剪应力等于零时的长度称为“有效黏结长度”.超过有效黏结长度的部分不再承担荷载.

3.1 试验方案

选用UT70-20和UT70-30型CFRP布，在混凝土表面粘贴一层CFRP布，粘贴宽度取为70 mm.混凝土棱柱体尺寸为160 mm×160 mm×1 000 mm，材料性能指标与2.1节相同，应变量测与加载装置如图8所示.为实现工程加固的实际效果，在混凝土棱柱体中对称配置的受力钢筋和双肢φ6@150的箍筋，钢筋的力学性能指标见表8.

图8 应变量测与加载装置图

表8 钢筋的力学性能指标

为确定CFRP布的有效黏结长度，需不断改变CFRP布的粘贴长度，并量测试件上CFRP布的应变发展.应变片分布情况为:从距离CFRP布加载端5 mm开始，每隔10 mm粘贴一个电阻应变片，最后3个电阻应变片间距均为15 mm(见图8(a)).

3.2 试验结果及分析

试验得到的黏结破坏形式主要分为2类:

1)锚固破坏 破坏的结果是混凝土界面被撕脱使CFRP布剥离.破坏前，首先在混凝土端部出现裂缝，伴随着“噼啪”的脆响可以看到CFRP布沿纵向突然崩裂，崩裂位置多数是在试件的中间部位纵向发生;随后成条的CFRP布脱离混凝土表面，混凝土被撕下一层，以致锚固失效.该破坏是在黏结长度不足时发生的，破坏带有突然性.CFRP布的锚固破坏形式如图9所示.

2)CFRP布被拉断 此种破坏是当加载至破坏荷载的80% 左右时，听到明显的响声，声响最初是由胶与混凝土表面发生一定程度的剥离引起的，这表明CFRP布受力较均匀，后期是由CFRP布单丝断裂发出的.被拉断的断面形状呈锯齿状，断面位置是在粘贴范围以外的CFRP布处.此种破坏说明黏结长度满足要求，达到了CFRP布的有效黏结长度.CFRP布被拉断形式如图10所示.

图9 锚固破坏形式

图10 CFRP布被拉断形式

由表9和图11可知，外贴CFRP布与混凝土黏结界面的黏结强度不会随着黏结长度La的增加而持续提高，而且不论黏结长度有多长，CFRP布都可能达不到其极限抗拉强度.图11中，P为荷载，Pu为破坏荷载，s为加载端滑移量.由图可见，在加载初期，只有加载端附近的CFRP布承受荷载，随着荷载的增大，参与受力的CFRP布长度增加.当参与受力的CFRP布长度达到有效黏结长度后，荷载不再增加，CFRP布在自由端承受的拉应变等于零.因此，可知试件T-10和T-20的有效黏结长度分别达到160和220 mm.

表9 CFRP布的有效黏结长度试验结果

图11 典型试件的CFRP布应变发展

4 结论

1)得到碱矿渣胶凝材料作胶黏剂的优选组分为:水玻璃模数Ms=1.0，水玻璃用量和水用量分别为矿渣粉质量的12%和42%.

2)0.111 mm厚的CFRP布相对较薄，当承受拉力时CFRP布极易同时剥离和拉断;0.167 mm厚的CFRP布厚薄适中，经碱矿渣胶凝材料浸润并杵捣后成板状整体剥离;0.180 mm厚的BFRP布相对密实，浸润性较差，经双剪试验后，混凝土试块上还零星黏有结构胶，其面内剪切强度也较小.因此碱矿渣胶凝材料用于粘贴0.111和0.167 mm厚的CFRP布效果良好.

3)碱矿渣胶凝材料的面内剪切强度与有机胶相当，界面破坏呈现胶层下混凝土大面积剥离的理想破坏模式.与有机胶对比结果表明，用碱矿渣胶凝材料粘贴CFRP布加固混凝土结构可行.

4)用碱矿渣胶凝材料粘贴 0.111和0.167 mm厚CFRP布的有效黏结长度分别达到160和220 mm.

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