粘結力

粘結力指粘結劑與被粘結物體界面上分子間的結合力。長期以來，鋼筋鏽蝕對鋼筋混凝土構件粘結力的影響一直被工程界所重視，其影響主要集中在粘結力和承載力的變化上。

基本介紹

• 中文名：粘結力
• 外文名：Adhesive force
• 類型：結合力
• 定義：粘結劑與被粘結物體界面上分子間
• 隸屬：力學

影響

套用有限元方法模擬鋼筋鏽蝕影響的方法大體可分為兩種，一種是模擬鋼筋鏽蝕時的體積膨脹引起的內力，另一種則是模擬膨脹時的位移量。從溫度角度出發，即施加於鋼筋一定的溫度模擬其膨脹過程對構件粘結力及承載力的影響，對試驗結果進行對比分析。

對於岩石來說，岩石的抗壓強度σc、抗拉強度σt、抗剪強度τo、和粘結力C有如下關係：

σc=10σt (σt的係數變化範圍為6~20)

σc=5τo (τo的係數變化範圍為6~20)

τo=1.8σt (σt的係數變化範圍為6~20)

τo=0.7C (C的係數變化範圍為6~20)

模型建立

目的

（1）證明粘結力變化趨勢及荷載數值與試驗結果接近。

（2）利用溫度膨脹模型模擬鋼筋鏽蝕對鋼筋混凝土粘結力及承載力的影響是有效的和可行的，並避免了採用給鋼筋施加均勻內力及變形模擬鏽蝕影響的與實際情況偏離的不利影響，是對鋼筋混凝土中鋼筋鏽蝕問題的數值分析方法的補充與完善。

單元選擇劃分

採用軸對稱有限元分析模型，對稱軸取在主筋長向的形心線上。混凝土為一內半徑為7mm、外半徑為50mm的圓環。主筋直徑為14mm.鋼筋在混凝土中的錨固長度取10倍鋼筋直徑即140mm，主筋為一內徑為5mm、外徑為7mm的鋼圓環。主筋肋高取0.5mm，肋間距取7mm.箍筋採用矩形截面等效圓形截面面積。混凝土及箍筋取4點軸對稱塊體單元，主筋及肋採用2節點軸對稱殼體單元。鋼筋與混凝土間的摩擦力被忽略，但以主筋肋截面為矩形作為補充。利用ABAQUS程式進行分析，有限元單元劃分。

材料性能

混凝土被視為彈塑性材料，彈性模量E=34500MPa，波松比ν=0.18，抗壓強度fc=50MPa，抗拉強度ft=4.25MPa，破壞時的塑性應變取1.4×10^-3，產生裂縫後考慮由於剪下剛度變化引起的軟化。假定裂縫後混凝土抗拉強度為線性損失並在應變為1.2×10^-3後無拉應力存在。混凝土雙軸極限抗壓強度與單軸抗壓強度之比為1.16.箍筋為彈性材料，主筋為彈塑性材料，彈性模量E=2.06×10⁵MPa，波松比ν=0.3，鋼材屈服強度為550MPa，抗拉強度為600MPa。

分析步驟

數值分析由鋼筋鏽蝕前的載入階段、鋼筋鏽蝕階段和鏽蝕後的載入階段組成，構件在荷載作用下的破壞過程按照不穩定分析原理並採用修正的RIKS方法進行分析，同時考慮幾何非線性變化的影響。

由於鋼筋鏽蝕而導致的鋼筋體積膨脹在分析中採用主筋單元在溫度作用下的體積膨脹，鋼材的膨脹係數採用在溫度作用下的正交膨脹性質，也即考慮環向膨脹而忽略沿鋼筋長向和徑向的膨脹。

設鋼筋在鏽蝕前的原始半徑為r0，在溫度作用下鏽蝕深度為X，膨脹後的半徑為r，t為膨脹量，則：

r-r0=t（1）

設由膨脹引起的混凝土裂縫長度為lcr，寬度為w，由產生裂縫前後狀態時構件的體積相等導出鏽蝕深度X為：

X=t[1+lcr/（2r0）]（2）

式（2）中，膨脹量t由有限元計算直接得出，lcr從裂縫開展圖中得出。

數值階段分析

加荷階段

載入端的荷載－位移曲線。可以看出，當將混凝土視為非線性彈塑性體時，在劈裂破壞後將顯示出明顯的應變軟化。

鏽蝕階段

為鋼筋在鏽蝕狀態下混凝土單元的位移，與試驗的裂縫開展位置基本吻合。

鏽蝕後的載入

為了比較箍筋配置的影響，分別情況1和去掉中間一根箍筋情況2兩種情況進行分析計算。兩種情況下鏽蝕深度與最大荷載的關係曲線。可以看出，在鏽蝕開始階段，均有一個較明顯的下降趨勢，這也是多數試驗結果的趨勢。最大粘結力均大於鏽蝕前的最大值。同時，也可發現兩條分析曲線與試驗曲線在中間位置較為逼近。

粘結力的重要性

當瀝青層之間或瀝青層與基層之間結合面上的摩阻力大大低於瀝青混合料本身時，層間界面會存在抗剪強度不足的薄弱環節，當路面受到較大的水平剪下力時易發生剪下位移，使瀝青面層發生水平推移、車轍及壅包等病害。粘結層對瀝青層之間的拉應力和剪應力的傳遞有至關重要的作用，層間粘結力不足會導致層間推移及上面層層底拉應力集中，這種應力集中將加速疲勞開裂導致整個路面的破壞。為了保證瀝青路面的優良路用性能，必須在瀝青混凝土層間鋪設粘結層或經過處理以提高層間的粘結力。

粘結層的分類

1)下封層。多用於多雨潮濕地區的高速公路、一級公路的瀝青面層空隙較大、滲水嚴重的路面或鋪築基層後不能及時鋪築瀝青面層而需要開放交通時，宜在噴撒透層油後鋪築下封層。下封層的瀝青油石比為7.5%～13.5%，石料用量為5.4kg/m2～8.1kg/m2，石料規格為Ⅱ級配礦料，施工工藝為稀漿封層機拌和攤鋪。

2)粘層。雙層或三層熱拌熱鋪瀝青混合料路面在鋪築上面層前，其下面的瀝青層已被污染，水泥混凝土路面上鋪築瀝青面層時必須撒鋪粘層。瀝青用量為0.3L/m2～0.5L/m2，施工工藝為噴撒，不需要用石料。

3)透層。瀝青路面的級配砂礫、級配碎石基層及水泥、石灰、粉煤灰等無機料穩定土或粒料的半剛性基層上必須撒透層瀝青。瀝青用量為0.7L/m2～1.1L/m2，石料用量為2kg/m2～3kg/m2，石料規格為石屑或砂，施工工藝為撒瀝青、撒石屑並碾壓。

粘結層受力分析

粘結層的作用是把上下瀝青面層粘結起來，使荷載從上面的瀝青層傳遞到下面的瀝青層的同時沒有層間滑移或分層現象發生。根據參考文獻[1]中闡述的觀點，試驗溫度為60℃時，在一定的範圍內隨著瀝青用量的增加抗剪強度有所增加其原因在於，瀝青混合料在基底表面擊實後，瀝青混合料與基底表面緊密接觸，抗剪強度源於瀝青混合料中的骨料與基底的摩擦力及瀝青的粘結力，由於瀝青用量的增加，瀝青混合料與基底的接觸面增大，這樣抗剪強度有所增加。粘結層瀝青厚度超過瀝青混合料紋理深度之後，瀝青粘結層的粘結力降低，由於擊實的作用多餘的瀝青被擠出試件，其粘結力降低的水平趨於穩定。試驗溫度30℃時，由於溫度的降低，瀝青的粘度增加從而粘結力有所增加，但隨著瀝青用量的增加多餘的瀝青被擠出，其粘結力趨於穩定。

粘結力與瀝青

路用性能分析

下封層、粘層及透層油的施工工藝有一個共同的特點，就是都可以提高剛性、柔性結構層之間的抗剪強度，但它們的抗剪強度不同。下封層作為瀝青路面結構層間結合料時的抗剪強度最大，作為粘結過渡層效果最好。

一般可用擊實法模擬工程實際，既可用於確定瀝青粘結層的合理用量，也可以用來確定瀝青粘結層的抗剪強度，但對基底材料的強度要求較高，否則擊實時基底材料會破壞。試件的試驗溫度是關鍵，溫度低抗剪強度高，溫度高抗剪強度低。同樣條件下，利用擊實法成型的試件，水泥混凝土為基底的試件的抗剪強度要比以鋼板為基底的試件的抗剪強要高，這說明基底的粗糙程度對抗剪強度有影響，而且比基底的強度對抗剪強度影響大。所以要在提高基底強度的同時注意提高其粗糙程度，而得到較高的抗剪強度。

瀝青材料確定

瀝青具有熱粘性，但存在軟化點偏低、易吸熱軟化的缺點。由於瀝青缺乏高溫抗變形能力，因而降低了高溫環境下路面的承載能力，容易形成車轍等病害，當然瀝青放在面層當中還會出現粘附輪胎現象，致使車輪飄滑，造成安全隱患。下封層宜採用層鋪法表面處治或稀漿封層法施工。稀漿封層可採用乳化瀝青或改性乳化瀝青作結合料。透層油的選擇是根據基層類型，常用的有液體瀝青、乳化瀝青、煤瀝青等。液體石油瀝青根據使用目的與場所，可選用快凝、中凝、慢凝。宜採用針入度較大的石油瀝青，使用前按先加熱後加稀釋劑的順序，摻配煤油或輕柴油，經適當的攪拌、稀釋而成。乳化瀝青類型根據集料品種及使用條件選擇。陽離子乳化瀝青可適用於各種集料品種，陰離子乳化瀝青適用於鹼性石料。乳化瀝青的破乳速度、粘度宜根據用途與施工方法選擇。煤瀝青用於各種等級公路的基層透層時宜採用T21級或T22級，與道路石油瀝青、乳化瀝青混合使用，以改善滲透性並能與基層連線成為一體。粘層油宜採用快裂或中裂乳化瀝青、改性乳化瀝青，也可以採用快、中凝液體石油瀝青。粘層油品種和用量，應根據下臥層的類型通過試驗確定。當粘層油上鋪築薄層大空隙排水路面時，粘層油的用量宜增加到0.6L/m²～1.0L/m²。當瀝青層之間兼作封層而噴撒的粘層油宜採用改性瀝青或改性乳化瀝青，其用量不少於1.0L/m²。

施工準備

粘層施工前應檢查基層或下臥瀝青層的質量，不符合要求的不得鋪築瀝青層。舊瀝青路面或下臥層已被污染時，必須清洗或經銑刨處理且待路面乾燥後再進行施工。施工應儘量選在夏季且一天當中氣溫較高時，不允許夜間或凌晨施工。

施工方案

按照規範要求，粘層施工時須使瀝青噴撒成霧狀，在路面全寬內均勻分布成一薄層。粘層油宜在當天撒布，待乳化瀝青破乳、水分蒸發完成，或稀釋瀝青中的稀釋劑基本揮發完成後，緊跟著鋪築瀝青層。透層瀝青施工時，若瀝青為熱改性瀝青，特別是SBS改性瀝青，需要在高溫時進行噴撒，施工質量受施工環境、溫度及基層的清潔狀況影響。否則，容易出現離析、水和瀝青分離、噴撒不勻，瀝青阻塞灑布機出油孔等現象。透層瀝青的施工對石屑的乾燥度要求很高，所用石屑必須經過過篩。同時，撒布石屑後必須及時碾壓才能達到滿意的質量效果。下承層是半剛性基層的透層宜緊接在基層碾壓成型後表面稍變乾燥，但尚未硬化的情況下噴撒。為了更好地使透層的粘結力增強，無機結合料粒料基層上撒布透層瀝青應在鋪築瀝青層前1d～2d撒布。下封層的作用效果明顯優越於粘層、透層。它是由級配石料、瀝青乳化液、添料、助劑，通過稀漿封層施工機械按比例集中投料、拌和並完成攤鋪的一種細料式瀝青混凝土薄層施工工藝，具有密級配、大油量的特點，粘結性和密封性都特別好。在攤鋪瀝青面層時可直接進行瀝青路面的施工，下封層會在瀝青混合料的高溫及壓路機的振動下進一步密實，真正起到粘結、密實、防水的作用。

強度評價

瀝青層間粘結力的評價主要是通過對瀝青混合料的抗剪強度進行試驗分析。有一種原理簡單且參數可以改變的直剪儀器，這種設備還可以用來方便地測試路面鑽芯和試驗室製備的圓柱體試件。為此設計製造了一種可在MTS上操作的簡單直剪儀器。該儀器的兩個剪下套具間的間距可調，並且利用MTS可以方便地以控制應變或控制應力的模式載入，荷載的大小和試驗溫度也可調整。儀器通過剪下套具下的支撐的偏移來實現剪下，操作簡便，試驗數據由軟體自動採集和輸出。

表面有水(模擬雨水)的粘結層的粘結強度比相同情況下乾燥路段的要低。潮濕路段的粘結強度隨時間而增長，但始終不能達到相同條件下乾燥路段的強度。層間結合料用量為0.36L/m2，潮濕路段的剪下強度比層間結合料用量為0.09L/m2的潮濕路段的要高。

通過對粘結力影響重大的主要結構層進行分析，從瀝青粘結層結構、材料特徵、施工等方面提煉出改善瀝青粘結力的注意事項，以便更全面地指導瀝青路面的施工。

粘結力與釉面磚

釉面磚是一種廣泛用於牆面裝飾的飾面磚，普遍用低廉的水泥沙漿鑲貼施工。但由於水泥沙漿作為粘結料的粘結力差，鑲貼於牆面的釉面易脫落，這不僅嚴重影響牆面裝飾效果，而且重新鑲貼施工麻煩。因此為防止脫落，釉面磚底面普遍均帶槽紋。近來，一種與水泥沙漿粘結力更強的釉面磚問世海外。

據介紹，這種釉面磚是用石膏和玻璃屑為主要原料的坯料作底層，在其上面填入磚坯料，加壓成複合坯體，乾燥、施釉、燒結而成。燒結後的底層為石膏瓷質層，主體層為陶瓷質層，底層厚度為總坯體厚度的1/10～1/3。石膏瓷層不易溶於水，但石膏再結晶粒表面未被玻璃質完全覆蓋，仍具有一定的吸水性。當石膏瓷質底面吸收沙漿中的水分，溶出無水石膏時，與沙漿中的水泥起反應，生成水化硫鋁酸鈣和水化硫鐵酸鈣針狀晶體，填充於石膏再結晶粒的微細間隙。因此石膏瓷質底面能與水泥沙漿產生高粘結力。如將用無水石膏與碎玻璃屑作底層的釉面專用水泥沙漿（水泥：沙=1：2鑲貼於牆面，於空氣中養護28天，粘結強度達到22．6kg/cm2，而用同一沙漿或有機粘結劑鑲貼底面為槽紋的常用普遍釉面磚，粘結強度分別為12．2kg/cm2和24．9kg/cm2，兩者相比，用水泥沙漿鑲貼時，底面為石膏瓷質的釉面磚較普通釉面磚的粘結強度相差極小，若將石膏瓷質底面再形成槽紋，粘結強度提高得多；而與有機粘結劑鑲貼普通釉面磚的粘結強度相差極小?若將石膏瓷質底面再形成槽紋?釉面磚粘結強度還能進一步提高。

這種高粘結力釉面磚的問世解決了水泥沙漿鑲貼時粘結力低的問題，有效防止磚的脫落，減少因釉面磚脫落而需多次鑲貼施工的次數。