采用高性能水泥基黏结剂的钢-UHPC组合板界面剪切性能试验研究.pdf
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1、第40 卷第5期2023年9 月引用本文:胡文旭,李聪,陈宝春.采用高性能水泥基黏结剂的钢-UHPC组合板界面剪切性能试验研究J.建筑科学与工程学报,2 0 2 3,40(5):60-68.HU Wenxu,LICong,CHEN Baochun.Experimental study on interface shear performance of steel-UHPC composite plate using high perform-ance cement-based adhesiveJJ.Journal of Architecture and Civil Engineering,20
2、23,40(5):60-68.D01:10.19815/j.jace.2022.01060采用高性能水泥基黏结剂的钢-UHPC组合板界面剪切性能试验研究建筑科学与工程学报Journal of Architecture and Civil EngineeringVol.40No.5Sept.2023胡文旭,李聪2 3,陈宝春1.2(1.福州大学土木工程学院,福建福州350 10 8;2.福建理工大学土木工程学院,福建福州350 118;3.广西大学土木建筑工程学院,广西南宁530 0 0 4)摘要:为探究高性能水泥基黏结剂(HPCA)作为钢-UHPC组合板黏结剂的可能性,以黏结剂种类、龄期、温度
3、和黏结面积作为参数,开展了2 4个水泥基黏结剂连接的钢-UHPC组合板的界面抗剪试验,分析各参数对黏结界面的破坏模式、抗剪黏结强度的影响规律。结果表明:在常温条件下,采用高性能水泥基黏结剂的试件主要发生黏结层内聚破坏(B类破坏,采用普通水泥基黏结剂(NCA)的试件发生黏结层和UHPC板界面脱粘破坏(C类破坏),NCA的抗剪黏结强度仅为HPCA的47.9%;在高温条件下,HPCA的抗剪黏结强度降幅为40%6 0%,但仍超过1.0 MPa;龄期对抗剪黏结强度影响较大,当龄期从7 d增加至2 8 d和9 0 d时,HPCA的抗剪黏结强度分别提高了29.2%和38.1%,且相应的材料抗折强度分别提高了
4、32.8%和35.2%,二者提高幅度相当,说明抗剪黏结强度与材料抗折强度有较强的相关性;抗剪黏结强度受黏结面积的影响较小,当黏结面积从10 0 cm减小至7 5cm和50 cm时,抗剪黏结强度分别增高了3.1%和8.4%。关键词:钢-UHPC组合板;高性能水泥基黏结剂;高温;龄期;抗剪黏结强度中图分类号:TU582Experimental study on interface shear performance of steel-UHPCcomposite plate using high performance cement-based adhesive(1.College of Civil
5、 Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108,Fujian,China;2.School of CivilEngineering,Fujian University of Technology,Fuzhou 350118,Fujian,China;3.School of CivilEngineering and Architecture,Guangxi University,Nanning 530004,Guangxi,China)Abstract:In order to explore the possibility of using high p
6、erformance cement-based adhesive(HPCA)as a adhesive for steel-UHPC composite plates,the type,age,temperature,andbonding area of the adhesive were used as parameters.24 interface shear tests were conducted onsteel-UHPC composite plates connected with cement-based adhesives to analyze the influence of
7、收稿日期:2 0 2 2-0 1-15基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 18 YFC0705400);中国博士后站中特别资助项目(2 0 2 3T160138);广西大学高层次人才资助项目(A3030051017,A 30 30 0 510 2 6);广西青年自然科学基金项目(2 0 2 1GXNSFBA220006)作者简介:胡文旭(19 9 7-),男,工学博士研究生,E-mail:10 56 7 6 8 9 8 3q q.c o m。通信作者:李聪(19 9 0-),男,工学博士,教授,E-mail:c o n g l i g x u.e d u.c n。文献标志码:AHU Wen
8、xu,LI Cong3,CHEN Baochunl-?文章编号:16 7 3-2 0 49(2 0 2 3)0 5-0 0 6 0-0 9第5期various parameters on the failure mode and shear bond strength of the bonding interface.Theresults show that under normal temperature conditions,specimens using high performancecement-based adhesives mainly exhibit cohesive fail
9、ure of the bonding layer(type B failure).Theinterface debonding failure between the bonding layer and UHPC plate occurs in the specimensusing ordinary cement-based adhesive(NCA)(type C failure),and the shear bond strength ofNCA is only 47.9%of that of HPCA.Under high temperature conditions,the shear
10、 bondstrength of HPCA decreases by 40%-60%,but still exceeds 1.0 MPa.Age has a significantimpact on the shear bond strength.When the age increases from 7 d to 28 d and 90 d,the shearbond strength of HPCA increases by 29.2%and 38.1%,respectively,and the correspondingmaterials flexural strength increa
11、ses by 32.8%and 35.2%,respectively,with similar increasesin magnitude.There is a strong correlation between shear bond strength and material bendingstrength.The shear bond strength is less affected by the bonding area.When the bonding areadecreases from 100 cm to 75 cm and 50 cm,the shear bond stren
12、gth increases by 3.1%and8.4%,respectively.Key words:steel-UHPC composite plate;high performance cement-based adhesive;high temper-ature;age;shear bond strength0引言钢-混凝土组合结构多采用栓钉作为柔性连接件,来实现两者的共同作用1。然而,它施工所需的人工费用高,受力性能受栓钉焊接残余应力、应力集中等影响2-3。用黏结剂连接,施工快捷、人工费用低,钢与混凝土之间传力连续,无焊接残余应力、应力集中等现象4-5。常用的黏结剂有环氧树脂胶和水泥
13、基黏结剂二大类。环氧树脂胶在固结后具有极好的黏结性能,已开展较多的抗剪推出试验6-9 ,试件破坏均为界面脱黏、脆性破坏,设计中需采用较大的安全储备。环氧树脂胶在一些装配式桥梁中已得到应用。例如,德国的Gartnerplatz人行桥10 1采用环氧树脂将超高性能混凝土(Ultra highperformance concrete,UHPC)预制板和钢连接成组合桁梁。另外,在钢桥面板中,已开展了采用预制UH-PC板通过环氧树脂胶黏结于钢桥面板的试设计、抗剪、拉抗受力性能等研究,为工程应用打下了基础E9-11。预制UHPC板间通常设置湿接缝(通过栓钉与钢板连接)来增强侧面连接性能,但是环氧树脂黏结强
14、度偏大,与湿接缝内栓钉组合抗剪时,存在两者的抗剪刚度和滑移变形不匹配的问题 。尽管水泥基黏结剂黏结强度低于环氧树脂胶,但用于混凝土结构黏结时,与混凝土材料性能相近,受力与变形协调较好12-13。法国 Ilzach桥14 在对钢桥面铺装翻修时,采用水泥基黏结剂与栓钉作为组合连接件,将预制UHPC板与钢桥面板组合在一胡文旭,等:采用高性能水泥基黏结剂的钢-UHPC组合板界面剪切性能试验研究不平整,为此将黏结剂厚度控制在3mm。试验的主要参数有4个,即黏结剂种类、龄期、温度、黏结面积,每个参数各有2 个变化量,共有8个不同参数的试件(表1)。61起。由于其采用的是普通水泥基黏结剂(Normalcem
15、ent-based adhesive,NC A),黏结性能较差,仅作为垫平层,因此抗剪承载力主要由栓钉提供。为此,本文提出采用高性能水泥基黏结剂(High performance cement-based adhesive,HP-CA)与栓钉组合连接UHPC预制板与钢板的设想。HPCA是一种采用活性矿物掺合料改性的水泥基黏结剂,其制备原理与超高性能砂浆(Ultra-highperformance mortar,U H PM)15 和 UHPC 相似16-17 。为给HPCA的后续研究和将来的应用打下基础,本文对采用HPCA黏结的钢-UHPC组合板开展推出试验,试验参数为黏结剂种类、温度、黏结面
16、积以及龄期。通过试验,揭示各参数对黏结界面破坏形式、抗剪黏结强度的影响机理和规律,分析并建立抗剪黏结强度预测公式。1试验设计1.1 试件试件由表面喷砂处理过的Q345钢板、预制UHPC板以及黏结剂组成,如图1所示。钢板尺寸为110 mmX100mmX10 mm,预制UHPC板尺寸110mm100mm40mm。鉴于钢桥面的环氧防水层厚度一般为2 mm,且考虑到预制桥面板表面62UHPC黏结剂钢板(a)黏结面积10 0 cm图1试件详细尺寸(单位:mm)Fig.1Detail dimension of specimen(unit:mm)组号组别试件编号黏结剂种类龄期/d温度/黏结面积/cm破坏荷载
17、/kN黏结强度/MPa破坏模式平均黏结强度/MPa24.432.44A28-25-100HPCA黏结剂1种类*A28-25-100A7-25-1002龄期A90-25-100长期A90-70-100高温3短期A28-100-100高温A28-25-75黏结4面积A28-25-50注:“-表示该数值超过黏结强度中位数的土15%,舍去;破坏模式中A表示钢-黏结层间的界面脱黏破坏,B表示黏结层内聚破坏,C表示UHPC-黏结层间的界面脱黏破坏;试件编号按照“黏结剂种类(A表示HPCA,*A 表示NCA)-龄期-温度-黏结面积”顺序命名,以A28-25-100为例,表示黏结剂种类为HPCA,龄期为2 8
18、 d,环境温度为2 5,黏结面积为10 0 cm。在短时间内最高可升至8 9 19 7。本试验中的长期高温试件当试件自然养护至2 8 d以后,放人设置温度为7 0 的电热恒温鼓风干燥箱内,直到龄期达90d后进行试验加载。对于短期高温试件,养护后放人设置温度为10 0 的烘箱内,保温4h后进行加载。文献19 开展了采用环氧树脂黏结的钢-UHPC组合构件推出试验,结果表明当黏结面积由100cm分别降低至7 5cm和50 cm时,黏结强度建筑科学与工程学报40.404.440UHPC黏结剂钢板UHPC黏结剂钢板(b)黏结面积7 5cm(c)黏结面积50 cm表1试件参数和试验结果Table 1Spe
19、cimen parameters and experimental results2825NCA28HPCA7HPCA90HPCA90HPCA28HPCA28HPCA282023年设置黏结剂种类组是为了对比了HPCA和NCA两种水泥基黏结剂的黏结性能。龄期的参数为黏结剂7 d和9 0 d龄期,以考察黏结剂在不同龄期下的黏结性能。温度参数设置了长期和短期高温组,以考察黏结剂在高温条件下的黏结性能。在夏季高温时,由于钢桥良好的导热性能,桥面板、桥面铺装体系会长时间处于高温条件下,文献18 认为可将7 0 作为钢桥面黏结剂的正常使用高温标准;此外,有分析结果表明桥面沥青铺装时UHPC板底10026.
20、1627.6511.922510025100251007010010010025752550分别提高了11.8%和2 5.8%,存在尺寸效应,因此本试验同样也设计了不同黏结面积的试件。考虑到黏结剂试件的离散性较大,同一参数的试件各制作3个,共计2 4个试件。表1给出了各参数试件的破坏荷载、黏结强度、破坏模式以及平均黏结强度,便于后文分析。抗剪黏结强度按照式(1)进行计算。(1)B2.62B2.77B1.19C13.471.3512.131.2120.662.0717.651.7723.012.3029.122.9126.662.6713.5611.386.1010.3116.2011.0414
21、.1020.8519.4320.0414.096.1314.182.61C1.25CCCBBBC1.14AC1.03C1.62CC1.41C2.78B2.59B2.71B2.82BC2.84Bt=F/S2.022.791.091.522.692.83第5期式中:t为抗剪黏结强度;F为破坏荷载;S为黏结面积。1.2材料性能HPCA中水泥、硅灰、集料和减水剂的质量比为1:0.3:1.2:0.0 2 515,NCA中水泥、河砂的质量比为1:4.56,均采用自然养护。HPCA和NCA的材料性能详见表2,依据建筑砂浆基本性能试验方法标准(JGJ/T702009)201和水泥胶砂强度检验方法(ISO法)(
22、GBT176712021)21分别对稠度、抗压强度和抗折强度进行测试,并参考文献15制作尺寸为7 0 mm70mm210mm的棱柱体来测试弹性模量。表 2 材性指标Table 2 Material property index黏结剂抗压强度/抗折强度/弹性模量/龄期/d稠度/mm种类MPa7114.7HPCA2890NCA28UHPC中水泥、硅灰、集料、减水剂质量比为1:0.3:1.17:0.0 2 5,掺有2%钢纤维,采用蒸汽养护。UHPC的抗压强度为16 9.5MPa,抗拉强度为10.1MPa,弹性模量为46.5GPa。Q 345钢板的屈服强度为39 8.5MPa,弹性模量为2 0 6.0
23、 GPa。1.3试件制作与加载试件的主要制作过程为:在每块钢板(养护后的 UHPC板)的一面,距板长边10 mm 处划一条与板边平行的参照线,确保2 块板可以错开10 mm,并在钢板表面上的4个角固定用于控制黏结层厚度的微小垫块;对UHPC板表面进行湿润;将拌合好的黏结剂涂抹在钢板表面,中心高度略高于设定的黏结层高度;将UHPC板盖在黏结层后,用橡胶锤敲打UHPC板表面,使多余黏结剂溢出;控制钢板和UHPC板的边缘对齐后,在试件上施加重物;自然养护到规定龄期后,对试件表面进行打磨,再进行加载。用抗剪黏结强度试验专用的夹具固定试件,并进行对中。试验采用30 0 kN的万能试验机进行加载,如图2
24、所示。试验加载速度为0.5mmmin-1,匀速加载直至试件破坏,记录最大荷载。2试验结果与分析2.1试验结果参考文献2 2 ,将试件的破坏模式分为A、B、C胡文旭,等:采用高性能水泥基黏结剂的钢-UHPC组合板界面剪切性能试验研究Fig.2 Loading of specimenMPaGPa12.545.7127.416.6146.416.920.58.763荷载承压板试件夹具三类:钢-黏结层间的界面脱黏破坏(A类),如图3(a)所示;黏结层内聚破坏(B类),如图3(b)所48.749.849.618.9荷载图2 试件加载示;UHPC-黏结层间的界面脱黏破坏(C类),如45.3图3(c)、(d
25、)所示,而且黏结层内的骨料颗粒被剥离出黏附在UHPC板表面。各试件的破坏模式见表1。表1中同时列有2 类破坏模式的是指同一参数的3个试件出现了2 类破坏模式。由表1可知:采用NCA的试件均发生C类破坏;采用HPCA的试件发生上述3类破坏,A类破坏模式仅出现在长期高温的A90-70-100试件中的1个试件;发生B类破坏模式的试件共有11个,占比52.4%;C类破坏共有9 个,占比42.8%。图4给出各参数试件的抗剪黏结强度试验结果对比。各试件的具体强度值见表1。参数对比中,除表1参数组中的试件外,还加人其余组中可供对比的试件,以扩大参数对比的范围。2.2参数分析2.2.1黏结剂种类影响从试验参数
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