地鐵施工中鋼筋與復合混凝土結構的粘結性能研究

摘 要：為提高地鐵施工中鋼筋與混凝土的穩定性，確保鋼筋、混凝土粘結牢固，研究測試地鐵施工中鋼筋與混凝土粘結性能。分別采用淀粉、氫氧化鈉以及摻量分別為3%、4%、5%的磷酸二氫鈉制備粘合材料，同時準備混凝土與鋼筋材料，制備鋼筋混凝土試件，采用拉拔試驗、紫外光老化試驗、重錘沖擊試驗等方法，測試不同粘合劑材料粘結后的鋼筋與混凝土試件粘結性能。經試驗分析可知，采用4%磷酸二氫鈉制成的粘合劑粘結后的試件在長時間的紫外光老化下可以維持較佳的粘結強度、斷裂伸長率以及硬度，且該種試件在拉拔試驗下具有較高的粘結應力。

關鍵詞：地鐵施工；鋼筋與混凝土；粘合性能；抗沖擊性

中圖分類號：TQ437 + .1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0039-04

Research on the bonding properties of steel bars andcomposite concrete structures in subway construction

GUO Baorui

（China Railway 14th Bureau Group Co.，Ltd.，Jinan 250101，China）

Abstract：In order to improve the stability of steel bars and concrete in subway construction and ensure the firmbonding of steel bars and concrete，the bonding performance of steel bars and concrete in subway construction wasstudied and tested. Starch，sodium hydroxide and sodium dihydrogen phosphate with a content of 3%，4% and 5%were used to prepare the adhesive materials，and the concrete and steel materials were prepared at the same time，and the reinforced concrete specimens were prepared，and the bonding properties of the steel bars and concretespecimens after bonding of different binder materials were tested by drawing test，ultraviolet light aging test andheavy hammer impact test. The test analysis showed that the adhesive made of 4% sodium dihydrogen phosphatecould maintain better bond strength，elongation at break and hardness under long-term ultraviolet aging，and thespecimen had high bonding stress under the tensile test.

Key words：subway construction；steel and concrete；adhesive property；impact resistance

在地鐵施工中，鋼筋與混凝土的粘結性能直接 關系到結構的安全性和穩定性 [1-3] 。鋼筋與混凝土之間的粘結強度對于承載能力和耐久性起著至關重要的作用 [4-5] ，通過對鋼筋與混凝土粘結性能進行科學研究和測試，可以深入了解粘結機理、提高結構的抗震性能、消除缺陷，從而確保地鐵結構的可靠性和持久性。相關學者對鋼筋與混凝土的粘結性能進行了大量研究，研究高延性混凝土與帶肋鋼筋粘結性能試驗 [6] 。研究高溫環境下鋼筋和再生混凝土粘結性能 [7] 。除此之外，還有學者通過模擬真實施工條件下的鋼筋與混凝土粘結狀況，得到了鋼筋與混凝土界面粘結強度和失效模式的相關數據。基于此，利用淀粉、磷酸二氫鈉等材料，制備鋼筋與混凝土粘結用粘合劑，通過粘合劑提高兩者的粘結效果。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 粘合劑原料準備

為制備用于鋼筋與混凝土粘結的可靠粘合劑材料，采用不同化學原料。

粘合劑原材料：淀粉（工業級，山東壹號化工集團有限公司）；磷酸二氫鈉（化學純，濟南雙盈化工有限公司）；氫氧化鈉（工業級，滄州潤諾化工產品有限公司）；純凈水。

1.1.2 粘合劑制備過程

向磷酸二氫鈉中添加適量水，通過高速攪拌機溶解30 min，之后添加20%氫氧化鈉，將pH值調節為5，向混合物中添加淀粉，并經過充分攪拌后制得淀粉漿，將淀粉漿放入反應釜中，在65℃狀態下進行20min的加熱，獲取酯化淀粉混合物，再次通過氫氧化鈉調節pH值為8，靜置混合物2 h，直至混合物完成分層，提取出上層清液，用純凈水對余下酯化淀粉進行2次洗滌，合并后獲取洗滌液，將洗滌液靜置2 h進行分層，取出上清液后，對余下內容再次進行2次洗滌，洗滌結束后，去除洗滌液，留下剩余淀粉，在淀粉中加入適量水逐漸攪拌并緩慢添加20%氫氧化鈉溶液，直至淀粉糊化，獲取粘合劑試樣。

在磷酸酯化淀粉粘合劑制備過程中，分別添加比例為3%、4%、5%的磷酸二氫鈉，制成不同磷酸二氫鈉摻量的粘合劑材料，并對粘合劑的粘結效果進行測定。

1.1.3 混凝土與鋼筋材料準備

為分析鋼筋與混凝土的粘結效果，采用普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）、粗骨料、細骨料以及普通自來水制備混凝土材料，其中，骨料采用天然河砂 [9] 。鋼筋材料采用直徑為14 mm的HRB400級鋼筋作為試驗鋼筋。

1.1.4 混凝土與鋼筋粘結件制備

制備鋼筋與混凝土粘結試件，設計試件混凝土塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，向鋼筋表層涂抹一層粘合劑，將鋼筋豎向插入混凝土模具中，之后向模具內灌注混凝土，進行28 d養護后，制成鋼筋與混凝土粘結試件 [10-11] ，共加工制作了30個粘結試件，每種粘合劑材料分別制備了10個試件，分析應用不同粘合劑粘結后的鋼筋與混凝土粘結性能。

1.2 試驗方法

1.2.1 粘合劑紫外光照老化試驗

紫外光照老化試驗是評估粘合劑在長時間紫外光照射下耐候性能的一種方法 [12-14] 。設定紫外光照老化試驗溫度為60 ℃，試驗時間為24 d，將粘合劑試件置于紫外光老化試驗機中，確保每種試件受到均勻的紫外光照射。啟動紫外光老化試驗設備，按設定條件進行紫外光照射。定期觀察每種粘合劑的外觀和性能變化，在不同老化時間下測試試件的粘結強度、斷裂伸長率以及硬度變化。

1.2.2 粘結件拉拔試驗

將 制 作 的 鋼 筋 混 凝 土 粘 結 試 件 放 置 在WAW-500J萬能試驗機上進行拉拔試驗 [15] ，通過圖1表示這一試驗裝置結構圖。

將鋼筋與混凝土粘結試件置于加載裝置上，通過上夾頭拉伸拉桿施加拉拔力，通過臺座上的位移計測量鋼筋自由端與混凝土之間的相對滑移，設定加載速度為0.3 mm/min，在試驗時實時測定鋼筋與混凝土的相對滑移值以及鋼筋拉拔力，同時，可通過式（1） 將鋼筋拉拔力轉換為粘結應力：

式中： τ 為試件粘結應力； P 為拉拔力； d 為鋼筋直徑； l 為粘結段長度。

在進行拉拔試驗時，分別測定不同鋼筋-混凝土滑移值情況下的試件粘結應力，以此分析鋼筋與混凝土的粘結性能。

1.2.3 粘結件沖擊試驗

采用高性能落錘沖擊試驗機對粘結試件進行沖擊試驗 [16-18] ，試驗過程中，錘頭重量為198 kg，砝碼板每塊重65 kg，理論上，錘體沖擊速度與沖擊能量可通過式（2）、式（3）進行計算：

式中： v 、 E 分別為沖擊速度與沖擊能量； H 為錘體提升高度； M 為錘體質量； g 為重力加速度，該值取9.8 m/s 2 。在試驗過程中，設置落錘沖擊試驗機參數如表1所示。

2 結果與分析

2.1 紫外光照老化對試件粘結性能的影響

（1）不同老化時間下試件粘結強度分析。分析每種粘結材料在不同時間的60 ℃紫外光照老化試驗下粘結強度變化，分析結果如圖2所示。

由圖2可知，當老化時間在9 d以內時，3種粘合劑的粘結強度均呈現上升狀態，這說明粘合劑在紫外光照射階段的粘結性能會逐漸增加，但當老化時間達到10 d以上時，粘合劑的粘結強度開始大幅下降，從而使其出現老化狀態，在3種試件中，當磷酸添加量過少時，粘合劑的粘結強度呈現較弱狀態，可見通過添加磷酸可以明顯增強粘合劑的粘結效果，而當磷酸添加量達到5%時，其粘結強度明顯要低于添加4%磷酸時的狀態，由此可見，添加4%磷酸在紫外光老化下可以維持較佳的粘結強度。

（2）不同老化時間下試件斷裂伸長率分析。分析不同紫外光照老化時間對粘合劑試件斷裂伸長率的影響，分析結果如圖3所示。

由圖3可知，當紫外光照射時間較短時，每種粘合劑的斷裂伸長率下降幅度并不明顯，說明當照射時間處于9 d以下時粘合劑還未出現明顯的性能變化，而當照射時間逐漸延長后，粘合劑的斷裂伸長率發生明顯改變，導致粘合劑性能出現變化，對比3種粘合劑可以看出，磷酸添加量為4%的粘合劑在24 d老化時間下斷裂伸長率仍然保持在340%以上，可見其可以維持良好的粘結效果。

（3）不同老化時間下試件硬度分析。分析在紫外光老化試驗下試件的硬度變化，以此評估其粘結能力，分析結果如圖4所示。

由圖4可知，在3種試件中，未進行老化時的粘合劑添加5%的磷酸可以達到最高的硬度，但隨著老化時間的延長，這一粘合劑硬度下降幅度明顯，而添加3%磷酸的粘合劑硬度始終最低，由此可見，添加4%磷酸的粘合劑硬度下降幅度最小，可以實現良好的粘結能力。

2.2 粘結試件抗拉效果分析

測試不同粘結試件在常溫狀態下（25 ℃）拉拔試驗過程中的粘結效果，分析每一試件的粘結-滑移曲線，以此評估試件抗拉能力，分析結果如圖5所示。 由圖5可知，各試件在常溫狀態下的粘結-滑移曲線基本類似，當滑移值在8 mm以內時，每一試件的粘結應力呈現上升狀態，當滑移值繼續增大，試件粘結應力均開始出現下降，說明在較大的滑移值下試件粘結應力有所減弱，對比3種試件，添加4%磷酸粘合劑粘結后粘結應力上升幅度最大，因此該組試件可提供較高的粘結能力，從而實現鋼筋與混凝土的穩定粘結。

2.3 試件抗沖擊性能分析

分別設置試驗溫度為200、400和600 ℃，分析每種試件在不同試驗溫度以及沖擊速度下的抗沖擊性能，以此評估試件粘結后的粘結效果以及耐高溫效果，分析結果如圖6所示。

由圖6可知，當溫度處于200 ℃時，受沖擊作用下每種試件的抗沖擊下降幅度存在差異，其中，添加3%磷酸粘合劑粘結后的試件在較大的沖擊速度下抗沖擊強度會迅速下降，而在此溫度下，其他2種試件的抗沖擊強度下降幅度并不明顯；當溫度逐漸升高，達到400 ℃時，每種試件抗沖擊強度有所減弱，但仍然能夠保持一定的抗沖擊效果，而當試驗溫度達到600 ℃時，3 種試件的最高抗沖擊強度僅保持在10 MPa，在此溫度下，添加4%磷酸粘合劑粘結后的試件可以保持最高的抗沖擊強度，由此可見，該試件不僅具有良好的抗沖擊能力，還擁有一定的耐高溫性能。

3 結語

鋼筋與混凝土之間的粘結性能對地鐵結構的安全性和穩定性至關重要，為此，對地鐵施工中鋼筋與混凝土粘結性能進行研究，通過性能測試方法測試每種制備的粘合劑是否能夠滿足鋼筋與混凝土粘結要求，研究可知，適當的粘合劑材料的選擇是影響粘結性能的重要因素，必須根據具體施工環境和工程要求選擇材料。

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（責任編輯：蘇 幔）