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摘 要：通過單側(cè)拉伸下的剪切實(shí)驗(yàn)，研究玻璃鋼與澆筑混凝土之間通過樹脂及石英石復(fù)合形成界面層的力學(xué)性能。分析玻璃鋼和混凝土之間界面層中石英石不同顆粒粒徑大小和不同顆粒分布密度對(duì)剪切強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明界面層中的石英石對(duì)玻璃鋼與澆筑混凝土之間的粘接起著重要的作用。
關(guān)鍵詞：玻璃鋼 混凝土 界面層 剪切實(shí)驗(yàn)
1 引言
玻璃鋼與混凝土是使用廣泛的建筑材料，玻璃鋼由于其比強(qiáng)度大、防腐性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，常被應(yīng)用于管道、壓力容器等行業(yè)。混凝土因?yàn)槠渚偷厝〔娜菀住⒐?jié)約鋼材、整體性好、可模性好、耐久性好、耐火性好被作為結(jié)構(gòu)材料廣泛的應(yīng)用于實(shí)際工程中。在一些管道應(yīng)用中，地下混凝土管道的不耐腐尤為明顯，因此需要采取一些防腐措施。在利用玻璃鋼材料的耐腐蝕性制作玻璃鋼混凝土復(fù)合管道時(shí)，往往容易出現(xiàn)玻璃鋼內(nèi)襯與現(xiàn)澆混凝土管之間脫粘的現(xiàn)象。本文針對(duì)這一問題，嘗試在二者之間建立樹脂石英石界面層，并通過單側(cè)拉伸下的剪切實(shí)驗(yàn)來研究其界面力學(xué)性能，以期獲得理想的粘接強(qiáng)度。
2 試驗(yàn)研究
2.1 原材料
鄰苯型不飽和聚酯樹脂，促進(jìn)劑，固化劑，玻璃纖維單向布，石英石2mm～20mm，普通硅酸鹽水泥，河沙，碎石5mm～20mm，減水劑。
2.2 試樣制備
采用樹脂與固化劑、促進(jìn)劑的比例為1：1.2%：1.2%，玻璃纖維單向布正交鋪層手糊成型工藝在實(shí)驗(yàn)室條件下制備玻璃鋼試樣，厚度1.8mm。在玻璃鋼固化前取其上170mm��mm的區(qū)域，均勻撒上預(yù)先經(jīng)過清洗并烘干處理的石英石，并在石英石上施加一定量的重量，在常溫條件下固化。待玻璃鋼固化后，將其切割成尺寸為24mm��0mm的小樣。在澆筑混凝土的模具上固定，然后在模具中灌入混凝土漿，混凝土漿的砂率為41.97%，水灰比為1：0.37，減水劑參量為1.21%，并將其置于振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)1-2分鐘，混凝土達(dá)到脫模強(qiáng)度后脫模，在常溫下養(yǎng)護(hù)7天。
2.3 剪切試驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)參照《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)定方法》（GB-T7124-2008）進(jìn)行。將試樣按照界面層中石英石粒徑的大小和石英石在玻璃鋼片上的平鋪密度進(jìn)行分組，分別按大顆粒徑10mm～20mm、中等粒徑5mm～10mm、小粒徑2mm～5mm進(jìn)行分組；對(duì)不同的粒徑分別按照平鋪密度分組，平鋪密度為石英石質(zhì)量與玻璃鋼與混凝土之間粘接面積的比值，每組6個(gè)試樣，在萬能材料試驗(yàn)機(jī)INSTRON5882上進(jìn)行剪切試驗(yàn)，如圖1、圖2所示。試驗(yàn)直到玻璃鋼與混凝土分離，記錄破壞載荷。
圖1 剪切試驗(yàn)
圖2 試驗(yàn)示意圖
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象
加載初期，在靠近加載端的部分，玻璃鋼與混凝土粘接的部分很容易形成裂紋，到后玻璃鋼與混凝土塊突然分離。其中小粒徑試樣多為石英石與玻璃鋼之間界面破壞或者石英石與混凝土脫粘，中等顆粒為石英石與玻璃鋼發(fā)生界面破壞或者與混凝土脫粘，大顆粒表現(xiàn)為加載端的混凝土開裂脫落，石英石與樹脂間界面破壞。
3.2 試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)結(jié)果見表1所示，其中剪切強(qiáng)度按Q=N/A計(jì)算，N為試樣破壞時(shí)的大拉力，A為玻璃鋼與混凝土的初始粘接面積。
表1 不同平鋪密度下三種粒徑的剪切強(qiáng)度
3.3 結(jié)果分析
對(duì)上述剪切試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析，可得到試樣在界面層石英石不同顆粒粒徑下和不同平鋪密度下的剪切強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖，如圖3所示。
圖3 剪切強(qiáng)度隨石英石粒徑和平鋪密度的變化圖
由圖3可見，粒徑對(duì)試樣剪切強(qiáng)度的影響并不明顯。從試驗(yàn)現(xiàn)象看，粒徑的大小發(fā)生變化，試樣的破壞形式會(huì)發(fā)生變化，主要區(qū)別是小粒徑試樣破壞多為石英石與混凝土之間界面破壞，中等粒徑試樣和大粒徑試樣的破壞多為石英石與玻璃鋼界面破壞。
在石英石給定的研究變化區(qū)間內(nèi)：大粒徑試樣和小粒徑試樣的剪切強(qiáng)度隨著平鋪密度的增加而增加，而中等粒徑在平鋪密度為2.87395kg/mm2之后強(qiáng)度發(fā)生下滑。
關(guān)于影響界面強(qiáng)度的因素，主要有下列幾種：（1）膠粘劑的性能，這個(gè)因素主要，它是決定粘接強(qiáng)度的內(nèi)在因素；（2）粘接工藝的影響，它包括膠粘劑的選擇，粘接長度、粘接尺寸、表面處理、粘接環(huán)境等一系列在不同工藝制作環(huán)節(jié)中會(huì)對(duì)粘接造成影響的因素；（3）粘接操作質(zhì)量的影響；（4）被粘接物的性能，粘接強(qiáng)度也取決于被粘接物表面物理、化學(xué)與膠粘劑的相容、相親性能。
影響復(fù)合材料界面破壞的因素很多，但是復(fù)合材料界面破壞的類型主要有以下三種：（1）界面層的粘接破壞：當(dāng)兩相的粘接強(qiáng)度低于界面層的內(nèi)聚強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生粘結(jié)破壞；（2）界面層的內(nèi)聚破壞：當(dāng)增強(qiáng)相與基體的粘結(jié)強(qiáng)度大于界面層內(nèi)聚強(qiáng)度時(shí)發(fā)生界面層的內(nèi)聚破壞；（3）界面層的混合破壞：同時(shí)發(fā)生內(nèi)聚破壞和粘結(jié)破壞時(shí)的破壞稱為混合破壞。
圖4 玻璃鋼與混凝土界面層連接
本文所研制試樣界面層（如圖4所示）涉及到三種界面：（1）玻璃鋼與混凝土之間的界面。這種界面的粘接強(qiáng)度很小，其原因是：混凝土與玻璃鋼之間主要表現(xiàn)為一種吸附作用，在本文的工藝下制作的試樣，在混凝土水化反應(yīng)的過程中，玻璃鋼與水泥之間會(huì)形成水膜或者水環(huán)，從而產(chǎn)生水膜粘滯阻力和水環(huán)應(yīng)力，它能導(dǎo)致混凝土對(duì)玻璃鋼表面產(chǎn)生依附作用，由于玻璃鋼為表面自由能低、親水性差的材料。從而導(dǎo)致玻璃鋼與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度很低；（2）玻璃鋼樹脂與石英石之間的界面。玻璃鋼樹脂與石英石之間的界面是由樹脂固化反應(yīng)而形成的，兩者會(huì)形成很強(qiáng)的粘接界面，其粘接強(qiáng)度一般有30MPa-80MPa；（3）石英石與混凝土之間的界面。石英石與混凝土之間主要存在著范德華力，機(jī)械力和摩擦力。
試樣的荷載主要靠石英石與混凝土之間形成的界面或石英石與玻璃鋼形成的界面來承擔(dān)，這與石英石的顆粒大小、形狀和石英石的表面處理有很大關(guān)系。
4 結(jié)論
石英石顆粒粒徑的大小（2-20mm）對(duì)剪切強(qiáng)度的結(jié)果并沒有顯著的影響，石英石顆粒的用量對(duì)剪切強(qiáng)度影響和大。固化后的玻璃鋼作為一種親水性差的材料，與澆筑混凝土的粘接性能很差，而加入像石英石或類似的顆粒或者過渡材料可起到提高這兩種材料間粘接性能的作用。
