混凝土結構植筋技術應用研究

王玉冰

（太原王孝雄建筑設計院（有限公司），山西 太原 030024）

0 前言

植筋技術是建筑施工中的一種連接技術，它是利用錨固膠將鋼筋和基底連接在一起時的結構黏結力。它需要在混凝土或墻壁的巖石上鉆孔，并插入高強度錨固黏合劑，然后插入鋼筋或型材。植筋技術隨著建筑結構膠的發展而發展，但其發展過程中仍然存在一些問題，值得我們研究思考。

1 混凝土結構植筋技術的概況

1.1 混凝土結構植筋的力學性能

混凝土結構中植入的鋼筋作為整個結構的受力部分，必須保證鋼筋的質量符合使用標準，有良好承壓能力，力學性能良好。抗外力拉扯是測試力學性能是否符合要求的重要標準，是植入鋼筋的重要測試部分，是否具有良好的抗外力拉扯能力是植筋技術是否發揮其應有效果的前提條件，只有當拉力達到所要求的標準值時，混凝土結構的質量才符合要求，影響混凝土結構穩定性的因素有很多，植入鋼筋的質量，植入鋼筋的長度，混凝土本身的材料、混凝土的保存、植入鋼筋的技術手法以及黏合膠的配比是否符合要求都會影響到混凝土結構的穩定。為了保障混凝土結構植入鋼筋的性能穩定，要對鋼筋進行一系列的測試，根據鋼筋的極限外力拉扯能力以及混凝土平面的極限黏合度實驗結果可以得出，鋼筋的極限外力拉扯能力和混凝土平面的極限黏合度隨著混凝土質量強度的增加而增加，且增加的幅度很大。但是，隨著埋深深度的加深，鋼筋的極限外力拉扯能力和混凝土平面的極限黏合度增加的幅度越來越小，如果埋深深度相同的話，鋼筋的極限外力拉扯能力和混凝土平面的極限黏合度隨著植入鋼筋的直徑的增大而增強。當混凝土的質量不變時，植入鋼筋的直徑越大，鋼筋的極限外力拉扯能力越大。隨著埋深深度的不斷增加，植入鋼筋的各個節點受到混凝土的黏合力是不同的，呈不均勻分布，但整體上來說，隨著鋼筋植入深度的增加，鋼筋收到的混凝土的黏合度呈減小趨勢。一般來說，在選擇混凝土以及鋼筋時，嚴格按照方案要求選取，且操作沒有異常的情況下，深入如果達到了15d，植入的鋼筋不會出現任何異常現象。

1.2 混凝土結構植筋技術存在的問題

雖然制造商提供的最小錨固長度可以滿足工程要求，有些選擇鋼筋斷裂時的抗拉強度作為錨固長度，但這是相當不合理的。鋼筋和混凝土之間的結合強度可以共同發揮作用。植筋是一種后裝式錨固技術，與傳統錨固狀態相比，植筋與混凝土之間的夾持力在以下一些方面存在不足，植筋時對鉆孔周圍的混凝土造成傷害、如果孔不完全傾斜，邊界強度會顯著下降、如果插入的黏合劑不夠，實際長度會減小、溫度、濕度和振動會對結構的耐久性產生不良影響以及結構膠本身可能存在質量問題。混凝土結構構件中鋼筋的氯化物腐蝕是一個世界性的大問題。氯化物通常通過除冰鹽或海水引入混凝土，這導致鈍化和點蝕的局部破壞。鋼筋混凝土柱不夠堅固，這可歸因于以下原因：由于在循環荷載下薄保護層混凝土的側向約束不足，鋼筋容易發生屈曲；轉角出現大的塑性應變，導致其斷裂；由于拱效應，方形截面鋼筋籠的有效約束僅施加在角部附近，其中約束效率小于圓形約束。

1.3 混凝土結構植筋技術結構膠

結構膠是植筋技術中一定會使用到的黏合部分的重要材料，是不可替代不可省略的，而黏合過程是否能夠順利進行直接影響到植筋技術能否成功，進而影響到混凝土結構的穩定性，結構膠的質量是否符合要求與混凝土結構植筋技術能否順利進行相關聯。結構膠是樹脂和無機物混合制成的混合物，數脂的作用在于提高結構膠的黏性以及黏合速度，無機質則能提高結構膠的堅韌性以及黏度。在國外，植筋技術從1960—1970 年起就廣泛應用于隧道和礦山的建設，到了1980 年，應用就更加廣泛了，逐漸發展為建筑行業必不可缺的一項重要技術。在之后的一段時間里，研究人員還針對植筋技術進行了一系列各種各樣的研究實驗，結果表明，混凝土植筋的抗外力拉扯能力、抗壓能力以及其他力學性能都有了大幅的提升，植筋技術確實能夠增強混凝土結構的穩定性。這些結果更加重了混凝土結構植筋技術在建筑行業地位，為混凝土結構植筋技術提供了理論基石，極大程度上促進了植筋技術在國內外的發展速度。在我國，植筋技術是在1980 年開始興起的，短短幾十年，植筋技術在我國做出了突出貢獻，應用十分廣泛，結構膠的應用也引起了一部分研發人員的注意，植筋技術的順利開展離不開結構膠的應用，結構膠是連接混凝土各個結構的必須材料。傳統的結構膠已經可以滿足絕大多數混凝土結構植筋技術的需要，但是，為了提高植筋技術的使用效果，使鋼筋更好地發揮出其使用價值，有部分研發人員致力于研發效果更好、性能更加多樣的結構膠，如耐高溫、耐低溫、時間消耗小的結構膠。

2 混凝土結構植筋技術的前景

2.1 混凝土結構植筋技術的現狀

混凝土結構植筋技術在近二三十年間廣泛使用，幾乎所有的新興建筑等都應用了混凝土結構植筋技術，但是對于一些老舊建筑由于建成時并沒有應用到植筋技術，結構穩定性不如新型建筑堅固，所以，很大一部人老舊建筑在不能滿足堅固性要求的前提下都會被翻新重造，通過混凝土結構植筋技術就行二次加固，確保建筑的使用穩定性。這是混凝土植筋技術在現代的主要應用現狀。利用新型結構膠來加固原有鋼筋的老舊建筑也可以對其起到加固的作用，我國對于植筋技術雖然應用廣泛，但植筋技術仍然有很多可以改良的技術要點，植筋技術還需要進一步的研究。

2.2 混凝土結構植筋技術改進方案

根據相關的政策規定，混凝土結構所使用的鋼筋只有在經過檢驗后才可以正式投入使用，結構膠在使用時應該現配現用，要保證數量足夠使用以及使用的結構膠沒有徹底凝固。結構膠使用過程中要保證用量充足，不摻雜雜質以及空氣等，植筋的鋼筋表面應清潔無污漬，并保持干燥。強化混凝土修補，即在修補的周邊將電鍍陽極連接到鋼上，現在在英國已經成為一種常見的做法，這一過程很快被接受為全球修補工程的一個重要組成部分。陽極對于處理初期陽極形成現象或環效應是必要的，在這種情況下，腐蝕會迅速轉移到修復周圍的原始混凝土中。陽極是有意“陰極保護”的一種基本形式，因此相鄰的鋼保持陰極狀態，防止腐蝕開始。電偶陽極是在20 世紀90 年代后期開發的，由鋅金屬制成，包裹在一種特殊配制的多孔水泥砂漿中，該砂漿用氫氧化鋰飽和。這種環境中，過量的氫氧化鋰保持恒定的高酸堿度，可使鋅保持在活性狀態，同時產生可溶性鋅腐蝕產物，這些產物可通過砂漿遷移，而不會阻礙金屬的腐蝕過程。類似的離散陽極，但具有更高的電流輸出能力，已被開發用于安裝在網格結構中，以保護更大的易受腐蝕區域。還有一種是分布式陽極系統開發，用于覆蓋、裝箱或大型維修，其中鋼筋留在含氯混凝土中，大部分覆蓋混凝土被新混凝土替代，或需要額外覆蓋。在過去的20年里，英國和美國都進行了一些試驗，作為修復結構元件的一部分。根據應用類型，鋼表面0.3～10mA/m2數量級的電流密度可保持15～20 年。根據在英國萊斯特的一座橋上進行的最古老的現場試驗，當時使用的陽極設計壽命為10 年，其結果被視為一個里程碑。從這些原型陽極的局限性中吸取的經驗教訓使得開發具有更長使用壽命的陽極成為可能。例如，活化砂漿中高達7 倍質量的額外氫氧化鋰似乎降低了孔隙堵塞的效果，因為由于氫氧化鋰的溶解，孔隙率的增加似乎抵消了鋅腐蝕產物體積的增加。此外，金屬部件表面積的增加加上較短的陽極間距在這方面也有所幫助，因為陽極以低于最大速率的速率運行，允許鋅酸鹽離子在沉淀為氧化鋅之前有更多的時間遷移到活化灰漿的主體中。隨著時間的推移，犧牲陽極不能提供固定的電流輸出，必須考慮陽極老化。包含陽極“老化系數”的方案設計將更好地預測陽極的長期性能，并可用于確保在整個設計使用壽命內達到特定的性能水平。

2.3 混凝土結構植筋技術的應用

為了提高鋼筋混凝土柱的抗震能力和延伸性能，發展了新型鋼筋混凝土鋼筋結構—螺旋鋼筋混凝土柱。螺旋鋼筋混凝土柱的穩定性要比傳統的混凝土植筋結構要更好一些。螺旋桿增加了對混凝土柱的約束，提高了混凝土柱的穩定性以及可延伸性。螺旋鋼筋混凝土柱由于具有良好的抗震性能，在高層建筑和大跨度結構中得到了廣泛的應用。普通混凝土綱紀結構受到的混凝土約束貢獻不大，對受短軸彎曲的工字鋼柱甚至不能形成有效的約束。相反，單個的鋼筋與橫向鋼筋或板條焊接在一起，就像一個籠子，以收集更多的圍壓應力，具有更好的約束效果。其次，在螺旋鋼筋混凝土柱的各個節點處，鋼筋可以很容易地通過各截面的柱，而不會遭到各部分截面的阻攔。大量實驗可以證明，螺旋鋼筋側向約束被認為是提高柱延性的最有效手段之一。螺旋鋼筋混凝土柱對核心混凝土施加均勻壓力，沒有在某一點形成拱起，在循環模式的作用下更加穩定。螺旋鋼筋混凝土柱在循環模式作用下還具有良好的伸展和耗能能力。因此，為了增加曲線柱的側向約束，在鋼筋籠內的截面中心放置一根螺旋鋼筋，這種創新的螺旋約束角鋼混凝土柱，能很好地提高混凝土建筑的穩定性。即使在惡劣的天氣情況下，如地震龍卷風，即使外在鋼筋發生彎曲，內里的螺旋鋼筋混凝土柱也會減少受到的外力，對建筑起到保護作用。

3 結語

混凝土植筋技術的應用很大程度上增加了混凝土結構的穩定性，延長了建筑物的使用壽命。所以，在保持原來建筑結構不變且穩定的情況下，植入鋼筋，能增強原來建筑結構的載重能力。在實際應用過程中，植筋技術有諸多優勢，值得大家推廣。