不同植筋膠的黏結性能比較試驗研究

張建榮 李小敏 艾永江 鄭曉芬 陳東昌

(1.同濟大學，上海200092;2.浙江工業職業技術學院，紹興312000)

1 引言

植筋是指在已有結構上鉆孔、注膠、插入鋼筋，待膠體固化后使鋼筋錨固在結構中的一種技術。植筋錨固技術具有施工便捷、工藝簡單、適應性好、節省工期、可靠靈活等特點，在采礦、公路及鐵路橋梁、水利、建筑等領域的結構加固、改造、補漏(漏放鋼筋)及建筑加層等工程中得到廣泛應用，例如用于混凝土構件中鋼筋、螺栓的后錨固，幕墻支架的固定，各種設備基礎的固定，鋼結構與混凝土結構的錨固連接，鐵路、公路、橋梁、水利改擴建工程加固，廣告牌、隧道管線、高架道路隔音板和護欄支架安裝等。

最近20多年來，植筋錨固技術在我國有了大量的應用，開展了較多研究，形成了系列的產品和成套的技術，并在相關標準、規范[1-2]得到體現。已有的研究成果涉及植筋錨固技術的各個方面，例如不同的荷載形式、不同的基材環境、群錨效應、耐久性等，既有混凝土植筋粘結錨固基本原理的探索[3-4]，也有大量的工程案例研究。市場上植筋膠的品牌很多，生產商多以提供錨固長度、植筋的間距、邊距、基材的強度等參數指標、構造措施及施工工藝要求來指導工程應用，使用方則通過現場抽樣試驗來檢驗產品的承載能力?，F有的研究成果都是針對某一特定產品進行的，或僅對不同試驗結果的宏觀分析[5]，缺乏對不同廠家、不同品牌之間的具體比較，缺少對不同植筋膠產品粘結受力性能普遍規律的研究。為此，有必要針對不同品牌的植筋膠，采取隨機抽樣的方式獲取樣品，研究植筋膠粘結性能的一般規律。

經過網絡搜索和建材市場考察，國內市場上有10多種用于植筋的結構膠。為便于試驗結果的對比分析，本次試驗限定于選用目前我國植筋施工中常用的注射式雙組份復合型樹脂膠粘劑植筋膠。這種植筋膠為雙組份硬塑包裝，使用專用的手動注射槍，通過混合噴嘴將樹脂砂和固化劑充分混合后直接注入鉆孔內，在一定的時間內固化而達到錨固強度，具有凝固迅速、無須現場配膠、使用方便快捷等優點。表1為本次試驗選定的5種品牌植筋膠的基本性能介紹，相關產品介紹中還提到其具有錨固力強、抗震性能好、抗老化、耐介質(酸、堿、水)性能好等特點，此不一一列舉。所有產品均通過某購物網站購買。

表1 試驗用植筋膠的基本性能Table 1 Basic properties of tested adhesives

2 鋼套筒植筋拉伸抗剪試驗研究

2.1 鋼套筒植筋試件制作

按照《混凝土結構加固設計規范》(GB 50367—2006)附錄J的建議制作鋼套筒試件，如圖1所示。試件由套筒、螺桿、鋼筋三個部件組成。套筒材料采用45號碳鋼，加工詳圖見圖1a)。套筒一端內徑為16 mm，內壁銑有螺距為4 mm、深度為0.4 mm的梯形螺紋。另一端銑M24標準內螺紋，以與M24標準螺桿連接。鋼筋采用直徑為12 mm的月牙肋鋼筋，強度等級為HRB335，長度為150 mm。鋼筋植入套筒深度為36 mm。

本次試驗共選擇了5種品牌的植筋膠，每種品牌選定一種型號，每種植筋膠制作6個試件，共計30個試件。為便于下文描述，5組套筒植筋試件分別用相應于表2植筋膠代號的A、B、C、D、E表示。

圖1 金屬套筒植筋試件Fig.1 Bonded steel bar in metal sleeve

試件制作的主要步驟包括:用鋼絲刷清除鋼筋和套筒表面的鐵銹，并用丙酮將油污清洗干凈;將螺桿旋入套筒內，檢測套筒深度并確認為36 mm，然后固定套筒使其保持垂直狀態，向套筒內緩緩注入化學植筋膠，將鋼筋緩緩旋入套筒內，直到鋼筋端部頂到螺桿頂端。

植筋時環境溫度為10℃～20℃。植筋后養護時間為48h以上，養護期間不得移動。試件的制作、養護等方面均符合相關產品說明書要求。

試驗在同濟大學力學試驗中心完成。注膠后養護期間的試件如圖2所示。

圖2 注膠后養護中的試件Fig.2 Specimens of bonded rebar in preparing

2.2 試驗裝置及步驟

試驗在萬能材料試驗機上進行，如圖3所示。試驗時對試件施加軸向拉伸荷載，采用位移控制，加載速度為2 mm/min。試驗機量程為100kN，經估算各試件的破壞荷載在滿標的20% ～80%，試驗機力值的示值精度為0.001kN。測位移用的位移引伸計量程為±15 mm，精度為0.001 mm。試驗前專門加工制作了位移引伸計夾持器，使位移引伸計直接在夾持器和套筒表面上安裝，以直接量測到鋼筋和套筒之間的相對滑移。

試驗主要步驟為:

(1)在試件上安裝量表固定架。

(2)將制備好的試件裝入萬能材料試驗機，將套筒底部的螺桿(M24)固定在鋼橫梁上的夾具上，種植的鋼筋固定在上鉗口。

(3)在試件上安裝位移傳感器，位移傳感器測點夾在鋼筋受力端和套筒端，量出套筒試件中鋼筋與套筒的相對滑移。檢查位移傳感器與鋼筋表面接觸是否良好，進行適當的調整。

(4)啟動試驗機，以連續、均勻的速率加荷，加荷速度為2 mm/min。

(5)觀察并記錄試件加載至破壞過程中的現象。

圖3 拉伸試驗照片Fig.3 Photo of tensile test

2.3 試驗現象

在加載初期，拉力的增長很快，鋼筋與套筒之間滑移的增長較慢，說明套筒植筋試件在受力之初，因膠體處于整體工作狀態，有較大的拉伸抗剪剛度。隨著拉力的增大，鋼筋與套筒之間滑移的增長加速。拉力達到峰值之后，試件并沒有立刻喪失承載力。但隨著滑移的繼續發展，拉力慢慢變小，滑移了很長一段距離后，最終鋼筋被完全拔出。膠體滑移的整個過程中，沒有出現聲音，每個試件的加載過程持續10～15 min。鋼筋拔出時的破壞模式屬于黏附破壞，即拔出的鋼筋表面黏附有較多膠體，不易滑落。黏附的膠體在加載端與套筒口植筋時溢出的膠體相連。黏附的膠層厚度，從加載端向自由端逐漸減少，略呈錐狀。拉伸試驗后的試件見圖4。

試驗總體來說進行順利，但也發生了一些意外。首先是試件制作時加工裝置考慮不周，結果在檢查試件的加工養護質量時發現，試件A5、B2、C4、D2的鋼筋出現了不同程度的歪、斜，鋼筋與套筒、螺桿的軸線不在同一條直線上。試驗結果也顯示上述試件的試驗數據極不合理。分析其原因，在于試件植筋時的養護裝置不夠完善，在鋼筋植入套筒之初，因植筋膠尚未凝固，鋼筋在自重作用下發生傾斜。由此可見，以后進行類似試驗時應加工特定的支座來固定鋼筋，以保證植筋膠固化過程中鋼筋、套筒、螺桿的軸線在同一條直線上。其次是試件制作時植筋施工失誤:試件A4的極限拉拔力明顯不同于其他試件，鋼筋拉拔出來后發現，固化后的膠體中有空隙，說明植筋時膠體中混入了空氣。再則是試驗中有兩次操作失誤:試件A3在安裝位移計時鋼筋夾持器螺絲沒有擰緊，當鋼筋受拉截面收縮時，夾持器與鋼筋之間出現松動現象，導致當拉力接近最大拉拔力時位移發生一個突然減小的脈動;試件C5在試驗中途電腦意外出現藍屏，數據未能保存。

圖4 拉伸試驗破壞后的形態Fig.4 Failure form after tensile test

試驗前也對試件的注膠飽滿程度及鋼筋植入時植筋膠溢出套筒口子的程度進行了觀察，并按植筋后溢出套筒膠體的多少進行試件編號，溢出膠體最多的為1號，最少的為6號，并按1號至6號的排序進行拉拔試驗。試驗結果表明，植筋時注膠的多少及套筒口的植筋膠溢出程度與極限拉拔力試驗結果沒有相關性。

2.4 試驗結果

根據采集到的試驗數據，可繪制出各組試件的拉力-滑移曲線如圖5所示。

由圖5(a)可見，A組各個試件的試驗曲線一致性較好。在加載早期(變形小于約0.2 mm時)，拉力滑移關系呈現出良好的線彈性關系，且各個試件的試驗曲線基本重合。變形在0.2 mm左右時，拉力為最大值的2/3左右。達到最大拉力值后，拉力滑移曲線緩慢下降?？傮w看來，A組試件的拉力滑移曲線呈三段式形狀，即彈性上升段、彈塑性黏滯段、下降段，極限拉拔力都在30kN左右。

從圖5(b)可以看出，B組試件的試驗結果極為離散，但試驗曲線的走勢比較一致。各個試件都在開始加載時就呈現出彈塑性非線性性能，拉力滑移曲線在達到最大拉力之前大致呈拋物線狀緩慢上升，在最大拉力以后則緩慢下降。

圖5 試件的拉力-滑移曲線Fig.5 Tension-slip curves of specimens

圖5(c)顯示C組各個試件的試驗結果離散性小。在加載早期，C組試件的拉力滑移曲線與A組試件有相似之處，在變形小于約0.2 mm時，拉力滑移曲線呈現出良好的線彈性關系，且各個試件的試驗曲線基本重合。變形在0.2～0.3 mm時，拉力為最大值的2/3左右，拉力滑移曲線呈明顯的彈塑性非線性性能。而后，在變形大于0.3mm以后，隨著拉力的增大，達到最大拉力值后，拉力滑移曲線緩慢上升，直至位移達到4 mm左右才下降?？傮w看來，C組試件的拉力滑移曲線呈彈性上升段、彈塑性黏滯段、緩慢上升段的三段式形狀，極限拉拔力都在37kN左右。

圖5(d)所示的D組試件試驗結果是本次試驗中離散性最大的一組。各個試件的拉力滑移曲線形狀相差較大，看不出規律，極限拉拔力也相差較大。

E組試件用膠是一種很稀、流動性很好的液體，注膠時來自兩個注射管的材料能夠很好地混合在一起且不易混入空氣，所以這種膠的植筋試件的外觀質量都比較好。圖5(e)顯示E組試件的拉力滑移曲線形狀都很一致，與B組試件相似，各個試件都從一開始加載就呈現出彈塑性非線性性能，曲線形狀為兩段式，在達到最大拉力之前大致呈拋物線狀緩慢上升，在最大拉力以后則緩慢下降。E組試件的最大拉拔力離散性大，平均強度也明顯低于其他組試件。

3 試驗結果分析

各個試件的最大拉拔力匯總見表2，表中同時整理計算了各組植筋膠試件的最大拉拔力平均值P，變異系數Cv及平均拉伸抗剪強度fvu。拉伸抗剪強度的計算公式[1]為:

式中，fvu為平均拉伸抗剪強度(MPa);P為最大拉拔力平均值(N);D為鋼套筒的內徑(mm);l為植筋粘結面長度(mm)。

表2 最大拉拔力試驗結果及各組平均抗剪強度Table 2 Results of maximum pullout force and average shear strength of each group

由表2可見，不同品牌的植筋膠，其拉伸抗剪強度有較大差異。有的膠強度較高，如A組試件平均拉伸抗剪強度為23.22 MPa，C組試件平均拉伸抗剪強度為27.25 MPa;而有的植筋膠拉伸抗剪強度很低，例如B組試件平均拉伸抗剪強度為13.47 MPa，E組試件平均拉伸抗剪強度為11.95 MPa。C組試件強度是E組試件強度的2.28倍。此外，各組試件試驗結果的離散性也差異極大。本次試驗中B組、D組、E組試件的離散性均較大，說明植筋膠的產品質量不夠穩定。

各組植筋膠的平均拉力滑移曲線如圖6所示。這里的平均拉力是指同組植筋膠的各個試件在同一拉伸滑移量時的拉力平均值。因D組試件的曲線形狀各不相似，在此不作分析。由圖可見，不同品牌植筋膠試件的平均拉力滑移曲線有明顯的差異，A組試件和C組試件在加載早期有較好的線彈性性能及較大的剛度，在拉力作用下滑移量極小，在接近最大拉力時滑移量仍在0.20 mm以下。而B組試件和E組試件在加載伊始就顯示出非線性性能，剛度明顯比A組試件和C組試件小，在達到最大拉拔力時的滑移量為1～2 mm。兩者相差5倍以上。因此，當被加固構件對錨固變形有較高要求時，應把膠的彈塑性性能作為植筋膠適用性的評價指標之一。為便于用戶選擇使用，應要求植筋膠生產廠商在其產品上標注彈塑性性能指標。

圖6 各組試件的平均拉力-滑移曲線Fig.6 Average tension-slip curve of each specimen

4 結論與建議

(1)不同品牌植筋膠的粘結強度差異明顯，以膠的拉伸抗剪強度指標為例，C組試件的強度是E組試件強度的2.28倍。

(2)不同品脾植筋膠的粘結滑移性能差異較大，B、E組試件在達到最大拉拔力時的滑移量比A、C組試件大5倍以上。

(3)在工程應用中對于錨固變形有較高要求的場合，建議應把膠的拉伸抗剪剛度、最大拉伸力所對應的位移等力學性能指標作為植筋膠適用性的評價指標之一。建議在植筋膠產品說明中，應列出膠的上述力學性能指標。

[1] 中國建筑科學研究院.JGJ 145—2004混凝土結構后錨固技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社，2005 Industry Standard of the People Republic of China. JGJ145—2004 Technical Specification for Post-Installed Fastenings in Concrete Structures.[S]Beijing:China Architecture and Building Press，2005.(in Chinese)

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