粘结力

　　粘结力指粘结剂与被粘结物体界面上分子间的结合力。
　　钢筋混凝粘结力的影响
　　长期以来，钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件粘结力的影响一直被工程界所重视，其影响主要集中在粘结力和承载力的变化上。目前应用有限元方法模拟钢筋锈蚀影响的方法大体可分为两种，一种是模拟钢筋锈蚀时的体积膨胀引起的内力，另一种则是模拟膨胀时的位移量。本文试从温度角度出发，即施加于钢筋一定的温度模拟其膨胀过程对构件粘结力及承载力的影响，对试验结果进行对比分析。
　　对于岩石来说，岩石的抗压强度σc、抗拉强度σt、抗剪强度τo、和粘结力C有如下关系：
　　σc=10σt (σt的系数变化范围为6~20)
　　σc=5τo (τo的系数变化范围为6~20)
　　τo=1.8σt (σt的系数变化范围为6~20)
　　τo=0.7C (C的系数变化范围为6~20)
　　有限元模型的建立
　　单元的选择与划分
　　采用轴对称有限元分析模型，对称轴取在主筋长向的形心线上。混凝土为一内半径为7mm、外半径为50mm的圆环。主筋直径为14mm.钢筋在混凝土中的锚固长度取10倍钢筋直径即140mm，主筋为一内径为5mm、外径为7mm的钢圆环。主筋肋高取0.5mm，肋间距取7mm.箍筋采用矩形截面等效圆形截面面积。混凝土及箍筋取4点轴对称块体单元，主筋及肋采用2节点轴对称壳体单元。钢筋与混凝土间的摩擦力被忽略，但以主筋肋截面为矩形作为补充。利用ABAQUS程序进行分析，有限元单元划分。
材料性能
　　混凝土被视为弹塑性材料，弹性模量E=34500MPa，波松比ν=0.18，抗压强度fc=50MPa，抗拉强度ft=4.25MPa，破坏时的塑性应变取1.4×10-3，产生裂缝后考虑由于剪切刚度变化引起的软化。假定裂缝后混凝土抗拉强度为线性损失并在应变为1.2×10-3后无拉应力存在。混凝土双轴极限抗压强度与单轴抗压强度之比为1.16.箍筋为弹性材料，主筋为弹塑性材料，弹性模量E=2.06×105MPa，波松比ν=0.3，钢材屈服强度为550MPa，抗拉强度为600MPa.1.3分析步骤数值分析由钢筋锈蚀前的加载阶段、钢筋锈蚀阶段和锈蚀后的加载阶段组成，构件在荷载作用下的破坏过程按照不稳定分析原理并采用修正的RIKS方法进行分析，同时考虑几何非线性变化的影响。
　　由于钢筋锈蚀而导致的钢筋体积膨胀在分析中采用主筋单元在温度作用下的体积膨胀，钢材的膨胀系数采用在温度作用下的正交膨胀性质，也即考虑环向膨胀而忽略沿钢筋长向和径向的膨胀。
　　设钢筋在锈蚀前的原始半径为r0，在温度作用下锈蚀深度为X，膨胀后的半径为r，t为膨胀量，则：
　　r-r0=t（1）
　　设由膨胀引起的混凝土裂缝长度为lcr，宽度为w，由产生裂缝前后状态时构件的体积相等导出锈蚀深度X为：
　　X=t[1+lcr/（2r0）]（2）
　　式（2）中，膨胀量t由有限元计算直接得出，lcr从裂缝开展图中得出。
　　数值结果
　　加荷阶段
　　加载端的荷载－位移曲线。可以看出，当将混凝土视为非线性弹塑性体时，在劈裂破坏后将显示出明显的应变软化。
锈蚀阶段
　　为钢筋在锈蚀状态下混凝土单元的位移，与试验的裂缝开展位置基本吻合。
锈蚀后的加载阶段
　　为了比较箍筋配置的影响，分别情况1和去掉中间一根箍筋情况2两种情况进行分析计算。两种情况下锈蚀深度与最大荷载的关系曲线。可以看出，在锈蚀开始阶段，均有一个较明显的下降趋势，这也是多数试验结果的趋势。最大粘结力均大于锈蚀前的最大值。同时，也可发现两条分析曲线与试验曲线在中间位置较为逼近。
　　结语
　　（1）应用本文方法所得的粘结力变化趋势及荷载数值与试验结果接近。
　　（2）利用温度膨胀模型模拟钢筋锈蚀对钢筋混凝土粘结力及承载力的影响是有效的和可行的，并避免了采用给钢筋施加均匀内力及变形模拟锈蚀影响的与实际情况偏离的不利影响，是对钢筋混凝土中钢筋锈蚀问题的数值分析方法的补充与完善。
　　沥青混凝土路面粘结力提高
　　当沥青层之间或沥青层与基层之间结合面上的摩阻力大大低于沥青混合料本身时,层间界面会存在抗剪强度不足的薄弱环节,当路面受到较大的水平剪切力时易发生剪切位移,使沥青面层发生水平推移、车辙及壅包等病害。粘结层对沥青层之间的拉应力和剪应力的传递有至关重要的作用,层间粘结力不足会导致层间推移及上面层层底拉应力集中,这种应力集中将加速疲劳开裂导致整个路面的破坏。为了保证沥青路面的优良路用性能,必须在沥青混凝土层间铺设粘结层或经过处理以提高层间的粘结力。结合国内对提高沥青层间粘结力的讨论,应该从以下几方面加以阐述。
　　沥青粘结层的分析
　　粘结层的分类
　　1)下封层。多用于多雨潮湿地区的高速公路、一级公路的沥青面层空隙较大、渗水严重的路面或铺筑基层后不能及时铺筑沥青面层而需要开放交通时,宜在喷撒透层油后铺筑下封层。下封层的沥青油石比为7.5%～13.5%,石料用量为5.4kg/m2～8.1kg/m2,石料规格为Ⅱ级配矿料,施工工艺为稀浆封层机拌和摊铺。
　　2)粘层。双层或三层热拌热铺沥青混合料路面在铺筑上面层前,其下面的沥青层已被污染,水泥混凝土路面上铺筑沥青面层时必须撒铺粘层。沥青用量为0.3L/m2～0.5L/m2,施工工艺为喷撒,不需要用石料。
　　3)透层。沥青路面的级配砂砾、级配碎石基层及水泥、石灰、粉煤灰等无机料稳定土或粒料的半刚性基层上必须撒透层沥青。沥青用量为0.7L/m2～1.1L/m2,石料用量为2kg/m2～3kg/m2,石料规格为石屑或砂,施工工艺为撒沥青、撒石屑并碾压。
粘结层受力分析
　　粘结层的作用是把上下沥青面层粘结起来,使荷载从上面的沥青层传递到下面的沥青层的同时没有层间滑移或分层现象发生。根据参考文献[1]中阐述的观点,试验温度为60℃时,在一定的范围内随着沥青用量的增加抗剪强度有所增加其原因在于,沥青混合料在基底表面击实后,沥青混合料与基底表面紧密接触,抗剪强度源于沥青混合料中的骨料与基底的摩擦力及沥青的粘结力,由于沥青用量的增加,沥青混合料与基底的接触面增大,这样抗剪强度有所增加。粘结层沥青厚度超过沥青混合料纹理深度之后,沥青粘结层的粘结力降低,由于击实的作用多余的沥青被挤出试件,其粘结力降低的水平趋于稳定。试验温度30℃时,由于温度的降低,沥青的粘度增加从而粘结力有所增加,但随着沥青用量的增加多余的沥青被挤出,其粘结力趋于稳定。
　　原材料的因素
　　沥青含量与路用性能的关系
　　下封层、粘层及透层油的施工工艺有一个共同的特点,就是都可以提高刚性、柔性结构层之间的抗剪强度,但它们的抗剪强度不同。下封层作为沥青路面结构层间结合料时的抗剪强度最大,作为粘结过渡层效果最好。
　　一般可用击实法模拟工程实际,既可用于确定沥青粘结层的合理用量,也可以用来确定沥青粘结层的抗剪强度,但对基底材料的强度要求较高,否则击实时基底材料会破坏。试件的试验温度是关键,温度低抗剪强度高,温度高抗剪强度低。同样条件下,利用击实法成型的试件,水泥混凝土为基底的试件的抗剪强度要比以钢板为基底的试件的抗剪强要高,这说明基底的粗糙程度对抗剪强度有影响,而且比基底的强度对抗剪强度影响大。所以要在提高基底强度的同时注意提高其粗糙程度,而得到较高的抗剪强度。
沥青材料的确定
　　沥青具有热粘性,但存在软化点偏低、易吸热软化的缺点。由于沥青缺乏高温抗变形能力,因而降低了高温环境下路面的承载能力,容易形成车辙等病害,当然沥青放在面层当中还会出现粘附轮胎现象,致使车轮飘滑,造成安全隐患。下封层宜采用层铺法表面处治或稀浆封层法施工。稀浆封层可采用乳化沥青或改性乳化沥青作结合料。透层油的选择是根据基层类型,常用的有液体沥青、乳化沥青、煤沥青等。液体石油沥青根据使用目的与场所,可选用快凝、中凝、慢凝。宜采用针入度较大的石油沥青,使用前按先加热后加稀释剂的顺序,掺配煤油或轻柴油,经适当的搅拌、稀释而成。乳化沥青类型根据集料品种及使用条件选择。阳离子乳化沥青可适用于各种集料品种,阴离子乳化沥青适用于碱性石料。乳化沥青的破乳速度、粘度宜根据用途与施工方法选择。煤沥青用于各种等级公路的基层透层时宜采用T21级或T22级,与道路石油沥青、乳化沥青混合使用,以改善渗透性并能与基层连接成为一体。粘层油宜采用快裂或中裂乳化沥青、改性乳化沥青,也可以采用快、中凝液体石油沥青。粘层油品种和用量,应根据下卧层的类型通过试验确定。当粘层油上铺筑薄层大空隙排水路面时,粘层油的用量宜增加到0.6L/m2～1.0L/m2。当沥青层之间兼作封层而喷撒的粘层油宜采用改性沥青或改性乳化沥青,其用量不少于1.0L/m2。
　　施工因素
　　施工准备
　　粘层施工前应检查基层或下卧沥青层的质量,不符合要求的不得铺筑沥青层。旧沥青路面或下卧层已被污染时,必须清洗或经铣刨处理且待路面干燥后再进行施工。施工应尽量选在夏季且一天当中气温较高时,不允许夜间或凌晨施工。
施工方案
　　按照规范要求,粘层施工时须使沥青喷撒成雾状,在路面全宽内均匀分布成一薄层。粘层油宜在当天撒布,待乳化沥青破乳、水分蒸发完成,或稀释沥青中的稀释剂基本挥发完成后,紧跟着铺筑沥青层。透层沥青施工时,若沥青为热改性沥青,特别是SBS改性沥青,需要在高温时进行喷撒,施工质量受施工环境、温度及基层的清洁状况影响。否则,容易出现离析、水和沥青分离、喷撒不匀,沥青阻塞洒布机出油孔等现象。透层沥青的施工对石屑的干燥度要求很高,所用石屑必须经过过筛。同时,撒布石屑后必须及时碾压才能达到满意的质量效果。下承层是半刚性基层的透层宜紧接在基层碾压成型后表面稍变干燥,但尚未硬化的情况下喷撒。为了更好地使透层的粘结力增强,无机结合料粒料基层上撒布透层沥青应在铺筑沥青层前1d～2d撒布。下封层的作用效果明显优越于粘层、透层。它是由级配石料、沥青乳化液、添料、助剂,通过稀浆封层施工机械按比例集中投料、拌和并完成摊铺的一种细料式沥青混凝土薄层施工工艺,具有密级配、大油量的特点,粘结性和密封性都特别好。在摊铺沥青面层时可直接进行沥青路面的施工,下封层会在沥青混合料的高温及压路机的振动下进一步密实,真正起到粘结、密实、防水的作用。
　　粘结强度的评价
　　沥青层间粘结力的评价主要是通过对沥青混合料的抗剪强度进行试验分析。目前有一种原理简单且参数可以改变的直剪仪器,这种设备还可以用来方便地测试路面钻芯和试验室制备的圆柱体试件。为此设计制造了一种可在MTS上操作的简单直剪仪器。该仪器的两个剪切套具间的间距可调,并且利用MTS可以方便地以控制应变或控制应力的模式加载,荷载的大小和试验温度也可调整。仪器通过剪切套具下的支撑的偏移来实现剪切,操作简便,试验数据由软件自动采集和输出。
　　根据文献[4]得知:表面有水(模拟雨水)的粘结层的粘结强度比相同情况下干燥路段的要低。潮湿路段的粘结强度随时间而增长,但始终不能达到相同条件下干燥路段的强度。层间结合料用量为0.36L/m2,潮湿路段的剪切强度比层间结合料用量为0.09L/m2的潮湿路段的要高。
　　结语
　　通过对粘结力影响重大的主要结构层进行分析,从沥青粘结层结构、材料特征、施工等方面提炼出改善沥青粘结力的注意事项,以便更全面地指导沥青路面的施工。
　　粘结力强的釉面瓷砖
　　釉面砖是一种广泛用于墙面装饰的饰面砖，普遍用低廉的水泥沙浆镶贴施工。但由于水泥沙浆作为粘结料的粘结力差，镶贴于墙面的釉面易脱落，这不仅严重影响墙面装饰效果，而且重新镶贴施工麻烦。因此为防止脱落，釉面砖底面普遍均带槽纹。近来，一种与水泥沙浆粘结力更强的釉面砖问世海外。
　　据介绍，这种釉面砖是用石膏和玻璃屑为主要原料的坯料作底层，在其上面填入砖坯料，加压成复合坯体，干燥、施釉、烧结而成。烧结后的底层为石膏瓷质层，主体层为陶瓷质层，底层厚度为总坯体厚度的1/10～1/3。石膏瓷层不易溶于水，但石膏再结晶粒表面未被玻璃质完全覆盖，仍具有一定的吸水性。当石膏瓷质底面吸收沙浆中的水分，溶出无水石膏时，与沙浆中的水泥起反应，生成水化硫铝酸钙和水化硫铁酸钙针状晶体，填充于石膏再结晶粒的微细间隙。因此石膏瓷质底面能与水泥沙浆产生高粘结力。如将用无水石膏与碎玻璃屑作底层的釉面专用水泥沙浆（水泥：沙=1：2镶贴于墙面，于空气中养护28天，粘结强度达到22．6kg/cm2，而用同一沙浆或有机粘结剂镶贴底面为槽纹的常用普遍釉面砖，粘结强度分别为12．2kg/cm2和24．9kg/cm2，两者相比，用水泥沙浆镶贴时，底面为石膏瓷质的釉面砖较普通釉面砖的粘结强度相差极小，若将石膏瓷质底面再形成槽纹，粘结强度提高得多；而与有机粘结剂镶贴普通釉面砖的粘结强度相差极小?若将石膏瓷质底面再形成槽纹?釉面砖粘结强度还能进一步提高。
　　这种高粘结力釉面砖的问世解决了水泥沙浆镶贴时粘结力低的问题，有效防止砖的脱落，减少因釉面砖脱落而需多次镶贴施工的次数。