專利名稱：加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明主要用于建設科學技術領域中，在混凝土結構加固改造中，結構膠粘結加固材料和混凝土基材時的測試其抗剪粘結強度的裝置及方法。
背景技術：
混凝土結構工程加固改造項目中，有需要在混凝土基材上粘貼鋼板、復合增強纖維等加固材料的技術措施。此類措施通過結構膠將加固材料粘貼到混凝土基體上，充分發(fā)揮加固材料抗拉強度高的特點，達到加固補強的目的。此項技術的關鍵在于加固材料與混凝土基體的協(xié)調變形與共同受力，兩者之間協(xié)調變形則完全依靠結構膠提供的剪切粘結力提供，因而抗剪粘結強度是衡量粘接材料性能的重要指標。加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度能最直接反映結構膠的性能，目前尚無相應的測定方法。在國家標準《混凝土結構加固設計規(guī)范》GB50367-2006、《建筑結構加固工程施工質量驗收規(guī)范》GB50550-2010、標準化協(xié)會標準《碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程》CECS146:2003 (2007年版)中，關于結構膠的性能指標，有正拉粘結強度、鋼一鋼抗剪強度等性能，但均不能反映加固材料與基材的抗剪粘結強度這一重要指標。標準附錄中有“結構膠粘合加固材料與基材的正拉粘結強度試驗室測定方法”，用以評價結構膠的正拉粘結強度，但是測試時的結構膠應力狀態(tài)(垂直于加固材料表面的正應力)與結構正常受力時的應力狀態(tài)(平行于加固材料表面的剪應力)并不相同，正拉粘結強度與抗剪粘結強度反映的是結構膠兩個不同方面的粘結性能。在國家標準《膠粘劑拉伸剪切強度的測定(剛性材料對剛性材料)》GB/T7124-2008中有膠粘劑拉伸剪切強度(剛性材料對剛性材料)的測試方法，該方法是在平行于粘接面的試樣主軸方向上施加拉伸力，檢測出剛性材料單搭接粘接處(即鋼片對鋼片或纖維板對纖維板)的剪切應力，在一定程度上反映了結構膠材料本身的粘結強度。但在實際加固工程中結構正常受力時，結構膠最直接的粘結性能指標是所粘結的加固材料與混凝土基材間的抗剪粘結強度，由于混凝土材料抗拉強度較低，無法按該標準制作加固材料對混凝土薄板的試樣，故此強度指標無法通過該標準進行測試。該標準中測試的結構膠粘結性能指標僅僅是加固材料與加固材料之間的粘結抗剪強度，故該標準中明確注明了 “從單搭接膠結件得到的剪切強度值不能作為結構膠接的設計應力”。當前有發(fā)明專利“剪切強度測試儀及剪切測試方法”(專利號ZL201010107968. 6)，是在工程結構加固改造項目中混凝土結構采用淺層嵌固高強板條或表面粘貼高強板條時，檢測板條與原混凝土結構之間粘結剪切強度的專用儀器和方法。該設備分為測力桿、剪切支架、示數(shù)儀三部分，通過旋緊測力桿螺栓，使剪切支架端部張開，利用傳力靴抵住粘結完成的板條并對其推壓，使之與混凝土界面粘結破壞，采用測力桿內設的拉壓傳感器測試剪切力的大小，由示數(shù)儀顯示最大剪切力。該發(fā)明專利采用局部破損的手段，在被加固的構件上切割出一定面積的加固材料，現(xiàn)場測試該面積范圍內加固材料與基材的抗剪粘結強度，可以反映粘貼加固的施工質量。但是該發(fā)明專利僅能檢測具有一定厚度的加固材料的粘結剪切強度，需要傳力靴抵住并推動板條使之與混凝土基材間產生剪切破壞，對于厚度較小的板條(I 2mm)及纖維布(O. 111 O. 167mm)等加固材料時，由于傳力靴難以做到僅抵住加固材料而不接觸混凝土，往往無法推動板條或纖維布使之剪切破壞，該方法的使用具有一定的局限性；采用該發(fā)明專利測試時加固材料受壓力作用，與實際工程中受拉力的情況不符；采用該發(fā)明專利時需對加固材料進行切割，不僅對加固材料和被加固構件有一定的損傷，切割時產生的高溫會影響粘接材料的性能，影響測試結果。故該 發(fā)明專利不能完全適應加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度的測試。

發(fā)明內容
為了彌補結構膠粘合加固材料與混凝土基材時抗剪粘結強度檢測方法的不足，保證結構膠的粘結性能和加固材料與結構膠的匹配性，保證加固工程質量，本發(fā)明提供了一種加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度的測試裝置及方法。本發(fā)明所采取的技術措施是，一種加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試裝置，其特征是它包括設置在上混凝土試塊外緣的上掛架以及下混凝土試塊外緣的下掛架，上掛架底面中間位置設置V形凸起，下掛架頂面中間位置設置V形凹槽與上掛架的V形凸起配合，V形凸起在凹槽內繞接觸線樞轉一定角度。本方案的具體特點還有，所述上掛架包括位于混凝土試塊上方的陽角蓋板和位于混凝土試塊下方的刀口托板，陽角蓋板和刀口托板通過至少一條上連接條連接在一起，在刀口托板底面設置V形凸起。所述下掛架包括位于上部的刀槽蓋板和位于下部的陽角托板，刀槽蓋板和陽角托板通過至少一條下連接條連接在一起；在刀槽蓋板頂面設置V形凹槽，V形凸起及V形凹槽均與陽角蓋板平行布置。上連接條為兩條且均勻分布在陽角蓋板和刀口托板的與V形凹槽平行的側面上；下連接條為兩條且均勻分布在刀槽蓋板和陽角托板的與V形凹槽平行的側面上。在混凝土試塊上位于陽角蓋板和陽角托板對側分別設置定位蓋板。上掛架和下掛架四角設置四根定位條，定位條上設置四個定位孔，穿過定位孔的螺栓分別旋入陽角蓋板，刀口托板，刀槽蓋板和陽角托板上對應設置的螺紋孔中將陽角蓋板，刀口托板，刀槽蓋板，陽角托板和定位蓋板整體地固定在一起。連接條及定位條的螺栓孔均為長條形，可以調整托板與蓋板的間距，以便適應存在制作誤差的混凝土試塊。V形凸起的高度為10mm，角度為80° 90° ;V形凹槽凹進的深度為3mm，角度為110。 120。。本發(fā)明還提供一種加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試方法，其特征是在兩個混凝土試塊上設置如權利要求I所述的上掛架和下掛架；將上掛架放置到下掛架上使V形凸起放置在V形凹槽中，并使用定位條將上掛架和下掛架臨時固定；采用結構膠將加固材料粘貼到試塊側面，加固材料在兩試塊的粘貼面積相等，待結構膠完全固化并在常溫下養(yǎng)護一周后，拆除混凝土試塊一側的全部定位蓋板和全部定位條，利用壓力機或其它加荷設備產生的壓力施加在陽角蓋板和陽角托板上，使混凝土試塊有繞V形凸起接觸線樞轉的趨勢，加固材料阻止其樞轉，從而在加固材料與混凝土基材之間產生剪切粘結力；當結構膠的剪切粘結力達到極限值并最終破壞時，即可通過極限壓力和破壞的粘結面積計算出抗剪粘結強度。它的具體特點還有，V形凸起位于混凝土試塊底面中部的下方，剪切粘結力與加荷設備的壓力大小相等。本發(fā)明的有益效果是上掛架和下掛架形成可以固定混凝土標準試塊的空間框架，并且形成空間杠桿體系，在加載設備對陽角蓋板施壓以后，混凝土試塊有繞刀口托板V形凸起端部樞轉的趨勢，使加固材料與混凝土試塊表面間產生剪切力。定位條的作用是臨時固定混凝土試塊，保證在混凝土試塊側面粘貼加固材料、結構膠養(yǎng)護和試驗裝置在試驗機就位的過程中，混凝土試塊不產生相對位移，結構膠不被擾動。連接條、定位條設長條形螺栓孔，其作用是可以調整蓋板間距，以便適應存在制作誤差的混凝土試塊。在測試過程中，連接條不受力。采用試驗機或其它加荷設備對陽角蓋板和陽角托板施壓后，加固材料與混凝土基材之間產生剪切粘結力τ (y)，其受力狀態(tài)與工程中的受力狀態(tài)一致。試驗裝置的刀口托板V型凸起接觸線位于混凝土試塊的中部，剪切粘結力τ (y)的合力T與試驗機的壓力大小相等。當結構膠的剪切粘結力達到極限值并最終破壞時，即可通過極限壓力N和破壞的粘結面積A計算出抗剪粘結強度f'。該設備具有構造簡單，操作簡便，安全可靠，易于維護等優(yōu)點，測試結構膠粘合加固材料與混凝土基材的抗剪粘結強度時，可采用強度和集料配比與待加固的構件混凝土相近的混凝土試塊，以便更好地評價結構膠應用于實際工程時的粘結性能及其與加固材料的適配性。該測試方法試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，試驗方法可靠，適用于測試加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度的測試。受力情況分析如下圖4所示，加載設備壓力由陽角蓋板(陽角托板)傳至混凝土試塊，然后傳至刀口托板(刀槽蓋板)，連接條在試驗過程中不受力。在壓力的作用下，試塊有圍繞V形凸起接觸線(O處)樞轉的趨勢，加固材料產生拉力T阻止其轉動，加固材料與混凝土基材之間產生剪切粘結力。試驗過程中剪切粘結力的合力(加固材料拉力)、加載設備壓力繞V形凸起接觸線力矩平衡，試驗過程中直至破壞，結構膠剪切變形極小，故試塊樞轉極小，剪切粘結力的合力、加載設備壓力始終平行。試驗破壞時，加載設備極限壓力為N，結構膠剪切力合力(加固材料拉力)為T，試驗裝置的刀口托板V型凸起接觸線位于混凝土試塊的中部，T、N的力臂均為75mm，由力矩平衡方程
75XN=75XT 有T=N
結構膠剪切力合力(加固材料拉力)T與結構膠剪切粘結應力τ (y)的關系為
T = j
結構膠剪切粘結應力τ (y)完全由結構膠承擔，其受力狀態(tài)與工程中的受力狀態(tài)一致。試件破壞時，加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度為
Λ = ^ 4式中Α為粘結面面積。
A A試驗驗證情況
采用本裝置及方法，對山東省建筑科學研究院研制生產的ΚΥ-5型結構膠進行檢驗，檢驗時選用強度等級為C20和C40的兩種混凝土試塊，以代表兩種不同的工程情況。
選用強度等級為C20混凝土試塊的檢測數(shù)據(jù)如下 論
I破壞狀態(tài)
本方法測得的破壞狀態(tài)有別于《混凝土結構加固設計規(guī)范》GB50367-2006、《建筑結構加固工程施工質量驗收規(guī)范》GB50550-2010、標準化協(xié)會標準《碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程》CECS146:2003 (2007年版)等標準中采用正拉粘結強度試驗時的破壞形態(tài)(一般為混凝土基層受拉破壞)；也有別于《膠粘劑拉伸剪切強度的測定(剛性材料對剛性材料)》GB/T7124-2008中膠粘劑拉伸剪切強度(剛性材料對剛性材料)試驗時的破壞狀態(tài)(一般為結構膠與剛性材料粘結面剪切破壞或結構膠層間剪切破壞)。本方法測得的破壞狀態(tài)為混凝土表層剪切破壞(混凝土強度較低時)或混凝土與結構膠粘接面界面剪切破壞(混凝土強度較高時)，與工程結構中的破壞形態(tài)相同，符合工程實際情況。(如圖5)
2測試時加固材料受力狀態(tài)
本方法有別于采用發(fā)明專利“剪切強度測試儀及剪切測試方法”(專利號ZL201010107968. 6)測試淺層嵌固高強板條或表面粘貼高強板條的粘結強度時，加固材料在檢測過程中受壓力作用的情況，本方法測試時加固材料受拉力作用，與實際工程中受力狀態(tài)相同，所測的結果更能代表工程實際情況。3檢測數(shù)據(jù)對比
本方法測得的抗剪粘結強度比正拉粘結強度(按《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2010的規(guī)定，C20時正拉強度取I. 54MPa，C40時取2. 39MPa)的數(shù)值略高，符合混凝土剪切強度略高于正拉強度的實際情況。4測試精度
本方法測試的同組試件破壞狀態(tài)相近，測試結果的標準差均較小，表明試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，試驗方法可靠。5貼近工程實際
抗剪強度結果不僅與結構膠本身的性質有關，也與混凝土強度等級有關。本方法測試的結果反映了這一實際情況，并可根據(jù)實際工程混凝土強度的不同而選用不同強度等級的混凝土試塊，以便做出與工程實際更為接近測試結果，更好地指導工程實踐。


圖I是上掛架和下掛架結構示意圖；圖2是設置在混凝土試塊外上掛架和下掛架結構示意圖；圖3是試驗時上下掛架狀態(tài)圖；圖4是受力分析圖；圖5是實際工程中加固材料在拉力下剝離破壞狀態(tài)示意圖。圖中1 一螺釘；2—上連接條；3—陽角蓋板；4一刀口托板；5—刀槽蓋板；6—陽角托板；7—定位條；8—定位蓋板；9一混凝土試塊；10—加固材料；11 一加載設備壓力方向；12—下連接條；13_螺栓孔；14_端部剝離；15_中部斜裂縫處剝離。
具體實施例方式如圖1-2所示，一種加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試裝置，它包括設置在上混凝土試塊9外緣的上掛架以及下混凝土試塊9外緣的下掛架，上掛架底面中間位置設置V形凸起，下掛架頂面中間位置設置V形凹槽與上掛架的V形凸起配合，V形凸起在凹槽內繞接觸線樞轉一定角度。所述上掛架包括位于混凝土試塊9上方的陽角蓋板3和位于混凝土試塊9下方的刀口托板4，陽角蓋板3和刀口托板4通過至少一條上連接條2連接在一起，在刀口托板4底面設置V形凸起；所述下掛架包括位于上部的刀槽蓋板5和位于下部的陽角托板6，刀槽蓋板5和陽角托板6通過至少一條下連接條12連接在一起；在刀槽蓋板5頂面設置V形凹槽，V形凸起及V形凹槽均與陽角蓋板3平行布置。上連接條2為兩條且均勻分布在陽角蓋板3和刀口托板4的與V形凹槽平行的側面上；下連接條12為兩條且均勻分布在刀槽蓋板5和陽角托板6的與V形凹槽平行的側面上；在混凝土試塊9上位于陽角蓋板3和陽角托板6對側分別設置定位蓋板8。上掛架和下掛架四角設置四根定位條7，定位條7上設置四個定位孔，穿過定位孔的螺釘I分別旋入陽角蓋板3，刀口托板4，刀槽蓋板5、陽角托板6和定位蓋板8上對應設置的螺紋孔中，將陽角蓋板3，刀口托板4，刀槽蓋板5、陽角托板6和定位蓋板8整體地固定
在一起。上連接條2和下連接條12及定位條7上的螺栓孔均為長條形，可以調整陽角托板與刀口托板以及刀槽蓋板和陽角托板的間距，以便適應存在制作誤差的混凝土試塊，測試過程中上連接條2、下連接條12和定位條7均不受力。V形凸起的高度為10mm，角度為80° 90° ;V形凹槽凹進的深度為3mm，角度為110。 120。。如圖1-3所示，本發(fā)明還提供一種加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試方法，其特征是在兩個混凝土試塊上設置如權利要求I所述的上掛架和下掛架；將上掛架放置到下掛架上使V形凸起放置在V形凹槽中，并使用定位條7將上掛架和下掛架臨時固定；采用結構膠將加固材料10粘貼到試塊側面，加固材料10在兩試塊的粘貼面積相等，待結構膠完全固化并在常溫下養(yǎng)護一周后，拆除混凝土試塊一側的全部定位蓋板8和全部定位條7，利用壓力機或其他加荷設備產生的壓力施加在另一側的陽角蓋板3上，使混凝土試塊9有繞V形凸起接觸線樞轉的趨勢，加固材料阻止其樞轉，從而在加固材料10與混凝土基材之間產生剪切粘結力；當結構膠的剪切粘結力達到極限值并最終破壞時，即可通過極限壓力和破壞的粘結面積計算出抗剪粘結強度。V形凸起位于混凝土試塊9底面中部的下方，剪切粘結力與加荷設備的壓力大小相等。I試驗準備
1.1在刀口托板和刀槽蓋板上覆蓋塑料薄膜，以免粘接材料污染，同時塑料薄膜不會影響測試精度。I. 2測試時所用的混凝土試塊應采用邊長為150_的試塊，為更好地評價結構膠應用于實際工程時的粘結性能及其與加固材料的適配性，可采用強度和集料配比與待加固的構件混凝土相近的混凝土試塊。I. 3將兩個混凝土試塊置于本發(fā)明組件組裝形成的空間中，將混凝土試塊的澆筑頂面與底面置于正對定位條的位置，使之在試驗過程中始終處于非直接受力狀態(tài)。對齊兩混凝土試塊，擰緊螺栓，固定好混凝土試塊。I. 4按產品說明書規(guī)定的工藝要求配制好結構膠，按規(guī)定的粘結工藝將加固材料粘貼在兩混凝土試塊側面，加固材料在兩試塊的粘貼面積相等，常溫下養(yǎng)護7天以上。2試驗步驟
2.I將組裝件置于試驗機或其它加載設備的承壓板之間，使加載壓力作用線通過連接蓋板的中點。完全就位后拆除定位條及定位蓋板。2. 2開動試驗室，以O. 2 O. 5kN/s的速度加載，此時兩混凝土試塊有繞刀口托板凸起接觸線樞轉的趨勢，加固材料阻止其轉動，加固材料與混凝土基材間由此產生粘結剪切力。2. 3繼續(xù)加載直至加固材料與混凝土基材產生粘結剪切破壞，由于粘結剪切破壞的極限剪應變小，故試驗過程中混凝土試塊繞刀口托板V形凸起接觸線樞轉極小,加固材料始終處于軸線拉伸狀態(tài)，結構膠始終處于剪切狀態(tài)，兩者受力方向均與加載設備壓力方向平行。記錄破壞時的極限壓力值N，量測剪切破壞面的實際長度7和寬度&則結構膠粘
結加固材料與基材的抗剪粘結強度/t = A 。
權利要求
1.一種加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試裝置，其特征是它包括設置在上混凝土試塊外緣的上掛架以及下混凝土試塊外緣的下掛架，上掛架底面中間位置設置V形凸起，下掛架頂面中間位置設置V形凹槽與上掛架的V形凸起配合，V形凸起在凹槽內繞接觸線樞轉一定角度。
2.根據(jù)權利要求I所述的加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試裝置，其特征是所述上掛架包括位于混凝土試塊上方的陽角蓋板和位于混凝土試塊下方的刀口托板，陽角蓋板和刀口托板通過至少一條上連接條連接在一起，在刀口托板底面設置V形凸起；所述下掛架包括位于上部的刀槽蓋板和位于下部的陽角托板，刀槽蓋板和陽角托板通過至少一條下連接條連接在一起；在刀槽蓋板頂面設置V形凹槽，V形凸起和陽角蓋板平行布置。
3.根據(jù)權利要求2所述的加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試裝置，其特征是上連接條為兩條且均勻分布在陽角蓋板和刀口托板的與V形凹槽平行的側面上；下連接條為兩條且均勻分布在刀槽蓋板和陽角托板的與V形凹槽平行的側面上。
4.根據(jù)權利要求2所述的加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試裝置，其特征是在混凝土試塊上位于陽角蓋板和陽角托板對側分別設置定位蓋板。
5.根據(jù)權利要求4所述的加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試裝置，其特征是上掛架和下掛架四角設置四根定位條，定位條上設置四個定位孔，穿過定位孔的螺栓分別旋入陽角蓋板，刀口托板，刀槽蓋板和陽角托板上對應設置的螺紋孔中將陽角蓋板，刀口托板，刀槽蓋板，陽角托板和定位蓋板整體地固定在一起。
6.根據(jù)權利要求5所述的加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試裝置，其特征是連接條及定位條的螺栓孔均為長條形。
7.根據(jù)權利要求I所述的加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試裝置，其特征是V形凸起的高度為10mm，角度為80° 90° ;V形凹槽凹進的深度為3mm，角度為110° 120。。
8.一種加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試方法，其特征是在兩個混凝土試塊上設置如權利要求I所述的上掛架和下掛架；將上掛架放置到下掛架上使V形凸起放置在V形凹槽中，并使用定位蓋板、定位條將上掛架和下掛架臨時固定；采用結構膠將加固材料粘貼到試塊側面，加固材料在兩試塊的粘貼面積相等，待結構膠完全固化并在常溫下養(yǎng)護一周后，拆除全部定位蓋板和全部定位條，利用壓力機或其它加荷設備產生的壓力施加在陽角蓋板和陽角托板上，使混凝土試塊有繞V形凸起接觸線樞轉的趨勢，加固材料阻止其樞轉，從而在加固材料與混凝土基材之間產生剪切粘結力；當結構膠的剪切粘結力達到極限值并最終破壞時，即可通過極限壓力和破壞的粘結面積計算出抗剪粘結強度。
9.根據(jù)權利要求8所述的加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試方法，其特征是V形凸起位于混凝土試塊底面中部的下方，剪切粘結力與加荷設備的壓力大小相等。
全文摘要
一種加固材料與混凝土間結構膠抗剪粘結強度測試裝置及方法，其特征是它包括設置在上混凝土試塊外緣的上掛架以及下混凝土試塊外緣的下掛架，上掛架底面中間位置設置V形凸起，下掛架頂面中間位置設置V形凹槽與上掛架的V形凸起配合，V形凸起在凹槽內繞接觸線樞轉一定角度。測試方法的具體步驟是將上掛架放置到下掛架上，使V形凸起放置在V形凹槽中并使用定位條固定；用結構膠將加固材料粘貼到試塊側面，加固材料在兩試塊的粘貼面積相等，待結構膠完全固化后，拆除混凝土試塊一側的全部定位蓋板和全部定位條，施加壓力使混凝土試塊有繞V形凸起接觸線樞轉的趨勢，從而產生剪切粘結力并達到極限值被破壞時，即可算出抗剪粘結強度。
文檔編號G01N19/04GK102944514SQ20121049395
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權日2012年11月28日
發(fā)明者成勃, 崔士起, 姜麗萍, 成濤, 李潭 申請人:山東省建筑科學研究院