CN106680110B - 一种水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置，包括加固的旧混凝土与水泥基复合材料加固层试样、底座、固定机构、加载机构、支撑螺杆；固定机构包括可移动前挡板和定位后挡板，二者通过连接螺杆连接并将旧混凝土部分固定于底座上；加载机构包括升降式滑轨、轨道式滑框、受拉钢索及定滑轮；轨道式滑框底面与水泥基复合材料加固层结合面齐平，升降式滑轨可自由升降的固定在支撑螺杆上，轨道式滑框可滑动的固定在升降式滑轨上，定滑轮固定于升降式滑轨一端并通过受拉钢索与轨道式滑框连成一体。该装置简单、易操作，且便于组装和测试，基于该装置的试验方法能有效测定水泥基复合材料加固混凝土结构的界面粘结性能。

Description

一种水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置及方法

技术领域

本发明属于建筑用试验设备技术领域，具体涉及一种水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置及方法。

背景技术

已有建筑结构受环境和荷载长期作用后易受损、劣化，对其进行加固修复可有效保障原结构的安全性和使用功能。采用高性能水泥基复合材料(如纤维网、钢筋网增强水泥基复合材料)对混凝土结构进行加固是目前加固工程领域广泛关注的一种新型加固方法，该方法中加固层通常为薄层结构，这有利于维持原结构截面尺寸且不增加自重。

与传统的采用胶黏剂粘贴FRP和钢板加固方法相比，水泥基复合材料与原结构基材间有更好的相容性，弥补了普通粘贴加固方法不宜用于潮湿、高温等复杂环境的缺陷。混凝土加固工程中，加固层材料与原混凝土结合面处必须具有足够的粘结强度才能保证二者协同受力变形，否则新旧材料在受力过程中可能会出现脱粘、滑移及变形不协调等，进而导致加固失效。新旧材料间的粘结强度通常采用界面抗剪强度试验进行测定，传统的界面抗剪强度试验是将两个分别由新旧混凝土构成的“L”字型试件正反叠合浇筑成“Z”字型试件，再在试件上下表面施加压力使新旧混凝土在结合面处产生错动、形成剪应力，根据试件结合面面积A和破坏时的极限压力F确定界面抗剪强度(τ＝F/A)。尽管采用上述方法测定界面抗剪强度比较简单，但该方法重在强调两种不同材料结合面的粘结情况，未直接考虑实际加固层的真实受力情况、不同的粘结破坏形态以及加固层中增强材料(纤维网或钢筋网)和厚度等因素对界面粘结性能的影响，而这对于高性能水泥基复合材料加固混凝土结构技术的有效应用尤为重要。尽管目前已有部分研究者通过在压力试验机上配置简易的“凹形”或“凸形”底座，让竖向压力作用下两侧粘贴水泥基复合材料的混凝土加固试件在凹形或凸形底座内外形成错动，完成加固层和旧混凝土间的双面剪切试验，但该试验结果受被加固试件浇筑时的尺寸精度控制、两侧加固层的施工质量、两侧结合面的处理情况及加载偏心等的影响很大，试验中极易因两侧加固层受力不均匀出现单侧加固层首先脱粘或破坏的现象，从而无法准确测定加固层和旧混凝土二者的界面抗剪强度。

因此，针对水泥基薄板加固层与原混凝土界面之间的粘结性能试验，需要采用专门的剪切试验装置进行界面抗剪强度测试，但目前此类试验装置还尚未见报道。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种结构简单、操作方便、测试准确度更高的适用于水泥基薄板加固层与旧混凝土界面粘结性能测试的剪切试验装置和方法。

为实现上述目的之一提供一种水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置，本发明采用了以下技术方案：

一种水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置，包括加固的旧混凝土与水泥基复合材料加固层试样、底座、固定机构、加载机构、固定于底座的四角位置以支撑加载机构的支撑螺杆；

所述固定机构包括可移动前挡板和定位后挡板，二者通过连接螺杆连接并将旧混凝土部分固定于底座上；

所述加载机构包括升降式滑轨、轨道式滑框、受拉钢索及定滑轮；所述轨道式滑框底面与水泥基复合材料加固层结合面齐平，所述升降式滑轨可自由升降的固定在支撑螺杆上，所述轨道式滑框可滑动的固定在升降式滑轨上，所述定滑轮固定于升降式滑轨一端并通过受拉钢索与轨道式滑框连成一体，从而通过受拉钢索和定滑轮将竖向荷载转化为水平拉力施加于轨道式滑框上，使水泥基复合材料加固层与旧混凝土沿二者粘结面即界面发生交错运动。

优选的，所述底座设为长方形钢板；所述定位后挡板焊接固定于底座上，所述可移动前挡板与底座构成前挡板在底座内可前后移动的工位配合。

进一步的，所述底座上设有多排均匀分布的倒“T”型内嵌式滑槽，所述可移动前挡板底部设有多个“工”字形板支，且“工”字形板支与倒“T”型内嵌式滑槽的数量相同，从而所述可移动前挡板与底座通过“工”字形板支与倒“T”型内嵌式滑槽实现前挡板和后挡板之间距离的调整。

优选的，所述底座上的可移动前挡板与定位后挡板通过连接螺杆在试样两侧连接，且通过调节连接螺杆对加固试件的旧混凝土部分进行夹紧、固定。

优选的，所述轨道式滑框通过两侧的卡槽与升降式滑轨连接；所述卡槽内嵌有在水平拉力作用下自由滚动的钢珠，使轨道式滑框滑框沿升降式滑轨自由滑动。

优选的，所述升降式滑轨表面设有刻度尺。

本发明的目的之二是提供一种上述水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置的试验方法，包括如下步骤：

S1、首先，将采用水泥基复合材料加固层加固的混凝土试件放置于底座上，将加固侧朝上并让试件一端紧贴定位后挡板，根据试件尺寸调整可移动前挡板与定位后挡板的距离，再通过连接螺杆将前、后挡板连接并固定牢靠，以充分固定加固试件的旧混凝土部分；

S2、然后，通过支撑螺杆调整加载机构的高度，保证轨道式滑框的下边缘与水泥基板加固层即水泥基复合材料加固层的界面齐平，使水泥基复合材料加固层与旧混凝土在水平拉力作用下可沿二者的结合面发生水平错动，形成有效界面剪应力；再通过对受拉钢索施加竖向荷载，并通过定滑轮将竖向荷载转化为水平拉力施加于轨道式滑框上，滑框带动水泥基板加固层在升降式滑轨上自由滑动，直至加固层破坏或与旧混凝土间脱粘，停止加载；

S3、通过外加力传感器和位移计同步测量施加的荷载和试件加载端相应的滑移量，或利用滑轨上刻度尺适时记录施加荷载所对应的位移量，最后绘制界面剪应力-滑移全曲线。

本发明的有益效果在于：

1)、现有界面剪切试验装置大多适用于混凝土加固层采用较厚的块体材料，重在测试两种材料结合面处的粘结情况，未考虑加固层材料厚度、自身特性等对界面粘结性能的影响，因而不能准确反映实际加固层与旧混凝土界面间的真实受力情况，尤其是当混凝土加固层采用纤维增强高性能水泥基复合材料时。本发明的界面剪切试验装置可有效测试高性能水泥基薄板与原混凝土结构间的界面粘结性能，可直接针对水泥基薄板加固层与旧混凝土界面间的粘结情况进行试验，能全面反映复合材料的截面尺寸、配筋率(或配网率)及强度等因素对界面粘结性能的影响，同时该试验装置也适用于混凝土加固层采用块体材料的新旧材料界面粘结性能试验。

2)、目前针对水泥基薄板加固层与旧混凝土间的界面粘结性能的测定主要采用是双面剪切试验方法，该方法是通过在旧混凝土试件两侧粘贴复合材料薄板加固层，再配以专门的凹形或凸形加载支座施加竖向压力完成加固层与旧混凝土间的界面剪切试验；但双面剪切试验结果受旧混凝土浇筑时的尺寸精度控制、两侧加固层的施工、两侧结合面的处理情况及加载偏心等的影响很大，试验中极易因两侧加固层受力不均匀出现单侧加固层先脱粘或破坏的现象，从而无法有效测定加固层和旧混凝土二者间的实际界面抗剪强度。本发明的界面剪切试验装置采用的是单面剪切试验方法，且加载装置可沿支撑螺杆调整高度，排除了双面剪切试验过程的不定因素对试验结果的影响，可有效测定水泥基复合材料加固层与旧混凝土间的界面粘结性能。

3)、本发明的试验装置简单，各装置间连接可靠、合理，安装、测试简便；其中固定机构在底座范围内可对不同尺寸的加固试件进行固定；加载机构可在支撑螺杆高度范围内自由升降，即试验不受加固试件浇筑和施工等导致的尺寸误差影响，能确保在水平力作用下水泥基薄板加固层与旧混凝土结合面处能形成有效界面剪应力；此外，加载滑框与轨道间设有自由滚动的钢珠，能有效减小二者间的摩擦力，使得所测结果准确、可靠，保障本发明应用的稳定可靠性。

4)、综上所述，本发明装置简单、易操作，且便于组装和测试，基于该装置的试验方法能有效测定水泥基复合材料加固混凝土结构的界面粘结性能，为加固工程中混凝土粘结面处理及新型复合材料的加固应用提供更为可靠的技术支持。

附图说明

图1为本发明水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置的示意图。

图2为图1的主视图。

图3为图1的俯视图。

图4为图1的左视图。

图5为图1的右视图。

图6为本发明中可移动前挡板的示意图。

图7为本发明轨道式滑框的内部结构示意图。

图8为升降式滑轨(带刻度尺)的部分结构示意图。

图中标注符号的含义如下：

1.底座；2.定位后挡板；3.可移动前挡板；4.连接螺杆；5.旧混凝土；6.水泥基复合材料加固层；7.支撑螺杆；8.升降式滑轨；9.轨道式滑框；10.受拉钢索；11.定滑轮；12.钢珠；13.卡槽；14.刻度尺。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

应当说明的是，为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。本文中可移动前挡板、定位后挡板的“前”、“后”并非对挡板方位进行限定，也可以相应的表示为可移动后挡板、定位前挡板；即此处的“前”、“后”仅为了区分两个不同的挡板，并不构成对挡板的限定。

一种水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置。

如图1至5所示，包括加固的旧混凝土5与水泥基复合材料加固层6试样、底座1、固定机构、加载机构、锚固于底座1的四角位置以支撑加载机构的支撑螺杆7；

所述固定机构包括可移动前挡板3和定位后挡板2，二者通过连接螺杆4连接并将旧混凝土5部分固定于底座1上；

所述加载机构包括升降式滑轨8、轨道式滑框9、受拉钢索10及定滑轮11；所述轨道式滑框9底面与水泥基复合材料加固层6结合面齐平，所述升降式滑轨8可自由升降的固定在支撑螺杆7上，所述轨道式滑框9可滑动的固定在升降式滑轨8上，所述定滑轮11固定于升降式滑轨8一端并通过受拉钢索10与轨道式滑框9连成一体，从而通过受拉钢索10和定滑轮11将竖向荷载转化为水平拉力施加于轨道式滑框9上，使水泥基复合材料加固层6与旧混凝土5沿二者粘结面即界面发生交错运动。

其中，所述底座1设为长方形厚钢板；所述定位后挡板2焊接固定于底座1上，所述可移动前挡板3与底座1构成前挡板在底座1内可前后移动的工位配合。

结合图6所示，所述底座1上设有多排均匀分布的倒“T”型内嵌式滑槽，所述可移动前挡板3底部设有多个“工”字形板支，且“工”字形板支与倒“T”型内嵌式滑槽的数量相同，从而所述可移动前挡板3与底座通过“工”字形板支与倒“T”型内嵌式滑槽实现前挡板和后挡板之间距离的调整。

所述底座1上的可移动前挡板3与定位后挡板2通过连接螺杆4在试样两侧连接，且通过调节连接螺杆4对加固试件的旧混凝土5部分进行夹紧、固定。

结合图7所示，所述轨道式滑框9通过两侧的卡槽13与升降式滑轨8连接；所述卡槽13内嵌有在水平拉力作用下自由滚动的钢珠12，使轨道式滑框9滑框沿升降式滑轨8自由滑动。

如图8所示，所述升降式滑轨8表面设有刻度尺14。

一种水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置的试验方法。

包括如下步骤：

在实际应用时，可将装置的底座1固定于试验台上操作。

首先，将采用水泥基复合材料加固层单面加固的混凝土试件放置于底座1上，将加固侧朝上并让试件一端紧贴定位后挡板2，根据试件尺寸调整可移动前挡板3与定位后挡板2的距离，再通过连接螺杆4将前、后挡板连接并固定牢靠，以充分固定加固试件的旧混凝土5部分；

然后，通过支撑螺杆7上的螺母调整整个加载机构的高度，保证升降式滑轨8的两侧轨道在同一水平位置，且轨道式滑框9的下边缘与水泥基薄板加固层的界面齐平，使水泥基薄板加固层与旧混凝土5在水平拉力作用下可沿二者的结合面发生水平错动，形成有效界面剪应力；再通过竖向加载设备如电机或加载砝码在加载端对受拉钢索10施加竖向荷载，并通过定滑轮11将竖向荷载转化为水平拉力施加于轨道式滑框9上，滑框带动水泥基薄板加固层在升降式滑轨8上自由滑动，直至加固层破坏或与旧混凝土间脱粘，停止加载。

上述试验过程中，施加的荷载和试件加载端相应的滑移量可外加力传感器和位移计同步测量，也可利用滑轨上刻度尺14适时记录施加荷载所对应的位移量，最后绘制界面剪应力-滑移全曲线，并对结果进行分析。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置，包括加固的旧混凝土(5)与水泥基复合材料加固层(6)试样，其特征在于：还包括底座(1)、固定机构、加载机构、固定于底座(1)的四角位置以支撑加载机构的支撑螺杆(7)；

所述固定机构包括可移动前挡板(3)和定位后挡板(2)，二者通过连接螺杆(4)连接并将旧混凝土(5)部分固定于底座(1)上；

所述加载机构包括升降式滑轨(8)、轨道式滑框(9)、受拉钢索(10)及定滑轮(11)；所述轨道式滑框(9)底面与水泥基复合材料加固层(6)结合面齐平，所述升降式滑轨(8)可自由升降的固定在支撑螺杆(7)上，所述轨道式滑框(9)可滑动的固定在升降式滑轨(8)上，所述定滑轮(11)固定于升降式滑轨(8)一端并通过受拉钢索(10)与轨道式滑框(9)连成一体，从而通过受拉钢索(10)和定滑轮(11)将竖向荷载转化为水平拉力施加于轨道式滑框(9)上，使水泥基复合材料加固层(6)与旧混凝土(5)沿二者粘结面发生交错运动。

2.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置，其特征在于：所述底座(1)设为长方形钢板；所述定位后挡板(2)焊接固定于底座(1)上，所述可移动前挡板(3)与底座(1)构成前挡板在底座(1)内可前后移动的工位配合。

3.根据权利要求2所述的一种水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置，其特征在于：所述底座(1)上设有多排均匀分布的倒“T”型内嵌式滑槽，所述可移动前挡板(3)底部设有多个“工”字形板支，且“工”字形板支与倒“T”型内嵌式滑槽的数量相同，从而所述可移动前挡板(3)与底座通过“工”字形板支与倒“T”型内嵌式滑槽实现前挡板和后挡板之间距离的调整。

4.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置，其特征在于：所述底座(1)上的可移动前挡板(3)与定位后挡板(2)通过连接螺杆(4)在试样两侧连接，且通过调节连接螺杆(4)对加固试件的旧混凝土(5)部分进行夹紧、固定。

5.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置，其特征在于：所述轨道式滑框(9)通过两侧的卡槽(13)与升降式滑轨(8)连接；所述卡槽(13)内嵌有在水平拉力作用下自由滚动的钢珠(12)，使轨道式滑框(9)滑框沿升降式滑轨(8)自由滑动。

6.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置，其特征在于：所述升降式滑轨(8)表面设有刻度尺(14)。

7.一种如权利要求1至6任一项所述水泥基复合材料加固混凝土界面剪切试验装置的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、首先，将采用水泥基复合材料加固层(6)加固的混凝土试件放置于底座(1)上，将加固侧朝上并让试件一端紧贴定位后挡板(2)，根据试件尺寸调整可移动前挡板(3)与定位后挡板(2)的距离，再通过连接螺杆(4)将前、后挡板连接并固定牢靠，以充分固定加固试件的旧混凝土(5)部分；

S2、然后，通过支撑螺杆(7)调整加载机构的高度，保证轨道式滑框(9)的下边缘与水泥基板加固层的界面齐平，使水泥基复合材料加固层(6)与旧混凝土(5)在水平拉力作用下可沿二者的结合面发生水平错动，形成有效界面剪应力；再通过对受拉钢索(10)施加竖向荷载，并通过定滑轮(11)将竖向荷载转化为水平拉力施加于轨道式滑框(9)上，滑框带动水泥基板加固层在升降式滑轨(8)上自由滑动，直至加固层破坏或与旧混凝土间脱粘，停止加载；

S3、通过外加力传感器和位移计同步测量施加的荷载和试件加载端相应的滑移量，或利用滑轨上刻度尺(14)适时记录施加荷载所对应的位移量，最后绘制界面剪应力-滑移全曲线。

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