CN102944514A

CN102944514A - 加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试装置及方法

Info

Publication number: CN102944514A
Application number: CN2012104939575A
Authority: CN
Inventors: 成勃; 崔士起; 姜丽萍; 成涛; 李潭
Original assignee: Shandong Provincial Academy of Building Research
Current assignee: Shandong Provincial Academy of Building Research
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: CN102944514B; CN103983570B; CN103983570A

Abstract

一种加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试装置及方法，其特征是它包括设置在上混凝土试块外缘的上挂架以及下混凝土试块外缘的下挂架，上挂架底面中间位置设置V形凸起，下挂架顶面中间位置设置V形凹槽与上挂架的V形凸起配合，V形凸起在凹槽内绕接触线枢转一定角度。测试方法的具体步骤是将上挂架放置到下挂架上，使V形凸起放置在V形凹槽中并使用定位条固定；用结构胶将加固材料粘贴到试块侧面，加固材料在两试块的粘贴面积相等，待结构胶完全固化后，拆除混凝土试块一侧的全部定位盖板和全部定位条，施加压力使混凝土试块有绕V形凸起接触线枢转的趋势，从而产生剪切粘结力并达到极限值被破坏时，即可算出抗剪粘结强度。

Description

加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试装置及方法

技术领域

本发明主要用于建设科学技术领域中，在混凝土结构加固改造中，结构胶粘结加固材料和混凝土基材时的测试其抗剪粘结强度的装置及方法。

背景技术

混凝土结构工程加固改造项目中，有需要在混凝土基材上粘贴钢板、复合增强纤维等加固材料的技术措施。此类措施通过结构胶将加固材料粘贴到混凝土基体上，充分发挥加固材料抗拉强度高的特点，达到加固补强的目的。此项技术的关键在于加固材料与混凝土基体的协调变形与共同受力，两者之间协调变形则完全依靠结构胶提供的剪切粘结力提供，因而抗剪粘结强度是衡量粘接材料性能的重要指标。加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度能最直接反映结构胶的性能，目前尚无相应的测定方法。

在国家标准《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006、《建筑结构加固工程施工质量验收规范》GB50550-2010、标准化协会标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146:2003（2007年版）中，关于结构胶的性能指标，有正拉粘结强度、钢—钢抗剪强度等性能，但均不能反映加固材料与基材的抗剪粘结强度这一重要指标。标准附录中有“结构胶粘合加固材料与基材的正拉粘结强度试验室测定方法”，用以评价结构胶的正拉粘结强度，但是测试时的结构胶应力状态（垂直于加固材料表面的正应力）与结构正常受力时的应力状态（平行于加固材料表面的剪应力）并不相同，正拉粘结强度与抗剪粘结强度反映的是结构胶两个不同方面的粘结性能。

在国家标准《胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）》GB/T7124-2008中有胶粘剂拉伸剪切强度（刚性材料对刚性材料）的测试方法，该方法是在平行于粘接面的试样主轴方向上施加拉伸力，检测出刚性材料单搭接粘接处（即钢片对钢片或纤维板对纤维板）的剪切应力，在一定程度上反映了结构胶材料本身的粘结强度。但在实际加固工程中结构正常受力时，结构胶最直接的粘结性能指标是所粘结的加固材料与混凝土基材间的抗剪粘结强度，由于混凝土材料抗拉强度较低，无法按该标准制作加固材料对混凝土薄板的试样，故此强度指标无法通过该标准进行测试。该标准中测试的结构胶粘结性能指标仅仅是加固材料与加固材料之间的粘结抗剪强度，故该标准中明确注明了“从单搭接胶结件得到的剪切强度值不能作为结构胶接的设计应力”。

当前有发明专利“剪切强度测试仪及剪切测试方法”（专利号：ZL201010107968.6），是在工程结构加固改造项目中混凝土结构采用浅层嵌固高强板条或表面粘贴高强板条时，检测板条与原混凝土结构之间粘结剪切强度的专用仪器和方法。该设备分为测力杆、剪切支架、示数仪三部分，通过旋紧测力杆螺栓，使剪切支架端部张开，利用传力靴抵住粘结完成的板条并对其推压，使之与混凝土界面粘结破坏，采用测力杆内设的拉压传感器测试剪切力的大小，由示数仪显示最大剪切力。该发明专利采用局部破损的手段，在被加固的构件上切割出一定面积的加固材料，现场测试该面积范围内加固材料与基材的抗剪粘结强度，可以反映粘贴加固的施工质量。但是该发明专利仅能检测具有一定厚度的加固材料的粘结剪切强度，需要传力靴抵住并推动板条使之与混凝土基材间产生剪切破坏，对于厚度较小的板条（1～2mm）及纤维布（0.111～0.167mm）等加固材料时，由于传力靴难以做到仅抵住加固材料而不接触混凝土，往往无法推动板条或纤维布使之剪切破坏，该方法的使用具有一定的局限性；采用该发明专利测试时加固材料受压力作用，与实际工程中受拉力的情况不符；采用该发明专利时需对加固材料进行切割，不仅对加固材料和被加固构件有一定的损伤，切割时产生的高温会影响粘接材料的性能，影响测试结果。故该发明专利不能完全适应加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度的测试。

发明内容

为了弥补结构胶粘合加固材料与混凝土基材时抗剪粘结强度检测方法的不足，保证结构胶的粘结性能和加固材料与结构胶的匹配性，保证加固工程质量，本发明提供了一种加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度的测试装置及方法。

本发明所采取的技术措施是，一种加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试装置，其特征是它包括设置在上混凝土试块外缘的上挂架以及下混凝土试块外缘的下挂架，上挂架底面中间位置设置V形凸起，下挂架顶面中间位置设置V形凹槽与上挂架的V形凸起配合， V形凸起在凹槽内绕接触线枢转一定角度。

本方案的具体特点还有，所述上挂架包括位于混凝土试块上方的阳角盖板和位于混凝土试块下方的刀口托板，阳角盖板和刀口托板通过至少一条上连接条连接在一起，在刀口托板底面设置V形凸起。

所述下挂架包括位于上部的刀槽盖板和位于下部的阳角托板，刀槽盖板和阳角托板通过至少一条下连接条连接在一起；在刀槽盖板顶面设置V形凹槽，V形凸起及V形凹槽均与阳角盖板平行布置。

上连接条为两条且均匀分布在阳角盖板和刀口托板的与V形凹槽平行的侧面上；下连接条为两条且均匀分布在刀槽盖板和阳角托板的与V形凹槽平行的侧面上。

在混凝土试块上位于阳角盖板和阳角托板对侧分别设置定位盖板。

上挂架和下挂架四角设置四根定位条，定位条上设置四个定位孔，穿过定位孔的螺栓分别旋入阳角盖板，刀口托板，刀槽盖板和阳角托板上对应设置的螺纹孔中将阳角盖板，刀口托板，刀槽盖板，阳角托板和定位盖板整体地固定在一起。

连接条及定位条的螺栓孔均为长条形，可以调整托板与盖板的间距，以便适应存在制作误差的混凝土试块。

V形凸起的高度为10mm，角度为80°～90°；V形凹槽凹进的深度为3mm，角度为110°～120°。

本发明还提供一种加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试方法，其特征是：在两个混凝土试块上设置如权利要求1所述的上挂架和下挂架；将上挂架放置到下挂架上使V形凸起放置在V形凹槽中，并使用定位条将上挂架和下挂架临时固定；采用结构胶将加固材料粘贴到试块侧面，加固材料在两试块的粘贴面积相等，待结构胶完全固化并在常温下养护一周后，拆除混凝土试块一侧的全部定位盖板和全部定位条，利用压力机或其它加荷设备产生的压力施加在阳角盖板和阳角托板上，使混凝土试块有绕V形凸起接触线枢转的趋势，加固材料阻止其枢转，从而在加固材料与混凝土基材之间产生剪切粘结力；当结构胶的剪切粘结力达到极限值并最终破坏时，即可通过极限压力和破坏的粘结面积计算出抗剪粘结强度。

它的具体特点还有，V形凸起位于混凝土试块底面中部的下方，剪切粘结力与加荷设备的压力大小相等。

本发明的有益效果是：上挂架和下挂架形成可以固定混凝土标准试块的空间框架，并且形成空间杠杆体系，在加载设备对阳角盖板施压以后，混凝土试块有绕刀口托板V形凸起端部枢转的趋势，使加固材料与混凝土试块表面间产生剪切力。定位条的作用是临时固定混凝土试块，保证在混凝土试块侧面粘贴加固材料、结构胶养护和试验装置在试验机就位的过程中，混凝土试块不产生相对位移，结构胶不被扰动。连接条、定位条设长条形螺栓孔，其作用是可以调整盖板间距，以便适应存在制作误差的混凝土试块。在测试过程中，连接条不受力。采用试验机或其它加荷设备对阳角盖板和阳角托板施压后，加固材料与混凝土基材之间产生剪切粘结力τ(y)，其受力状态与工程中的受力状态一致。试验装置的刀口托板V型凸起接触线位于混凝土试块的中部，剪切粘结力τ(y)的合力T与试验机的压力大小相等。当结构胶的剪切粘结力达到极限值并最终破坏时，即可通过极限压力N和破坏的粘结面积A计算出抗剪粘结强度f _τ。该设备具有构造简单，操作简便，安全可靠，易于维护等优点，测试结构胶粘合加固材料与混凝土基材的抗剪粘结强度时，可采用强度和集料配比与待加固的构件混凝土相近的混凝土试块，以便更好地评价结构胶应用于实际工程时的粘结性能及其与加固材料的适配性。该测试方法试验数据稳定，试验方法可靠，适用于测试加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度的测试。

受力情况分析如下图4所示，加载设备压力由阳角盖板（阳角托板）传至混凝土试块，然后传至刀口托板（刀槽盖板），连接条在试验过程中不受力。在压力的作用下，试块有围绕V形凸起接触线（O处）枢转的趋势，加固材料产生拉力T阻止其转动，加固材料与混凝土基材之间产生剪切粘结力。试验过程中剪切粘结力的合力（加固材料拉力）、加载设备压力绕V形凸起接触线力矩平衡，试验过程中直至破坏，结构胶剪切变形极小，故试块枢转极小，剪切粘结力的合力、加载设备压力始终平行。试验破坏时，加载设备极限压力为N，结构胶剪切力合力（加固材料拉力）为T，试验装置的刀口托板V型凸起接触线位于混凝土试块的中部，T、N的力臂均为75mm，由力矩平衡方程：

75×N=75×T 有：T=N

结构胶剪切力合力（加固材料拉力）T与结构胶剪切粘结应力τ(y)的关系为：

结构胶剪切粘结应力τ(y)完全由结构胶承担，其受力状态与工程中的受力状态一致。

试件破坏时，加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度为：

式中：A为粘结面面积。

试验验证情况

采用本装置及方法，对山东省建筑科学研究院研制生产的KY-5型结构胶进行检验，检验时选用强度等级为C20和C40的两种混凝土试块，以代表两种不同的工程情况。

选用强度等级为C20混凝土试块的检测数据如下：

选用强度等级为C40混凝土试块的检测数据如下：

试验结论

1 破坏状态

本方法测得的破坏状态有别于《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006、《建筑结构加固工程施工质量验收规范》GB50550-2010、标准化协会标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146:2003（2007年版）等标准中采用正拉粘结强度试验时的破坏形态（一般为混凝土基层受拉破坏）；也有别于《胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）》GB/T7124-2008中胶粘剂拉伸剪切强度（刚性材料对刚性材料）试验时的破坏状态（一般为结构胶与刚性材料粘结面剪切破坏或结构胶层间剪切破坏）。

本方法测得的破坏状态为混凝土表层剪切破坏（混凝土强度较低时）或混凝土与结构胶粘接面界面剪切破坏（混凝土强度较高时），与工程结构中的破坏形态相同，符合工程实际情况。（如图5）

2 测试时加固材料受力状态

本方法有别于采用发明专利“剪切强度测试仪及剪切测试方法”（专利号：ZL2010 10107968.6）测试浅层嵌固高强板条或表面粘贴高强板条的粘结强度时，加固材料在检测过程中受压力作用的情况，本方法测试时加固材料受拉力作用，与实际工程中受力状态相同，所测的结果更能代表工程实际情况。

3 检测数据对比

本方法测得的抗剪粘结强度比正拉粘结强度（按《混凝土结构设计规范》GB50010 -2010的规定，C20时正拉强度取1.54MPa，C40时取2.39MPa）的数值略高，符合混凝土剪切强度略高于正拉强度的实际情况。

4 测试精度

本方法测试的同组试件破坏状态相近，测试结果的标准差均较小，表明试验数据稳定，试验方法可靠。

5 贴近工程实际

抗剪强度结果不仅与结构胶本身的性质有关，也与混凝土强度等级有关。本方法测试的结果反映了这一实际情况，并可根据实际工程混凝土强度的不同而选用不同强度等级的混凝土试块，以便做出与工程实际更为接近测试结果，更好地指导工程实践。

附图说明

图1是上挂架和下挂架结构示意图；图2是设置在混凝土试块外上挂架和下挂架结构示意图；图3是试验时上下挂架状态图；图4是受力分析图；图5是实际工程中加固材料在拉力下剥离破坏状态示意图。

图中：1—螺钉；2—上连接条；3—阳角盖板；4—刀口托板；5—刀槽盖板； 6—阳角托板；7—定位条；8—定位盖板；9—混凝土试块；10—加固材料；11—加载设备压力方向；12—下连接条；13-螺栓孔；14-端部剥离；15-中部斜裂缝处剥离。

具体实施方式

如图1-2所示，一种加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试装置，它包括设置在上混凝土试块9外缘的上挂架以及下混凝土试块9外缘的下挂架，上挂架底面中间位置设置V形凸起，下挂架顶面中间位置设置V形凹槽与上挂架的V形凸起配合， V形凸起在凹槽内绕接触线枢转一定角度。所述上挂架包括位于混凝土试块9上方的阳角盖板3和位于混凝土试块9下方的刀口托板4，阳角盖板3和刀口托板4通过至少一条上连接条2连接在一起，在刀口托板4底面设置V形凸起；所述下挂架包括位于上部的刀槽盖板5和位于下部的阳角托板6，刀槽盖板5和阳角托板6通过至少一条下连接条12连接在一起；在刀槽盖板5顶面设置V形凹槽，V形凸起及V形凹槽均与阳角盖板3平行布置。上连接条2为两条且均匀分布在阳角盖板3和刀口托板4的与V形凹槽平行的侧面上；下连接条12为两条且均匀分布在刀槽盖板5和阳角托板6的与V形凹槽平行的侧面上；在混凝土试块9上位于阳角盖板3和阳角托板6对侧分别设置定位盖板8。

上挂架和下挂架四角设置四根定位条7，定位条7上设置四个定位孔，穿过定位孔的螺钉1分别旋入阳角盖板3，刀口托板4，刀槽盖板5、阳角托板6和定位盖板8上对应设置的螺纹孔中，将阳角盖板3，刀口托板4，刀槽盖板5、阳角托板6和定位盖板8整体地固定在一起。

上连接条2和下连接条12及定位条7上的螺栓孔均为长条形，可以调整阳角托板与刀口托板以及刀槽盖板和阳角托板的间距，以便适应存在制作误差的混凝土试块，测试过程中上连接条2、下连接条12和定位条7均不受力。

如图1-3所示，本发明还提供一种加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试方法，其特征是：在两个混凝土试块上设置如权利要求1所述的上挂架和下挂架；将上挂架放置到下挂架上使V形凸起放置在V形凹槽中，并使用定位条7将上挂架和下挂架临时固定；采用结构胶将加固材料10粘贴到试块侧面，加固材料10在两试块的粘贴面积相等，待结构胶完全固化并在常温下养护一周后，拆除混凝土试块一侧的全部定位盖板8和全部定位条7，利用压力机或其他加荷设备产生的压力施加在另一侧的阳角盖板3上，使混凝土试块9有绕V形凸起接触线枢转的趋势，加固材料阻止其枢转，从而在加固材料10与混凝土基材之间产生剪切粘结力；当结构胶的剪切粘结力达到极限值并最终破坏时，即可通过极限压力和破坏的粘结面积计算出抗剪粘结强度。V形凸起位于混凝土试块9底面中部的下方，剪切粘结力与加荷设备的压力大小相等。

1 试验准备

1.1 在刀口托板和刀槽盖板上覆盖塑料薄膜，以免粘接材料污染，同时塑料薄膜不会影响测试精度。

1.2 测试时所用的混凝土试块应采用边长为150mm的试块，为更好地评价结构胶应用于实际工程时的粘结性能及其与加固材料的适配性，可采用强度和集料配比与待加固的构件混凝土相近的混凝土试块。

1.3 将两个混凝土试块置于本发明组件组装形成的空间中，将混凝土试块的浇筑顶面与底面置于正对定位条的位置，使之在试验过程中始终处于非直接受力状态。对齐两混凝土试块，拧紧螺栓，固定好混凝土试块。

1.4 按产品说明书规定的工艺要求配制好结构胶，按规定的粘结工艺将加固材料粘贴在两混凝土试块侧面，加固材料在两试块的粘贴面积相等，常温下养护7天以上。

2 试验步骤

2.1 将组装件置于试验机或其它加载设备的承压板之间，使加载压力作用线通过连接盖板的中点。完全就位后拆除定位条及定位盖板。

2.2 开动试验室，以0.2～0.5kN/s的速度加载，此时两混凝土试块有绕刀口托板凸起接触线枢转的趋势，加固材料阻止其转动，加固材料与混凝土基材间由此产生粘结剪切力。

2.3 继续加载直至加固材料与混凝土基材产生粘结剪切破坏，由于粘结剪切破坏的极限剪应变小，故试验过程中混凝土试块绕刀口托板V形凸起接触线枢转极小，加固材料始终处于轴线拉伸状态，结构胶始终处于剪切状态，两者受力方向均与加载设备压力方向平行。记录破坏时的极限压力值N，量测剪切破坏面的实际长度l和宽度b，则结构胶粘结加固材料与基材的抗剪粘结强度

Figure 2012104939575100002DEST_PATH_IMAGE005

。

2.4 每组做若干试样，分别测试其抗剪粘结强度，然后根据平均值、标准差等参数评价加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度。

Claims

1.一种加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试装置，其特征是它包括设置在上混凝土试块外缘的上挂架以及下混凝土试块外缘的下挂架，上挂架底面中间位置设置V形凸起，下挂架顶面中间位置设置V形凹槽与上挂架的V形凸起配合， V形凸起在凹槽内绕接触线枢转一定角度。

2.根据权利要求1所述的加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试装置，其特征是所述上挂架包括位于混凝土试块上方的阳角盖板和位于混凝土试块下方的刀口托板，阳角盖板和刀口托板通过至少一条上连接条连接在一起，在刀口托板底面设置V形凸起；所述下挂架包括位于上部的刀槽盖板和位于下部的阳角托板，刀槽盖板和阳角托板通过至少一条下连接条连接在一起；在刀槽盖板顶面设置V形凹槽，V形凸起和阳角盖板平行布置。

3.根据权利要求2所述的加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试装置，其特征是上连接条为两条且均匀分布在阳角盖板和刀口托板的与V形凹槽平行的侧面上；下连接条为两条且均匀分布在刀槽盖板和阳角托板的与V形凹槽平行的侧面上。

4.根据权利要求2所述的加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试装置，其特征是在混凝土试块上位于阳角盖板和阳角托板对侧分别设置定位盖板。

5.根据权利要求4所述的加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试装置，其特征是上挂架和下挂架四角设置四根定位条，定位条上设置四个定位孔，穿过定位孔的螺栓分别旋入阳角盖板，刀口托板，刀槽盖板和阳角托板上对应设置的螺纹孔中将阳角盖板，刀口托板，刀槽盖板，阳角托板和定位盖板整体地固定在一起。

6.根据权利要求5所述的加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试装置，其特征是连接条及定位条的螺栓孔均为长条形。

7.根据权利要求1所述的加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试装置，其特征是V形凸起的高度为10mm，角度为80°～90°；V形凹槽凹进的深度为3mm，角度为110°～120°。

8.一种加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试方法，其特征是：在两个混凝土试块上设置如权利要求1所述的上挂架和下挂架；将上挂架放置到下挂架上使V形凸起放置在V形凹槽中，并使用定位盖板、定位条将上挂架和下挂架临时固定；采用结构胶将加固材料粘贴到试块侧面，加固材料在两试块的粘贴面积相等，待结构胶完全固化并在常温下养护一周后，拆除全部定位盖板和全部定位条，利用压力机或其它加荷设备产生的压力施加在阳角盖板和阳角托板上，使混凝土试块有绕V形凸起接触线枢转的趋势，加固材料阻止其枢转，从而在加固材料与混凝土基材之间产生剪切粘结力；当结构胶的剪切粘结力达到极限值并最终破坏时，即可通过极限压力和破坏的粘结面积计算出抗剪粘结强度。

9.根据权利要求8所述的加固材料与混凝土间结构胶抗剪粘结强度测试方法，其特征是 V形凸起位于混凝土试块底面中部的下方，剪切粘结力与加荷设备的压力大小相等。