聚合物膠接型錨栓的研究進展

曾 兵，朱瑩瑩，姜廣明，龔郁杰

（1.中國建筑科學(xué)研究院（國家化學(xué)建筑材料測試中心），北京 100013；2.北京理工大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京 100081；3.中國科技出版?zhèn)髅焦煞萦邢薰荆本?100717）

聚合物膠接型錨栓的研究進展

曾 兵1，2，朱瑩瑩3，姜廣明1，龔郁杰1

（1.中國建筑科學(xué)研究院（國家化學(xué)建筑材料測試中心），北京 100013；2.北京理工大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京 100081；3.中國科技出版?zhèn)髅焦煞萦邢薰荆本?100717）

聚合物膠接型錨栓在土木工程中的應(yīng)用越來越廣泛。對聚合物膠接型錨栓在國內(nèi)的應(yīng)用及其老化機理和耐久性研究進展進行了綜述，并結(jié)合測試技術(shù)和評價指標討論了國內(nèi)外相關(guān)測試標準和規(guī)范的不同之處。

聚合物；錨栓；膠粘劑；植筋；錨固

1　前言

聚合物膠接型錨栓（又稱化學(xué)錨栓）由膠粘劑、固化劑、骨料、填料與金屬螺桿組成。作為一種新型的錨栓，具有錨固力強、形同預(yù)埋、無膨脹應(yīng)力、邊距間距小、安裝快捷、凝固迅速、節(jié)省工時、可在潮濕環(huán)境下使用等優(yōu)點［1］，已經(jīng)在建筑幕墻、抗震加固、地鐵、高速鐵路等行業(yè)得到了充分的應(yīng)用。21世紀以來，隨著中國城鎮(zhèn)化進程的推進，尤其是城市軌道交通和高鐵的快速發(fā)展，聚合物膠接型錨栓在供電、機電、通信信號支架固定，疏散平臺、屏蔽門固定和地下結(jié)構(gòu)固定中得到了更廣泛的應(yīng)用。

2　國內(nèi)應(yīng)用及其研究情況

目前，聚合物膠接型錨栓國外的生產(chǎn)企業(yè)主要有喜利得集團、德國慧魚集團、德國曼卡特公司、美國辛普森公司等，其中喜利得集團在后錨固技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，擁有專利1 000余項，主持編寫了歐洲標準ETAG001，美國標準ACI 318-D-2011，ACI 308，ACI 355.4等。慧魚集團在阿根廷、巴西、中國、德國、意大利、捷克和美國等地建有全球化生產(chǎn)基地。國內(nèi)也有數(shù)十家企業(yè)生產(chǎn)聚合物膠接型錨栓產(chǎn)品，其中龍頭企業(yè)有湖南固特邦土木技術(shù)發(fā)展有限公司、南京天力信科技實業(yè)有限公司等。

近幾年，聚合物膠接型錨銓大量應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地鐵軌道交通結(jié)構(gòu)。由于軌道交通的運行環(huán)境極為復(fù)雜，如列車運行帶來的長期振動、風(fēng)洞效應(yīng)，以及高溫、腐蝕性環(huán)境，聚合物膠接型錨栓以其特有的優(yōu)勢成為地鐵軌道交通后錨固的最佳選擇［2］。中鐵五局集團電務(wù)工程有限公司參照英國BB公司為中國廣州地鐵一號線工程設(shè)計的聚合物膠接型錨栓錨固隧道接觸網(wǎng)底座的設(shè)計方案，通過南五臺隧道和秦嶺隧道的工程試驗，證明聚合物膠接型錨栓的承載力比計算數(shù)據(jù)還高［3］。中鐵一局電務(wù)公司在七堡車輛基地的地鐵牽引供電系統(tǒng)的接觸網(wǎng)項目中使用了大量的聚合物膠接型錨栓，明顯地提高工作效率，節(jié)約施工投入，縮短施工工期［4］。鐵道部第二勘測設(shè)計院在成昆線元謀—廣通段南段幾子灣隧道的接觸網(wǎng)懸掛工程上，利用聚合物膠接型錨栓錨固技術(shù)，解決了隧道襯砌厚度不夠所引起的灌漿情況，為國家節(jié)約了大量的資金［5］。隨著中國城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進，土工工程行業(yè)必將迎來新的發(fā)展階段，尤其是近年來在土木工程的加固改造和軌道交通建設(shè)方面，國家投入了大量的財力、物力。

國內(nèi)對聚合物膠接型錨栓的應(yīng)用研究主要集中在測試產(chǎn)品的強度和耐火性。聚合物膠接型錨栓的拉拔破壞有多種形式［6］。混凝土發(fā)生錐體破壞時，聚合物膠接型錨栓的粘接強度大于混凝土的強度；拔出破壞時，發(fā)生的是有機膠粘劑與混凝土的粘接破壞［7］。邢國起［8］研究了無機化學(xué)錨栓的極限錨固力隨溫度升高，錨栓的極限抗拔承載力先降低后回升再大幅度降低；自然冷卻的極限抗拔承載力高于澆水冷卻；隨靜置時間延長，極限抗拔承載力降低幅度較小。萬戰(zhàn)勝［9］也得到了類似的結(jié)論，同時測出了聚合物膠接型錨栓和無機化學(xué)錨栓的工作極限溫度分別為170 ℃和450 ℃，耐火極限溫度分別為300℃和700 ℃。

3　老化機理和耐久性研究

膠粘劑的固化過程和程度決定了聚合物膠接型錨銓的力學(xué)性能，在研究膠粘劑固化反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)方面，Lixin Wu利用DSC測定了胺固化環(huán)氧樹脂固化時的焓變，不但獲得了反應(yīng)時間和轉(zhuǎn)化率的對應(yīng)關(guān)系，還以Horie動力學(xué)模型［16］推斷反應(yīng)速率常數(shù)和自催化反應(yīng)常數(shù)［10］。對于胺固化體系的環(huán)氧膠粘劑，可以用915 cm-1的環(huán)氧乙烷紅外峰和1 510 cm-1的苯撐基團紅外峰的比值來定量的表征其固化過程［11］；也可以用1 660～1 670 cm-1的氨基紅外峰和1 720～1 730 cm-1的羰基紅外峰定性的表征其老化時碳骨架的變化［12，13］。Chen利用近紅外光譜（NIR spectroscopy）技術(shù)，實現(xiàn)了對環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)和固化程度的監(jiān)測［14］。膠粘劑的分子結(jié)構(gòu)對其力學(xué)性能和熱穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性也會有影響。Sankar比較了數(shù)種分子結(jié)構(gòu)相近的環(huán)氧樹脂膠粘劑的粘接性能，發(fā)現(xiàn)分子鏈上含有芳香環(huán)或者雜環(huán)的環(huán)氧樹脂膠粘劑耐化學(xué)介質(zhì)性較差，但是耐高溫的能力較高［15］。

膠粘劑在使用過程中，往往受到各種環(huán)境因素的影響，如光、熱、水、氧、各種介質(zhì)（鹽霧、堿等）和微生物等，從而使分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，膠粘劑會發(fā)生劣化，造成其力學(xué)性能下降，甚至發(fā)生破壞［16，17］。ASTM也特別出版了若干個標準規(guī)定了膠粘接耐久性的實驗條件：ASTM D896-04（2010）e1，ASTM D1151-00（2006），ASTM D1828-01（2007），ASTM D1879-06，ASTM D2295-96（2008），ASTM D2557-98（2010）e1等。由于膠粘劑主要是起粘接作用，有人評價了膠粘劑的粘接強度受環(huán)境的影響［18，19］。Chiang利用DSC測試了水-熱老化的環(huán)氧樹脂膠粘劑的玻璃化溫度的降低與水-熱老化的溫度和樹脂吸水性的關(guān)系，認為水作為劣溶劑不但起到了內(nèi)增塑的作用，還有可能破壞環(huán)氧樹脂和補強粒子的界面，從而造成環(huán)氧樹脂膠粘劑經(jīng)水-熱老化后性能降低［20］。不同配方的膠粘劑在60 ℃的水-熱條件下老化15 d后，拉伸強度和拉伸模量都有一定的變化，利用DSC測試老化后的膠粘劑，發(fā)現(xiàn)其Tg下降明顯［21］。同時，目前研究主要集中于對環(huán)氧樹脂膠粘劑的老化機理展開［22～26］，對乙烯基樹脂膠粘劑的研究尚不多見。

通過對膠粘劑微觀結(jié)構(gòu)及其固化特性與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性研究，國外提出一些現(xiàn)場檢測膠粘劑性能的新方法，如超聲波法，核磁法和正電子湮滅時間等。樹脂在固化的過程以及老化的過程中，力學(xué)性能發(fā)生改變，超聲波在其徑向和切向速度也發(fā)生改變［27］。通過等溫條件下測試純樹脂和經(jīng)過老化的樹脂中超聲波的速度，就能建立起樹脂老化程度和超聲波的速度的關(guān)系，實現(xiàn)在工程現(xiàn)場檢測膠粘劑的老化情況。膠粘劑的交聯(lián)結(jié)構(gòu)受到老化影響后，其核磁強度和弛豫時間會變化［28］，如果在實驗室里建立了有機膠粘劑的老化程度與核磁弛豫時間的關(guān)系，利用手持式單向核磁探頭，就能夠原位獲得建筑工程或者軌道交通上正在使用的有機膠粘劑的老化程度，無損鑒別其耐久性。J.Kanzow發(fā)現(xiàn)正電子在水-熱老化或者熱老化的膠粘劑中的湮滅時間縮短［29］，如果在實驗室里建立了有機膠粘劑的老化程度與正電子的湮滅時間的關(guān)系，也能夠分析正在使用的有機膠粘劑的老化程度。這些方法的不足之處是檢測設(shè)備復(fù)雜，設(shè)備昂貴，但為實現(xiàn)原位快速檢測技術(shù)的研究提供了方向。

4　測試標準和規(guī)范

國內(nèi)用于聚合物膠接型錨栓的膠粘劑主要有植筋膠錨固型錨栓和玻璃管裝錨栓，其中植筋膠主要執(zhí)行標準為GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》［30］和GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》［31］，對玻璃管裝錨栓主要執(zhí)行JGJ145—2013《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》［32］。

GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》對錨固型快固結(jié)構(gòu)從膠體性能、粘接能力、濕熱老化性能以及抗震性能做出了要求，除新增的抗震性能外，其余項目與GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》對錨固用結(jié)構(gòu)膠的基本性能檢驗項目基本一致。對于粘接能力的實驗方法，GB 50367—2013對快固型膠粘劑從鋼套筒法、鋼片單剪法、約束拉拔條件下帶肋鋼筋與混凝土粘接抗剪強度等3種方法做出了規(guī)定，GB 50728—2011對環(huán)氧型膠粘劑從鋼片單剪法、約束拉拔條件下帶肋鋼筋與混凝土粘接抗剪強度做出了規(guī)定。JGJ 145—2013《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》附錄B對混凝土用化學(xué)錨栓的檢驗方法做出了規(guī)定，其方法基本等同于歐洲標準《歐洲技術(shù)指南-混凝土用金屬錨栓》ETAG 001附錄C的內(nèi)容。歐洲標準對錨栓的粘接性能主要采用在混凝土中鉆孔并植入聚合物膠接型錨栓再拉拔的方法。

聚合物膠接型錨栓的膠粘劑，是將膠粘劑置于粗糙混凝土孔壁的鉆孔中，膠粘劑的2側(cè)分別是金屬螺桿和粗糙的混凝土弧面。膠粘劑的工作原理包括粘接、鎖鍵、摩擦原理，有些膠粘劑通過鎖鍵和摩擦原理對承載能力貢獻率占絕對優(yōu)勢。鋼板和鋼板之間的拉伸抗剪試驗（包括鋼板對混凝土的正拉粘接試驗），無法檢測鎖鍵、摩擦能力，膠的兩側(cè)均是光滑的鋼板，與錨固類膠粘劑的實際工作原理相背離，以此方法作為檢測依據(jù)，不能反映此種膠粘劑在結(jié)構(gòu)中的承載能力［33］。

5　結(jié)語

1）聚合物膠接型錨銓目前已廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)中，近年來大量應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地鐵軌道交通結(jié)構(gòu)。

2）紅外光譜能有效地對聚合物膠接型錨銓膠粘劑的固化過程和程度進行表征。

3）耐久性方面的研究表明對聚合物膠接型錨栓的耐久性研究還不充分，溫度、潮濕、凍融、酸堿腐蝕對聚合物膠接型錨栓的粘接性能的影響尚無定論。

4）通過對膠粘劑微觀結(jié)構(gòu)及其固化特性與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性研究，國外提出一些現(xiàn)場檢測和評定膠粘劑耐久性的方法，為實現(xiàn)原位快速檢測技術(shù)的研究提供了方向。

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Progress on research and development of polymer anchor bolts

ZENG Bing1，2，ZHU Ying-ying3，JIANG Guang-ming1，GONG Yu-jie1
（1.China Academy of Building Research （China National Center for Test of Chemical Building Materials）， Beijing 100013，China；2.Chemistry College of Beijing Institute of Technology， Beijing 100081，China；3.Science Press， Beijing 100717，China）

Phe polymer anchor bolts have been applied more and more extensively at civil engineering. In this paper， the domestic application and research situation， the aging mechanism and durability research progress of the polymer anchor bolts were summarized. In addition， the difference between domestic and abroad relevant test standards and specifications was discussed combined the test technology and evaluation indexes.

polymer；anchor bolt；adhesive；planting steel bar；anchorage

TQ437

A

1001-5922（2015）05-0089-04

2014-07-21

曾兵（1981-），男，在讀博士，副研究員，研究方向為建筑用膠粘劑的耐久性檢測與評定技術(shù)的研究。E-mail：zbing1981@163.com。

中國建筑科學(xué)研究院應(yīng)用技術(shù)研究項目，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項目（2014-K4-012）。