蘇慶田, 杜　霄, 李晨翔, 姜　旭

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092； 2.上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200030)

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鋼與混凝土界面的基本物理參數(shù)測(cè)試

蘇慶田1, 杜霄1, 李晨翔2, 姜旭1

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092； 2.上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200030)

摘要：為定量了解組合梁中鋼與混凝土界面上粘接力及摩擦系數(shù)等基本物理參數(shù)的大小，通過(guò)一系列試驗(yàn)測(cè)試了工程上常用的鋼與混凝土界面涂裝形式的黏結(jié)強(qiáng)度和摩擦系數(shù).設(shè)計(jì)制作了16組試件測(cè)試鋼與混凝土之間的抗剪黏結(jié)強(qiáng)度，考慮了試件界面尺寸效應(yīng)、不同界面涂裝形式及不同的法向壓力的影響；設(shè)計(jì)制作了6組試件測(cè)試不同界面涂裝形式下的鋼與混凝土界面抗拉黏結(jié)強(qiáng)度；設(shè)計(jì)制作了6組試件測(cè)試了不同界面涂裝形式下鋼與混凝土界面的靜、動(dòng)摩擦系數(shù).研究表明：界面尺寸效應(yīng)對(duì)鋼與混凝土界面的強(qiáng)度影響不大；界面涂裝形式對(duì)界面的黏結(jié)強(qiáng)度影響較大，抗剪強(qiáng)度在0.04～0.28 MPa之間，抗拉強(qiáng)度在0.38～0.82 MPa之間，靜摩擦系數(shù)在0.73～1.06之間，動(dòng)摩擦系數(shù)在0.5～0.74之間；法向壓力對(duì)界面的剪切黏結(jié)強(qiáng)度影響較大，且滿(mǎn)足庫(kù)侖摩擦模型.

關(guān)鍵詞：組合梁； 黏結(jié)強(qiáng)度； 摩擦； 試驗(yàn)

土木工程中大量使用由鋼材和混凝土材料結(jié)合而成的組合結(jié)構(gòu)，如建筑結(jié)構(gòu)中的組合梁、組合柱和組合樓板以及橋梁中各種形式的組合梁、組合橋塔和鋼管混凝土組合拱肋等[1-2].這些結(jié)構(gòu)中鋼與混凝土的交界面上通過(guò)黏結(jié)作用、摩擦、機(jī)械咬合作用及結(jié)構(gòu)連接件等實(shí)現(xiàn)二者間的傳力達(dá)到組合結(jié)構(gòu)的協(xié)同受力[2-5].由于不同組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，其鋼與混凝土界面的各種作用效應(yīng)被考慮的也不相同.橋梁工程的組合梁在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)通常忽略了鋼與混凝土組合梁界面上黏結(jié)和摩擦作用，只考慮二者間的連接件作用[6-7].這種方法對(duì)保證組合梁連接件的受力是安全的，也符合常規(guī)組合梁的實(shí)際受力特性.但是隨著一些新型組合梁的工程使用及推廣，為了滿(mǎn)足具體施工中某些技術(shù)，如后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁中張拉預(yù)應(yīng)力的需要[8]，必須對(duì)組合界面的黏結(jié)和摩擦作用進(jìn)行準(zhǔn)確分析，這就需要知道組合梁鋼與混凝土界面的基本物理參數(shù)值.

目前有關(guān)鋼與混凝土界面的基本物理參數(shù)的研究已有相關(guān)報(bào)道，如Bryson和Mathey[9]于1962年研究了型鋼表面狀況對(duì)型鋼混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的影響，薛立紅[10]于1996年通過(guò)32個(gè)鋼管混凝土的推出試驗(yàn)系統(tǒng)地研究了鋼管與核心混凝土的界面黏結(jié)性能，肖建莊[11]于2012年對(duì)高溫后C100高強(qiáng)混凝土與軋制鋼板間黏結(jié)剪切強(qiáng)度及摩擦系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，劉振宇[12]于2012年采用了對(duì)拉法和彎拉法進(jìn)行了鋼與混凝土法向黏結(jié)力測(cè)試.但這些研究中鋼與混凝土界面與橋梁中所應(yīng)用的鋼與混凝土的界面有一定差別，它不包括橋梁中組合梁常用的鋼與混凝土界面涂裝處理方式.因此，有必要針對(duì)橋梁工程中組合梁的鋼與混凝土界面常用涂裝處理方式進(jìn)行基本的物理性能研究.

設(shè)計(jì)制作了一系列試件，測(cè)試組合梁常用涂裝處理方式下鋼與混凝土界面的基本物理參數(shù)：抗剪黏結(jié)強(qiáng)度、抗拉黏結(jié)強(qiáng)度和靜、動(dòng)摩擦系數(shù).

1鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試

1.1試驗(yàn)方法

為測(cè)量鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度，考慮影響鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度的三個(gè)因素：界面尺寸、界面涂裝方法和界面法向力.其中，不同界面尺寸抗剪試驗(yàn)采用組合梁常見(jiàn)的環(huán)氧富鋅底漆測(cè)試鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度的平均值以及試件尺寸對(duì)其的影響；不同界面涂裝方式抗剪試驗(yàn)用于研究鋼板表面不同處理方式對(duì)鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度的影響；不同法向力界面抗剪試驗(yàn)用于研究不同界面法向力作用對(duì)鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度的影響.

界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)在混凝土兩側(cè)放置鋼板，加載采用槽鋼作為傳力裝置，槽鋼長(zhǎng)200 mm，寬120 mm，并焊接三根加勁肋，既保證剪力均勻傳遞到鋼板上，也防止在荷載施加過(guò)程中對(duì)界面產(chǎn)生拉拔力.抗剪試件均在WA-200電液伺服式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，最大試驗(yàn)力200 kN，加載過(guò)程采用力控制，加載速率不高于0.5 kN·s-1.加載至鋼板脫落時(shí)記錄最大豎向荷載F，由F除以試件黏結(jié)面積A即可求得鋼與混凝土截面平均抗剪黏結(jié)強(qiáng)度τ.

S150試件加載方案示意圖如圖1所示，加載體系如圖2所示，在加載前保證槽鋼與鋼板上緣以及混凝土上緣接觸平整.此外，為防止木模板在養(yǎng)護(hù)期間吸水造成鋼與混凝土黏結(jié)處強(qiáng)度減弱，在模板制作時(shí)在鋼板與木模板接觸部位均用膠帶做隔水措施，其中接觸面尺寸150 mm×150 mm的試件均采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm可拆卸的塑料模板，不僅保證水分不被木模板吸收，同時(shí)方便了模板的拆卸，防止試件在拆模板期間損壞.

a 試件立面圖

b 試件平面圖

Fig.1Schematic diagram of loading in specimen S150(Unit：mm)

圖2　S150抗剪黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)加載體系

1.2不同界面尺寸對(duì)抗剪性能的影響

1.2.1試驗(yàn)試件

不同界面尺寸抗剪試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：100 mm×100 mm，125 mm×125 mm，150 mm×150 mm，175 mm×175 mm，200 mm×200 mm，混凝土兩側(cè)鋼板厚度均為16 mm，如圖3所示，每次試驗(yàn)僅對(duì)一側(cè)鋼板進(jìn)行抗剪試驗(yàn).每種試件尺寸需進(jìn)行3個(gè)試驗(yàn)試件，共計(jì)15個(gè)試件(按鋼板數(shù)量計(jì)，下同).預(yù)留三個(gè)150 mm×150 mm×150 mm立方體混凝土試塊測(cè)試混凝土強(qiáng)度，三個(gè)試塊在28 d時(shí)測(cè)得平均立方體強(qiáng)度為57.0 MPa.

圖3　不同尺寸界面抗剪試件

1.2.2測(cè)試結(jié)果

所有試件破壞時(shí)均為鋼板突然與混凝土脫離并滑落，如圖4所示為試件S150-1破壞模態(tài).破壞表面均為混凝土表面較為光滑，而鋼板表面局部仍有混凝土碎塊黏結(jié)在鋼板表面，圖5為試件S150-1破壞后黏結(jié)層鋼板與混凝土表面的破壞情況，其中鋼板表面淺色部分即為破壞后仍舊黏結(jié)在鋼板上的混凝土碎塊.抗剪試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

圖4　試件S1501破壞形態(tài)

圖5　試件S1501破壞表面

試件編號(hào)面積A/mm*mm抗剪強(qiáng)度τ/MPaS1S2S3平均抗剪強(qiáng)度τ/MPaS100100×1000.1800.5300.3280.346S125125×1250.2340.2370.3250.265S150150×1500.1120.3140.4000.275S175175×1750.2380.2700.1910.233S200200×2000.2240.1440.1070.158

從表1的結(jié)果可以看出，界面尺寸大小對(duì)鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度影響不大，表現(xiàn)為鋼板尺寸越大，抗剪黏結(jié)強(qiáng)度越小的趨勢(shì)，S100試件界面面積為S200試件的4倍，但平均抗剪強(qiáng)度約為S200的2倍.鋼板表面處理為環(huán)氧富鋅底漆時(shí)，不同界面尺寸的鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度平均值約為0.256 MPa.

1.3不同界面涂裝方式對(duì)抗剪性能的影響

1.3.1試驗(yàn)試件

不同涂裝界面抗剪試驗(yàn)，采用一致的接觸面尺寸150 mm×150 mm，根據(jù)現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝工藝方法擬定6種不同的涂裝方法，分別為環(huán)氧富鋅底漆、未經(jīng)處理的干凈軋制表面、動(dòng)力工具打磨至ST3級(jí)、普通銹蝕、普通銹蝕涂機(jī)油和普通銹蝕涂脫模劑，如圖6所示.每種測(cè)試內(nèi)容需進(jìn)行3個(gè)試驗(yàn)試件，共計(jì)18個(gè)試件.試件示意圖同圖1中S150試件.

a 環(huán)氧富鋅底漆

b 不處理

c 動(dòng)力工具打磨

d 普通銹蝕

e 普通銹蝕涂機(jī)油

f 普通銹蝕涂脫模劑

不同涂裝界面抗剪試件均采用與S150模板一致的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的塑料可拆模板，防止木模板吸水，并降低拆卸過(guò)程中對(duì)試件的損壞.試驗(yàn)方案也與不同尺寸界面抗剪試驗(yàn)一致，此處不再贅述.

1.3.2測(cè)試結(jié)果

所有試件破壞時(shí)均為鋼板突然與混凝土脫離并滑落，破壞形態(tài)與S150試件一致，不再贅述.破壞表面均為混凝土表面較為光滑，而鋼板表面局部仍有混凝土碎塊黏結(jié)在鋼板表面，其中鋼板表面淺色部分即為破壞后仍舊黏結(jié)在鋼板上的混凝土碎塊，混凝土碎塊基本分布在鋼板生銹處.采用不同界面涂裝的抗剪試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2　不同涂裝界面抗剪試驗(yàn)結(jié)果

從表2結(jié)果可看出，界面涂裝對(duì)鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度影響較大，鋼板表面處理為環(huán)氧富鋅底漆時(shí)，鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度約為0.275 MPa，鋼板表面處理為未經(jīng)處理的干凈軋制表面時(shí)，鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度約為0.237 MPa，而鋼板表面處理為打磨和普通銹蝕時(shí)，鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度減小至0.1 MPa以下，在普通銹蝕鋼板表面涂機(jī)油和脫模劑差別不大，但鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度明顯小于其他表面處理方式.

1.4法向壓力對(duì)抗剪性能的影響

1.4.1試驗(yàn)試件

不同法向力界面抗剪試驗(yàn)，接觸面尺寸采用一致的150 mm×150 mm，鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝均為環(huán)氧富鋅底漆，根據(jù)組合梁鋼梁上翼緣承受壓力大小，擬定5種不同的法向力作用下(0～1 MPa)的抗剪試驗(yàn)，每種測(cè)試內(nèi)容需進(jìn)行3個(gè)試驗(yàn)試件，共計(jì)15個(gè)試件.試件及加載裝置如圖7和圖8所示，與不同界面尺寸抗剪試驗(yàn)和不同界面涂裝抗剪試驗(yàn)不同，試件僅一側(cè)放置鋼板，并采用兩個(gè)槽鋼和兩根螺桿組成一套夾具，擰緊兩側(cè)螺絲對(duì)試件施加壓力，并通過(guò)螺桿上的應(yīng)變片換算夾具加壓值，從而控制法向力的施加.

a 裝置立面圖

b 裝置平面圖

Fig.7Schematic diagram of specimen with different normal pressure(Unit：mm)

圖8　不同法向力抗剪黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)加載體系

1.4.2測(cè)試結(jié)果

不同法向力界面抗剪試件破壞時(shí)與上文所述的兩種試驗(yàn)不同，為鋼板突然與混凝土錯(cuò)動(dòng)，但并未脫開(kāi)，破壞時(shí)明顯看到鋼板與混凝土產(chǎn)生相對(duì)滑移，但是由于法向壓力仍然施加在界面上，界面產(chǎn)生的摩擦力阻止了鋼板繼續(xù)下滑.采用不同法向力界面抗剪試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3不同法向力界面抗剪試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3Shear strength of interface with different normal pressures

試件編號(hào)法向壓力σ/MPa面積A/mm*mm抗剪強(qiáng)度τ/MPaS1S2S3平均抗剪強(qiáng)度τ/MPaFS10150×1500.1120.3140.4000.275FS20.25150×1500.1900.2810.3710.281FS30.50150×1500.5160.2640.7070.496FS40.75150×1500.6040.9830.9190.836FS51.00150×1501.2710.6760.7840.910

從表3結(jié)果可看出，界面法向壓力對(duì)鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度影響較大，根據(jù)表3，得到鋼與混凝土界面法向壓力與界面抗剪強(qiáng)度關(guān)系如圖9，鋼與混凝土界面法向壓力P越大，界面抗剪強(qiáng)度τ越大，通過(guò)擬合得到相應(yīng)的關(guān)系為τ=0.729 9P+0.194 6，單位MPa.

圖9　界面抗剪強(qiáng)度隨法向壓力的變化

Fig.9Change of interface shear bond strength with normal pressure

2鋼與混凝土界面抗拉黏結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試

2.1試驗(yàn)方法

不同涂裝抗拉強(qiáng)度測(cè)試試件采用梁的彎曲試驗(yàn)方法(圖10)，將鋼與混凝土的界面置于梁的下部，在梁受彎曲荷載作用下，最大正應(yīng)力出現(xiàn)在梁的底部外緣，即具有鋼與混凝土的黏結(jié)界面的位置，則此處受拉而破壞.這種采用梁彎曲測(cè)試鋼與混凝土的黏結(jié)界面抗拉強(qiáng)度的方法，試驗(yàn)結(jié)果離散性較小，試件的加工和運(yùn)輸也較方便.梁彎曲法測(cè)試抗拉強(qiáng)度采用一致的試件尺寸50 mm×100 mm，根據(jù)現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝工藝方法擬定6種不同的涂裝方法(與表2一致)，每種測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行3個(gè)試驗(yàn)試件，共計(jì)18個(gè)試件.鋼板在澆筑混凝土?xí)r應(yīng)保證垂直，應(yīng)變片布置在試件非錨固段的混凝土底部和側(cè)面，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，如圖10所示.

a 正立面圖

b 橫截面圖

Fig.10Schematic diagram of loading in tensile bond strength test(Unit：mm)

2.2不同界面涂裝方式對(duì)抗拉黏結(jié)強(qiáng)度的影響

2.2.1試驗(yàn)試件

試驗(yàn)梁采用木模成型，如圖11a所示.為保證拆模過(guò)程中最小程度損傷鋼與混凝土界面黏結(jié)，除鋼板試件處，其余模板涂機(jī)油方便拆模，模板設(shè)置擋板方便拆模.同時(shí)，為防止木模板在養(yǎng)護(hù)期間吸水造成鋼與混凝土黏結(jié)處強(qiáng)度減弱，在模板制作時(shí)在鋼板與木模板接觸部位均用膠帶做隔水措施.將內(nèi)置鋼板試件預(yù)埋在規(guī)定位置后澆筑混凝土.內(nèi)置鋼板試件如圖11b所示，將一塊厚度為16 mm，尺寸為50 mm×50 mm的鋼板焊接在試件一側(cè)，提供抗拉試驗(yàn)中鋼板一側(cè)的錨固力，保證試件界面破壞在另外一側(cè).

a 木模

b 內(nèi)置鋼板

試件在陰涼通風(fēng)處澆水養(yǎng)護(hù)，拆模時(shí)，為避免拆模過(guò)程影響界面黏結(jié)作用，將試件倒置，使黏結(jié)面朝上，拆模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù).試件搬運(yùn)仍舊保持黏結(jié)面朝上，待放到支座上以后再將試件翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，使黏結(jié)面朝下，進(jìn)行加載.試驗(yàn)加載圖如圖12所示，試驗(yàn)采用鋼板分級(jí)加載，每塊鋼板的重量約0.03 kN.

圖12　試件MT11加載圖

2.2.2測(cè)試結(jié)果

所有抗拉試件破壞時(shí)均為試驗(yàn)梁突然斷裂破壞，如圖13所示為試件MT1—2破壞形態(tài).破壞表面均為混凝土表面較為光滑，而鋼板表面局部仍有混凝土碎塊黏結(jié)在鋼板表面，圖14為試件MT1—2破壞后鋼板與混凝土表面的破壞情況，其中鋼板表面淺色部分即為破壞后仍舊黏結(jié)在鋼板上的混凝土.

圖13　試件MT12破壞形態(tài)

a 鋼板表面

b 混凝土表面

由于試件數(shù)量較多，僅取2個(gè)試件的應(yīng)變片測(cè)試數(shù)據(jù)為典型進(jìn)行分析.圖15是典型試件荷載—應(yīng)變(P-ε)曲線(xiàn)，從圖中可以看出，隨著荷載的持續(xù)增加，應(yīng)變基本上呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，加載至一定的荷載時(shí)，應(yīng)變產(chǎn)生明顯的拐點(diǎn)，表明此時(shí)該處的界面已經(jīng)脫開(kāi).一旦界面脫開(kāi)，應(yīng)變由于應(yīng)力的釋放產(chǎn)生回縮，應(yīng)變開(kāi)始變小.

由于試件制作等原因，部分試件并不能測(cè)出如圖15中典型荷載—應(yīng)變曲線(xiàn)，并結(jié)合實(shí)際觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)在加載初期界面已經(jīng)存在細(xì)微的裂縫，繼續(xù)施加荷載只能擴(kuò)大裂縫的寬度，并不能對(duì)界面附近的應(yīng)力造成影響，這部分試件的測(cè)試結(jié)果忽略.對(duì)于同一試件，在4個(gè)位置各布有一個(gè)應(yīng)變片，在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，部分應(yīng)變片測(cè)量的應(yīng)變較小甚至無(wú)變化，考慮可能是局部裂縫引起的，對(duì)這部分結(jié)果也忽略.

將同一試件4個(gè)應(yīng)變片脫開(kāi)時(shí)最大應(yīng)變平均值作為該試件界面黏結(jié)破壞時(shí)的應(yīng)變值，將應(yīng)變值乘以混凝土彈性模量得到抗拉黏結(jié)強(qiáng)度，如表4所示.其中，共計(jì)18個(gè)試件中有7個(gè)試件未能得到抗拉黏結(jié)強(qiáng)度值，即這部分試件在試驗(yàn)開(kāi)始前界面已發(fā)生裂縫和破壞.

從表4可以看出，界面涂裝對(duì)鋼與混凝土界面抗拉黏結(jié)強(qiáng)度有一定的影響，不同涂裝界面抗拉試件的平均抗拉黏結(jié)強(qiáng)度約0.38～0.82 MPa，其中采用環(huán)氧富鋅底漆和打磨處理兩種表面處理方式的界面，抗拉黏結(jié)強(qiáng)度較大，約0.8 MPa，而鋼板表面為普通銹蝕及在銹蝕表面涂油和脫模劑時(shí)，抗拉黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)降低，約0.6 MPa，測(cè)試數(shù)據(jù)規(guī)律與不同涂裝界面抗剪試驗(yàn)基本相似.

a MT1—1試件3#應(yīng)變片

b MT3—2試件1#應(yīng)變片

表4　不同涂裝界面抗拉試驗(yàn)結(jié)果

3鋼與混凝土界面摩擦系數(shù)的測(cè)試

3.1試驗(yàn)方法及原理

本文摩擦系數(shù)的測(cè)量結(jié)果基于兩點(diǎn)假定：①摩擦生熱引起的內(nèi)能消耗以及滑輪的摩擦作用均忽略不計(jì)；②滑塊在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)摩擦系數(shù)不變.鋼板和混凝土之間的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)的測(cè)量裝置如圖16所示.

a 靜摩擦系數(shù)

b 動(dòng)摩擦系數(shù)

測(cè)量靜摩擦系數(shù)(μs)時(shí)，緩慢增加重物(水)的重量，直至混凝土滑塊剛好滑動(dòng)，記錄混凝土滑塊的重量W，重物的重量G.剛好滑動(dòng)時(shí)，混凝土滑塊受到繩子的拉力G與滑塊的靜摩擦力(Fs)為一對(duì)平衡力，則靜摩擦系數(shù)μs為G/W.

測(cè)量動(dòng)摩擦系數(shù)(μd)時(shí)，重物的重量M為定值，且略大于混凝土滑塊的重量W.試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)混凝土滑塊盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并應(yīng)先接通電源，再放小車(chē)，且在小車(chē)達(dá)到鋼板邊緣前按住混凝土滑塊.根據(jù)紙帶上點(diǎn)的位置計(jì)算加速度a，根據(jù)牛頓第二定律，物體的加速度跟作用在它上面的力成正比，則動(dòng)摩擦系數(shù)μd為

(1)

3.2不同界面涂裝方式對(duì)摩擦系數(shù)的影響

3.2.1試驗(yàn)試件

根據(jù)現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝工藝方法擬定6種不同的涂裝方法(與表2一致)，測(cè)量混凝土與不同涂裝鋼板之間的靜、動(dòng)摩擦系數(shù).混凝土塊由抗剪試件中的混凝土切割而成，并使摩擦試驗(yàn)中與鋼板接觸面即為抗剪試驗(yàn)中的剪切面.鋼板為鋼板表面涂裝不同的抗剪試件MS1—MS6中脫落的鋼板，從而真實(shí)地模擬鋼與混凝土界面剪切破壞后鋼板與混凝土界面的摩擦系數(shù).每組試件重復(fù)試驗(yàn)3次，以求得摩擦系數(shù)的均值.

3.2.2測(cè)試結(jié)果

不同涂裝鋼板與混凝土界面的靜、動(dòng)摩擦試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.其中靜、動(dòng)摩擦試驗(yàn)混凝土塊質(zhì)量W=540 g，動(dòng)摩擦試驗(yàn)中重物質(zhì)量M=627 g，重力加速度g統(tǒng)一取9.8 m·s-2.

從表5可以發(fā)現(xiàn)，不同涂裝鋼板與混凝土界面的靜摩擦系數(shù)為0.7～1.0，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.5～0.7.鋼和混凝土界面涂油和涂脫模劑對(duì)界面摩擦系數(shù)影響明顯，其中涂油對(duì)界面靜、動(dòng)摩擦系數(shù)分別減小8%和32%，涂脫模劑對(duì)界面靜、動(dòng)摩擦系數(shù)分別減小28%和29%.各涂裝鋼板與混凝土界面靜、動(dòng)摩擦系數(shù)變化規(guī)律基本保持一致，即靜摩擦系數(shù)較大，則相應(yīng)的動(dòng)摩擦系數(shù)也較大.但與表2比較，發(fā)現(xiàn)界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度和摩擦系數(shù)關(guān)系并不明顯，并非抗剪強(qiáng)度最大的環(huán)氧富鋅底漆MS1對(duì)應(yīng)的FS1的摩擦系數(shù)最大，反而是普通銹蝕MS4對(duì)應(yīng)的FS4的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)均最大.分析原因，應(yīng)為鋼板發(fā)生銹蝕后并未促進(jìn)混凝土與鋼板的黏結(jié)，有可能對(duì)鋼和混凝土之間黏結(jié)有一定副作用，造成銹蝕鋼板的抗剪黏結(jié)強(qiáng)度較小，但是鋼板表面因生銹而變得粗糙，摩擦系數(shù)一定會(huì)增大.

表5　不同界面涂裝下靜、動(dòng)摩擦系數(shù)

環(huán)氧富鋅底漆試件鋼板與混凝土界面靜摩擦系數(shù)為0.727，與圖9法向壓力與界面抗剪強(qiáng)度關(guān)系中線(xiàn)性擬合結(jié)果的斜率0.729 9基本一致，即試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證，本次試驗(yàn)結(jié)果可靠.

4結(jié)論

根據(jù)工程上組合梁常見(jiàn)的鋼與混凝土界面涂裝方式，進(jìn)行了鋼與混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，包括抗剪、抗拉和摩擦試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得到了以下結(jié)論：

(1) 鋼與混凝土黏結(jié)界面尺寸大小對(duì)界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度影響不大，鋼板表面處理為環(huán)氧富鋅底漆時(shí)，不同界面尺寸的鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度平均值約為0.256 MPa.

(2) 界面涂裝對(duì)鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度影響較大，鋼板表面處理為環(huán)氧富鋅底漆時(shí)，鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度約為0.275 MPa，鋼板表面處理為未經(jīng)處理的干凈軋制表面時(shí)，鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度約為0.237 MPa，而鋼板表面處理為打磨和普通生銹時(shí)，鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度減小至0.1 MPa以下，在普通生銹鋼板表面涂機(jī)油和脫模劑差別不大，對(duì)鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度減小有明顯影響.

(3) 界面法向壓力對(duì)鋼與混凝土界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度影響較大，得到鋼與混凝土界面法向壓力與界面抗剪強(qiáng)度關(guān)系接近庫(kù)倫理論，鋼與混凝土界面法向壓力越大，界面抗剪強(qiáng)度越大，通過(guò)擬合得到相應(yīng)的關(guān)系為τ=0.729 9P+0.194 6(單位MPa).

(4) 界面涂裝對(duì)鋼與混凝土界面抗拉黏結(jié)強(qiáng)度有一定的影響，不同涂裝界面抗拉試件的平均抗拉黏結(jié)強(qiáng)度約0.38～0.82 MPa，其中采用環(huán)氧富鋅底漆和打磨處理兩種表面處理方式的界面，抗拉黏結(jié)強(qiáng)度較大，約0.8 MPa，而鋼板表面為普通銹蝕及在銹蝕表面涂油和脫模劑時(shí)，抗拉黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)降低，約0.6 MPa.

(5) 不同涂裝鋼板與混凝土界面的靜摩擦系數(shù)為0.7～1.0，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.5～0.7.鋼和混凝土界面涂油和涂脫模劑對(duì)界面摩擦系數(shù)減小明顯，界面抗剪黏結(jié)強(qiáng)度和摩擦系數(shù)關(guān)系并不明顯.

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Tests of Basic Physical Parameters of Steel-concrete Interface

SU Qingtian1， DU Xiao1， LI Chenxiang2， JIANG Xu1

(1. College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China； 2. Shanghai Municipal Transportation Design & Research Institute Co. Ltd.， Shanghai 200030， China)

Abstract：In order to quantify the basic physical parameters of steel-concrete interface of composite girders, a series of experiments were conducted to measure the bond strength and friction coefficients of steel-concrete interface with different painting ways which are commonly used in engineering. 16 groups of specimens were designed and tested to measure the shear bond strength of steel-concrete interface with a consideration of the influence of specimen size effect, painting way and normal pressure of the interface. 6 groups of specimens with different painting ways were designed and tested to measure the tensile bond strength of steel-concrete interface. Another 6 groups of specimens with different painting ways were designed and tested to measure the static and dynamic friction coefficient of steel-concrete interface. The results of tests show that the size of steel-concrete interface has little influence on the bond strength, but the painting way of the interface has great effect on the bond strength. With different painting ways, the shear bond strength is between 0.04 and 0.28 MPa, the tensile bond strength is between 0.38 and 0.82 MPa, the static friction coefficient is between 0.73 and 1.06, and the dynamic friction coefficient is between 0.50 and 0.74. The normal pressure and shear bond strength of steel-concrete interface are correlated, which follows the Coulomb friction model.

Key words：composite girder； bond strength； friction； experimental study

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TU398

通訊作者:姜旭(1982—)，男，講師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)殇撆c組合(FRP)結(jié)構(gòu). E-mail：jiangxu@#edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家“九七三”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB036303)

收稿日期：2015—05—05

第一作者： 蘇慶田(1974—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)殇撆c組合結(jié)構(gòu)橋梁. E-mail：sqt@#edu.cn