CN1818611A

CN1818611A - 测量粘结材料剪切性能的方法及其试验装置

Info

Publication number: CN1818611A
Application number: CN 200610018601
Authority: CN
Inventors: 吴少鹏; 磨炼同; 刘刚; 叶群山; 邱健; 李波; 曹庭维
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE; Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2006-03-21
Filing date: 2006-03-21
Publication date: 2006-08-16

Abstract

本发明涉及测量粘结材料剪切性能的方法及其试验装置。即：在外力的作用下，由试验样品模拟实际受力来表征粘结材料性能，样品由呈凸字型组合的三个长方块组成，中间的略高于两侧的方块，方块间由粘结材料来粘结，中间长方块的受力是垂直主应力，两侧方块的受力是侧向应力。试验装置设有底座(1)，其由厚钢板组成试验平台，底部焊接有两个平行支条(4)，钢板两边有两道空槽(5)，支持杆(2)可在槽内调节距离；设有高度可调的加力装置(3)，由长支杆(6)、弹簧(7)和挡板(8)组成。本发明所设计的样品结构与试验装置，结构合理，操作简单，可很好的模拟粘结材料的实际受力状况，为评价材料的粘结性能提供很好的科学依据。

Description

测量粘结材料剪切性能的方法及其试验装置

技术领域

本发明涉及粘结材料领域，特别是涉及测量包括粘结材料的剪切强度与疲劳强度来表征粘结材料性能的方法及其试验装置。

背景技术

粘结材料一般可包括涂料，胶结料和粘结剂等。常用的粘结材料有沥青及其胶浆，水泥及其胶浆，防水涂料和环氧粘结剂等。粘结在工程实践中是经常遇到的实际问题，粘结材料和被粘结材料能否共同工作，主要取决于二者的界面粘结性能。粘结好后，如何评价粘结材料和被粘结材料的粘结性能是一个难题。目前国内粘结性能测试的试验方法有多种，常见的有拉伸试验，剪切试验，弯曲强度试验，拉拔试验，斜剪试验等。由于粘结层应力状态依结构形式及使用情况不同发生极大变化，因此没有一种试验方法能包容反应实际使用结构粘结处复杂多变的应力状态。但是，一种试验方法应该完全包括一种典型的应力状态，同时能敏感的反映粘结强度的变化。粘结强度是粘结材料的一个重要参数，其通常受到不利的剪切力的作用，当粘结层承受的总剪力大于材料所能够承受的抗剪强度时就会产生裂缝而粘结失效，所以，粘结层的抗剪切能力是其一项重要的技术指标。此外当粘结层受到反复的抗剪荷载作用时，其疲劳性能更是材料设计所必须达到的技术要求。目前对粘结层的效果测试多采用剪切强度试验。在做试验时，粘结层的界面摩擦阻力对试验结果有很大的影响，而摩擦阻力则与界面所受到的法向约束力成正比，如图1所示。因此，许多试验要求在试验过程中，应该实现法向约束力的加载。此时，粘结层的剪切强度由粘结材料的自身的剪切强度与界面的摩擦阻力来提供的。

在许多工程建设中，如沥青路面，桥面铺装，旧路面加铺及水泥混凝土增强等均是通过不同的层状结构组合起来的，因此层与层之间的粘结起着关键的作用。例如，沥青路面结构一般由基层和2至3层的沥青面层组合而成。在实际受力时，车辆的自重通过车轮给路面施加一个压应力，同时车轮与路面的摩擦将给沥青路面的层间粘结产生剪切力的作用。类似问题常存在于众多粘结层结构中。研究发现法向约束力对粘结层的剪切强度和疲劳性能影响很大，随着法向约束力增大，剪切强度亦增大，如图2。当法向约束力很小时，剪切强度主要由粘结材料的性能决定；而当法向约束力很大时，界面内的摩擦阻力起决定作用。因此，结合实际使用结构粘结处复杂多变的应力状态，如加载速率、约束力等来正确评价其粘结性能是具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：通过试验样品结构及试验装置的合理设计，提供一种测量粘结材料性能的方法及其试验装置，其通过试验样品模拟实际受力状况，为正确评价工程建设所用材料的粘结性能提供科学依据。

本发明解决其技术问题采用如下的技术方案：

本发明提供的测量粘结材料剪切性能的方法是：在外力的作用下，由试验样品模拟实际受力状态时的剪切强度或疲劳性能来表征粘结材料性能，试验样品由呈凸字型组合的三个长方块组成，中间的长方块略高于两侧方块，方块间由粘结材料来粘结；试验样品的受力由垂直主应力和两个侧向应力构成，中间长方块的受力是垂直主应力，两侧方块的受力是侧向应力。

本发明提供的测量材料粘结性能的试验装置，其结构是：主要由底座、支持杆和加力装置构成；底座由厚钢板组成试验平台，其底部焊接有两个平行支条，钢板两边有两道空槽，支持杆可在槽内调节距离；加力装置由长支杆、弹簧和挡板组成，该装置通过固定套筒螺丝固定在支持杆上且高度可调。

本发明与现有技术相比具有如下主要的有益效果：

试验样品结构采用凸字型组合，使粘结层达到合理的力学平衡，消除扭曲应力，增加受力稳定性；垂直主应力采用一般的材料力学实验仪即可自动控制的压应力，加载方式和速率可按要求设定，同时增加可调节的侧向应力，更好的模拟粘结材料的实际受力环境，满足不同的加载方式，速率和约束力下材料的粘结性能的测试要求。

附图说明

图1显示了剪切试验的受力示意图。

图2显示了剪切强度与约束力的关系。

图3显示了试验样品及受力的示意图。

图4显示了实验装置设计的主视图。

图5显示了实验装置设计的左视图。

图6显示了实验装置设计的俯视图。

具体实施方式

本发明涉及测量包括粘结材料的剪切强度与疲劳强度来表征粘结材料性能的方法及其试验装置，其核心为试验样品的结构设计及与试验样品的结构相匹配的试验装置的设计。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

一.测量粘结材料剪切性能的方法

如图3所示：在外力的作用下，由试验样品模拟实际受力状态时的剪切强度或疲劳性能来表征粘结材料性能，试验样品由呈凸字型组合的三个长方块组成，中间的长方块略高于两侧方块，方块间由粘结材料来粘结；试验样品的受力由垂直主应力和两个侧向应力构成，中间长方块的受力是垂直主应力，两侧方块的受力是侧向应力。

一般地，粘结材料都是在特定的环境下使用的，即材料的受力，如加载方式及速率，约束力是可知的，通过不同加载速率(应力/应变)和侧向应力下的材料的剪切强度和疲劳关系，才能确定材料的能否满足实际要求。本发明的核心是结合加载方式，速率和约束条件来检验粘结性能：中间长方块的受力加载方式和速率可由材料力学试验仪自动控制，垂直主应力包括静态力、线性力或动态力，加载方式为应力控制模式或应变控制模式；而两侧方块的受力约束条件可由与试验样品的结构相匹配的试验装置进行控制，从而合理的模拟粘结层的复杂的应力状态，所获得的剪切强度与疲劳性能更真实，合理的反映实际情况。

如图3所示：方块间由粘结材料(涂料，胶结料或粘结剂)，如沥青及其胶浆、水泥及其胶浆、涂料和粘结剂来粘结。

上述试验样品可采用下述方法制备，包括：

a.将普通沥青和改性沥青加热至液态，分别均匀涂在三个同尺寸的长方块试件的工作面上，适当施加一定的应力，确保方块间良好的粘结；沥青胶浆则是在液态沥青中加入矿粉或纤维搅拌后制成；乳化沥青可直接涂在长方块试件的工作面上，粘结后适当养生，使乳化沥青完全破乳。

b.按所需水灰比，将水泥与水拌和均匀制成水泥浆体，或另加入细砂、外加剂组成的水泥砂浆，将上述浆体涂于长方块试件的工作面上并按水泥混凝土的要求进行养生。

c.涂料和粘结剂直接涂在长方块试件的工作面上，粘结后按材料的具体要求适当养生。

本试验样品采用的原材料：可采用重交沥青AH-70，SBS改性沥青和乳化沥青；可采用425水泥，细砂和外加剂；涂料可采用阳离子氯丁胶桥面防水涂料；粘结剂可采用环氧树脂。沥青与石料的粘结性能见表1，其工艺条件是：应变加载方式，试验温度为25℃，沥青用量为0.8kg/m²，石料为石灰岩。防水涂料与水泥混凝土的粘结性能见表2，其工艺条件是：应变加载方式，加载速率5mm/min，试验温度为25℃。环氧粘结剂与钢板的粘结性能见表3，其工艺条件是：应力加载方式，加载速率为1kPa/s，试验温度为25℃。新旧水泥混凝土的界面粘结性能见表4，其工艺条件是：正弦波形动态应力加载方式，加载频率为50Hz。

二.测量材料粘结性能的试验装置

其结构如图4所示：主要由底座1、支持杆2和加力装置3构成。底座由厚钢板组成试验平台，其底部焊接有两个平行支条4，钢板两边有两道空槽5，支持杆可在槽内调节距离。加力装置由长支杆6、弹簧7和挡板8组成，该装置通过固定套筒螺丝9固定在支持杆2上且高度可调。

如图5所示：加力装置3对试验样品施加侧向应力是由试验装置上的弹簧7施加压力于两侧的长方块，可通过改变弹簧的形变和弹性系数来调节施加压力，其范围为0～5Mpa，或根据实际情况而定。以满足试验样品模拟实际的复杂受力状况。

当垂直主应力为应力控制模式的线性力时，即所施加的主应力的大小与加载时间成正比，当施加的力达到极限值时，将发生粘结失效，试件的中间方块将脱落，该力为材料在该应力加载速率下的粘结剪切强度；当垂直主应力为应变控制模式的线性应变时，即所施加的应变的大小则与加载时间成正比，当施加的应变达到极限值时，将发生粘结失效，则该所加的最大应力为材料在该应变加载速率下的粘结剪切强度。

此外，与剪切强度实验相似，通过对垂直主应力加载动态荷载(应力或应变模式)。当粘结材料达到极限疲劳时将产生粘结失效，此时可用循环次数或加载时间来表征材料的疲劳性能；若加载静态的垂直主应力，则可通过粘结材料达到极限疲劳破坏所需时间来表征材料的疲劳性能。

三.附表

表1 沥青与石料的粘结性能

加载速率(mm/min)		1	3	5	7	9
加载速率(mm/min)		1	3	5	7	9	剪切强度(kPa)	乳化沥青	2.1	8.9	14.3	20.2	29.8
重交沥青	4.2	22.0	33.4	39.1	49.6			乳化沥青	2.1	8.9	14.3	20.2	29.8
重交沥青	4.2	22.0	33.4	39.1	49.6	改性沥青		9.3	30.3	45.6	53.9	60.0

表2 防水涂料与水泥混凝土的粘结性能

侧向应力(kPa)	110	220	330	440
侧向应力(kPa)	110	220	330	440	剪切强度(kPa)	375	480	573	669

表3 环氧粘结剂与钢板的粘结性能

温度(℃)	0	25	60
温度(℃)	0	25	60	剪切强度(kPa)	3.51	0.77	0.21

表4 新旧水泥混凝土的界面粘结性能

剪切应力(MPa)	1.0	2.0	3.0
剪切应力(MPa)	1.0	2.0	3.0	疲劳寿命(10⁵)	21.3	8.2	2.4

Claims

1.一种测量粘结材料剪切性能的方法，其特征是在外力的作用下，由试验样品模拟实际受力状态时的剪切强度或疲劳性能来表征粘结材料性能，试验样品由呈凸字型组合的三个长方块组成，中间的长方块略高于两侧方块，方块间由粘结材料来粘结；试验样品的受力由垂直主应力和两个侧向应力构成，中间长方块的受力是垂直主应力，两侧方块的受力是侧向应力。

2.根据权利要求1所述的测量粘结材料剪切性能的方法，其特征在于：中间长方块的受力加载方式和速率由材料力学试验仪自动控制，两侧方块的受力约束条件由与试验样品的结构相匹配的试验装置进行控制。

3.根据权利要求1所述的测量粘结材料剪切性能的方法，其特征在于粘结材料采用涂料、胶结料或粘结剂。

4.根据权利要求3所述的测量粘结材料剪切性能的方法，其特征在于粘结材料采用沥青及其胶浆、水泥及其胶浆或涂料和粘结剂。

5.根据权利要求1或2所述的测量粘结材料剪切性能的方法，其特征在于试验样品的制备方法包括：

a.将普通沥青和改性沥青加热至液态，分别均匀涂在三个同尺寸的长方块试件的工作面上，适当施加一定的应力，确保方块间良好的粘结；沥青胶浆则是在液态沥青中加入矿粉或纤维搅拌后制成；乳化沥青可直接涂在长方块试件的工作面上，粘结后适当养生，使乳化沥青完全破乳，

b.按所需水灰比，将水泥与水拌和均匀制成水泥浆体，或另加入细砂、外加剂组成的水泥砂浆，将上述浆体涂于长方块试件的工作面上并按水泥混凝土的要求进行养生，

6.根据权利要求1所述的测量粘结材料剪切性能的方法，其特征在于：垂直主应力包括静态力、线性力或动态力，加载方式为应力控制模式或应变控制模式。

7.一种测量材料粘结剪切性能的试验装置，其特征在于主要由底座(1)、支持杆(2)和加力装置(3)构成；底座由厚钢板组成试验平台，其底部焊接有两个平行支条(4)，钢板两边有两道空槽(5)，支持杆可在槽内调节距离；加力装置由长支杆(6)、弹簧(7)和挡板(8)组成，该装置通过固定套筒螺丝(9)固定在支持杆(2)上且高度可调。

8.根据权利要求7所述的试验装置，其特征在于：加力装置(3)对试验样品施加侧向应力的大小为0～5MPa。