結(jié)構(gòu)粘鋼膠高溫后的力學性能試驗研究★

盛 志 趙建明 李英浩

(天津城建大學能源與安全工程學院,天津 300384)

1 概述

近年來由于國內(nèi)改建、改造的建筑逐年增多，粘鋼加固技術(shù)應用也越來越廣泛。在加固工程所用的粘鋼膠中，國內(nèi)外多采用環(huán)氧樹脂為主體粘料，配以各種必要的組分，從而組成一種性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)膠種。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)雖然具有較好的抗火性能[1]，但粘鋼膠作為我國主要有機類建筑加固材料，在經(jīng)歷高溫或火災時的力學性能受到業(yè)內(nèi)人士質(zhì)疑。

劉長青等[2]開展了火災中植筋試件極限承載力試驗研究，研究表明：結(jié)構(gòu)膠溫度升高至60 ℃粘結(jié)抗拉強度急劇下降，而溫度升高至45 ℃后粘結(jié)抗剪強度與剪切模量急劇下降。袁廣林等[3]發(fā)現(xiàn)有JGN型有機膠難以承受200 ℃的高溫，力學性能會隨著溫度的升高而降低。劉鑫等[4]發(fā)現(xiàn)梁側(cè)錨鋼加固鋼筋混凝土梁受火時的受剪承載力、延性和剛度明顯降低。

國內(nèi)外對于有機結(jié)構(gòu)膠的研究目前大部分是在常溫下或者火災高溫時對結(jié)構(gòu)粘鋼膠進行力學性能分析和結(jié)構(gòu)加固方面的研究，卻鮮有對于火災后粘鋼膠力學性能變化的研究。粘鋼加固構(gòu)件在火災過后的承載能力與火災發(fā)生時的承載能力是否一致、溫度對承載能力的影響如何仍有待驗證?；诖?，本文開展了高溫靜置后粘鋼試件拉拔試驗研究，探討溫度對粘鋼膠力學性能的影響。

2 試驗方案

2.1 試驗材料及試件制作

2.1.1鋼套筒

本研究以粘鋼膠的剪切強度作為反映其力學性能的主要參量，設(shè)計制作了48個規(guī)格相同的鋼套筒。鋼套筒應采用45號碳鋼制作。鋼套筒外徑為36 mm，總高65 mm。套筒按內(nèi)徑分為兩個部分，分別為高36 mm的內(nèi)徑16 mm、高29 mm的內(nèi)徑是24 mm，兩部分中間用直徑20 mm厚度為5 mm的圓形鋼板進行隔離，并用螺栓擰緊待用。鋼套筒內(nèi)壁設(shè)螺距為4 mm、深度為0.4 mm的梯形螺紋。鋼套筒詳見圖1,圖2。

2.1.2熱電偶

為實時監(jiān)測和控制膠體在加溫時的實際溫度，試驗采用K型珠式熱電偶置于膠體內(nèi)，其測溫范圍為-200 ℃～+800 ℃。

2.1.3試件制作

采用某知名國產(chǎn)品牌的粘鋼膠(分為A,B組分)，按粘鋼加固施工工藝，A膠和B膠以3∶1配置充分攪拌灌入鋼套筒后，把直徑12 mm的帶肋鋼筋插入鋼套筒的同時將熱電偶測溫頭插入并固定。共制作48個試件，分為16組，每組3個試件，編號分組后進行加溫試驗，制作完成的試件如圖3所示。

2.2 加溫方案

為考察溫度對粘鋼膠力學性能的影響，16組試件分別按最高溫度25 ℃,50 ℃,75 ℃,100 ℃,125 ℃,150 ℃,175 ℃,200 ℃,225 ℃,250 ℃,275 ℃,280 ℃,290 ℃,300 ℃,325 ℃,350 ℃等進行加熱。加溫過程采用電爐進行加熱，通過熱電偶實時測試粘鋼膠的溫度，達到最高溫度時停止加熱，并使試件在自然環(huán)境中恢復至室溫。

2.3 拉拔試驗方案

試件加溫至試驗最高溫度后冷卻至室溫后，采用穿心千斤頂對試件分別進行拉拔試驗，拉拔時采用分級加載方式，記錄拉拔力及鋼筋滑移值。拉拔測試系統(tǒng)如圖4所示。

3 粘鋼膠高溫后力學性能變化規(guī)律

以粘鋼膠最大剪應力作為反映力學性能的指標，試驗測得的拉拔力按τ=F/(2πr·h)計算后可得剪應力。最大剪應力與最高加溫溫度關(guān)系如圖5所示。需要說明的是：由于能量傳遞的滯后，熱電偶實測粘鋼膠的溫度與加溫方案預設(shè)溫度存在一定偏差，但不影響力學性能變化規(guī)律的分析；圖5中曲線取每組試件最大剪應力的平均值繪制。

由圖5可以看出：最高加溫溫度275 ℃之前，粘鋼膠的抗剪強度變化不明顯，最大剪應力基本都大于16 MPa，符合規(guī)范[5]中關(guān)于錨固型快固結(jié)構(gòu)膠性能鑒定標準的要求；最高加溫溫度超過275 ℃后，粘鋼膠抗剪強度出現(xiàn)明顯下降，且下降速率非常大；最高加溫溫度達到290 ℃時，個別試件最大剪應力為0，粘鋼膠抗剪力學性能完全喪失。

因此，275 ℃可作為粘鋼膠高溫后力學性能變化的臨界溫度，對粘鋼加固結(jié)構(gòu)火災后安全鑒定具有指導意義。當粘鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生火災時，若粘鋼膠受到的實際溫度在275 ℃以下，粘鋼加固結(jié)構(gòu)經(jīng)火災并冷卻至室溫后，粘鋼構(gòu)件的粘結(jié)能力仍然符合現(xiàn)行規(guī)范要求；如果粘鋼膠受到的實際溫度在275 ℃以上，粘鋼加固結(jié)構(gòu)經(jīng)火災并冷卻至室溫后，結(jié)構(gòu)粘鋼膠的力學性能急劇下降，粘鋼加固構(gòu)件承載能力大大下降，不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

4 結(jié)語

1)粘鋼膠經(jīng)高溫作用并恢復至室溫后的力學性能變化規(guī)律與以往研究高溫時的力學性能變化規(guī)律不同。粘鋼膠溫度小于275 ℃時，力學性能基本不變；粘鋼膠溫度大于275 ℃時，力學性能急劇下降。275 ℃作為粘鋼膠高溫后力學性能變化的臨界溫度，可為粘鋼加固結(jié)構(gòu)火災后安全鑒定提供參考。

2)粘鋼結(jié)構(gòu)過火后，應分析判斷粘鋼膠火災時受到的最高溫度大小，若最高溫度達到275 ℃以上，建議對原粘鋼加固部位進行鑿除處理，并采取重新加固措施，以保證過火粘鋼加固結(jié)構(gòu)的后續(xù)使用安全。