公路用胶粘剂的压缩强度性能研究
2019-03-25莫延英
莫延英
摘要：随着社会科技的快速发展，对钢筋混凝土的改造使得公路的压缩强度不断被提高。文章通过实验研究的方法，研究公路所使用的鋼筋混凝土材料加上水泥基胶粘剂后的压缩强度。由于公路暴露于阳光下，其表面温度会很高，加入胶粘剂的混凝土的性能会受到影响，所以本文还对加入胶粘剂的混凝土试样在不同温度下的性能进行研究。实验结果表明：水泥基胶粘剂用量为5份时，钢筋混凝土的压缩强度达到最大化;水泥基胶粘剂相比环氧树脂胶粘剂耐热性能更好，更适合用于钢筋混凝土。
关键词：公路;水泥基胶粘剂;钢筋混凝土;压缩强度
中图分类号：TQ437文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0001-05
公路上使用的钢筋混凝土要求有较好的性能，在过去几十年里，对现有钢筋混凝土结构的改造一直是土木工程研究中关注的主题。这是由于所需的服务负荷增加，材料的机械性能随时间降低以及设计规范的变化。世界各地使用环氧树脂胶粘剂改造了许多混凝土结构。然而，环氧聚合物在高温下机械性能的急剧下降是这些胶粘剂的不利因素之一。有学者研究得出复合材料的钢筋混凝土在温度超过50℃后混凝土就会出现发裂现象，公路由于暴露于空气中，有些地区温度高，路面温度达到50℃比较常见，这时钢筋混凝土的压缩性能就会受到影响。而且使用环氧树脂胶粘剂也容易产生毒烟雾和皮肤刺激的危害。用水泥基胶粘剂代替这种聚合物可以提高高温区域混凝土结构的性能，并最大限度地减少环境危害。大多数水泥基胶粘剂的应用已经进行了外部粘接的FRP强化。然而，过早分层是一种严重的失效反应，会降低纤维增加物质容量的有效性。由Ahmed Al-Abdwais和Riadh Al-Mahaidi研发的改性水泥基胶粘剂在常温下表现出接近表面安装强化系统的优异粘合强度。这种水泥基胶粘剂可以增强高温下的粘合阻力。在该研究中，评估了该粘合剂在高温下的效率。使用单搭接剪切试验装置进行混凝土试样的拉拔试验，以在高温下使用改性水泥基粘合剂检查碳纤维布与混凝土之间的粘合强度。由Ahmed AlAbdwais和Riadh Al-Mahaidi研发的改性水泥基胶粘剂已经实施。这种水泥基胶粘剂是为内嵌式碳纤维混凝土强化而开发的，可作为高温环境下环氧树脂的替代品。测试结果显示了在高温下使用改性水泥基胶粘剂的NSM技术的效率。文章为了强化路面的各种性能选择内嵌式碳纤维混凝土作为公路的主要材料，研究公路用水泥基胶粘剂的压缩强度性能。
1 实验部分
1.1样本详细信息
使用单搭接剪切试验装置进行混凝土试样拉拔试验的实验程序。测试程序使用了14个混凝土棱柱体。棱柱体的尺寸为75mm×75mm×250mm。在混凝土表面上纵向切割4mm宽18mm深的凹槽。槽深取决于板或梁底面可用的混凝土保护层，以避免钢筋。碳纤维布由三个平行的碳纤维层压板网构成，所述碳纤维层压板条在横向方向上与纤维条连接，如图1所示。网的整个宽度为14mm，以适应18mm的凹槽深度，以在纤维条周围提供合适的胶粘剂层。每个矩形碳纤维布层压条的横截面尺寸为。材料的机械性能如表1所示。试验在正常和高温下分两个阶段进行。每个阶段使用七个样品，使用水泥基胶粘剂将每个胶粘剂长度为50mm和100mm的三个样品与碳纤维布粘合，使用环氧胶粘剂，其胶粘剂长度为50mm的一个样品。标本详情如表2所示。
常温下的极限载荷应用于高温试验的工作载荷的计算。对于常温测试，碳纤维布从棱柱体延伸100mm，并且在高温测试中延伸430mm以适应高温测试设置。
1.2标本准备
通过在混凝土表面切割4mm宽18mm深的凹槽，在固化28d后制备常温试样。使用空气压力从凹槽中除去灰尘。在施加胶粘剂之前用水润湿凹槽，然后使用钢刀片填充胶粘剂。粘接层在距离混凝土试样的加载端50mm处开始，以避免试样边缘处的锥体破坏。将条带直接插入凹槽的中心，然后将表面弄平。
高温试样的制备分三个阶段进行。将碳纤维布条从棱镜上延伸430mm并使用改性的水泥基胶粘剂粘合在棱柱体的凹槽中。7d后，通过在为此目的而制成的模板中浇注普通水泥基胶粘剂来覆盖延长的纤维，以保护纤维免于高温暴露。最后，使用环氧胶粘剂将纤维与（50+50mm）铝板粘合。试样制备如图2（a）和（b）所示。
1.3测试设置和仪器
测试装置分两个阶段进行，对于正常和高温，常温测试的结果用于计算在高温测试中应用的负载。常温下的设置使用单搭接剪切试验装置进行。使用100英斯特朗万能试验机进行试验。使用称重传感器和引伸计测量载荷和伸长率。光纤与夹具垂直对齐，以确保纯轴向载荷，以防止光纤上出现任何弯矩。
高温测试装置设计为使用特殊等级钢（253-M）来适应腔室，以抵抗高温暴露。该装置的尺寸类似于用于常温测试的尺寸。该室安装在100kN英斯特朗万能试验机上。将纤维从混凝土试样上延伸340mm。将铝板夹在炉外，如图5所示。使用位于粘接线室内的两个K型热电偶测量温度。室内温度的升高设定在最高加热速率（室内温度随时间增加）。但是，加热速率低于标准火焰率曲线。
2 实验结果
2.1常温下胶粘剂用量实验结果
图3为使用改性水泥基胶粘剂的用量不一样时，公路上使用的混凝土的压缩强度的变化。从图中可以看处，当胶粘剂用量越来越多后，混凝土的压缩强度是越来越大，但是当胶粘剂超过五份后，混凝土的压缩强度会下降。所以当胶粘剂用量为五份时，混凝土的压缩强度时最大的。
2.2常温下试样的试验结果
常温下试样的试验结果总结在表3中。这些结果被认为是计算在高温试验中施加在试样上的使用载荷。
2.2.1TC50标本
TC50系列试样的粘接长度为50mm，平均极限载荷为11.03kN。该值是三个试样的平均极限载荷。三个试样的载荷一位移曲线如图4所示。平均粘接应力为9.6MPa。失效模式是纤维和与沿着砂浆表面传播的裂缝相关的粘合剂之间的界面区域，如图5所示。结果显示由于残余机械摩擦而失效后的软化。
具有100mm粘合长度的TC100系列的失效模式是纤维断裂。纤维实现了完整的复合作用。试样的平均极限载荷为13.6kN如图6所示。平均粘接应力为5.9MPa。纤维破裂的失败如图7所示。
2.2.3TE50标本
使用环氧胶粘剂增强50mm胶粘剂长度的试样的极限载荷为13.7kN。荷载位移曲线如图8所示。破坏模式是混凝土的破裂。由于在试样的加载端产生过大的应力导致混凝土过早破裂，纤维没有达到完全的复合作用，如图9所示。
2.3高温暴露的测试结果
用改性水泥基胶粘剂对TC50和TC100试样进行常温试验的平均极限载荷分别为11.03kN和13.6kN，含环氧树脂的试样为13.7kN。这些结果用于计算受高温状态下的负荷，其表示在受高温状态下施加在结构上的实际负荷情况。负荷的计算根据AS1170.0进行如下：
P*=ψPu
其中：P*为分解负荷，pu最终的容量，并且u=0：8。假设死亡和活荷载彼此相等。
p*=1.2G+1.5Q
G=Q=3.26kN加热暴露率如图10所示。温度增量随时间的变化曲线表示试验过程中试样的热暴露率。试样的失效温度如表4所示。
3 结语
综上所述，由于公路经常受到高强度的荷载，而且又暴露于阳光下，公路的表面温度一般会达到70℃。公路所使用的的混合钢筋混凝土材料选择使用水泥基胶粘剂更能够适合于公路的基建材料。当使用五份的水泥基胶粘剂时，能让钢筋混凝土的压缩强度达到最大化，而且水泥基胶粘剂相比于环氧树脂胶粘剂用于钢筋混凝土中能有更好的性能，在高温时，水泥基胶粘剂能够保持较好的粘接度，而且水泥基胶粘剂受到高温后不会产生有毒的物质，所以公路用水泥基胶粘剂能够有更好的性能。
