快凝無機(jī)植筋膠栓試驗(yàn)研究＊

尚守平，胡向軍，吳莉莉，楊 甜

（湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

近年來，中國建筑業(yè)發(fā)展飛速，從建國初期的大 規(guī)模新建逐步邁向新建與改造并重時(shí)期，現(xiàn)有建筑物或構(gòu)造物的改造與維修加固已成為建筑業(yè)的新熱點(diǎn)[1].在建筑物和構(gòu)造物由于使用功能變化、不可抗力、結(jié)構(gòu)老化等原因需要進(jìn)行改造、加固和補(bǔ)強(qiáng)等過程中，植筋錨固技術(shù)通過利用粘結(jié)錨固材料使新增鋼筋與原有鋼筋共同工作有效地解決了這些問題，從而得到越來越廣泛的應(yīng)用[2－3].

植筋錨固材料主要分為有機(jī)錨固材料和無機(jī)錨固材料.傳統(tǒng)的植筋技術(shù)多用有機(jī)錨固材料[4]，但該類材料在施工過程中普遍存在如：環(huán)保、焊接、防火以及耐久性較差等問題，因此在目前的一些工程施工中，有機(jī)材料使用越來越受到限制.無機(jī)膠凝材料是近年來研究開發(fā)出來的一種新型膠凝材料，前蘇聯(lián)Glukhovski等[5]使用碎石、鍋爐渣或高爐礦渣磨細(xì)，再用NaOH溶液或水玻璃溶液調(diào)制凈漿，得到了強(qiáng)度高達(dá)120MPa且穩(wěn)定性好的膠凝材料.Davidovits[6]提出了由堿激發(fā)煅燒高嶺土制成地聚合水泥.吳其勝等[7]通過復(fù)合堿組分對礦渣－粉煤灰堿膠凝材料性能的影響，得到了采用復(fù)合堿組分激發(fā)礦渣－粉煤灰體系，強(qiáng)度更高.趙三銀等[8]研究了無機(jī)礦粉對堿激發(fā)碳酸鹽膠凝材料性能的影響.鄭文忠等[9]針對目前植筋膠軟化點(diǎn)過低的問題，開發(fā)了可耐600°高溫的植筋用無機(jī)膠凝材料，并通過混凝土上的植筋錨固性能試驗(yàn)得出了其粘結(jié)性能良好.鋼筋在混凝土中植筋錨固，國內(nèi)外專家已經(jīng)進(jìn)行了較多研究，對鋼筋的錨固承載力與錨固深度、鋼筋直徑和混凝土強(qiáng)度等級(jí)等不同條件均進(jìn)行了研究，取得了很多成果.本文根據(jù)堿激發(fā)礦渣性能研究出一種新型的高強(qiáng)快凝無機(jī)植筋錨固膠栓（由非水泥基粉料添加劑1與固化添加劑2兩者反應(yīng)生成），并對其抗壓性能、凝結(jié)性能及植筋錨固性能進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究與分析.

1 材性試驗(yàn)與膠栓制備

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)?zāi)z栓成分由2種添加劑構(gòu)成，?；郀t礦渣微粉S95和NaOH固體混合物作為添加劑1；水玻璃為添加劑2，兩者混合均勻即生成快凝無機(jī)植筋膠.其中水玻璃和礦粉化學(xué)指標(biāo)如表1和表2所示.添加劑1中NaOH的成分、摻量和礦粉的堿度及活性等都是影響錨固材料凝結(jié)速率和強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，添加劑2中水玻璃的摻量也將對強(qiáng)度和凝結(jié)速率有很大影響.

表1 水玻璃主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The main technical indicators of Sodium silicate

表2 礦渣微粉品質(zhì)指標(biāo)檢測結(jié)果Tab.2 Test results of Slag quality index

1.2 材性試驗(yàn)

本膠栓主要用于工程中植入剪切器件，考慮到在一些工程中水平面、豎向面，尤其是仰面植入有快凝需要，在前期做的材料配合比試驗(yàn)著重考慮強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間.將非水泥基粉料添加劑1與固化添加劑2中成分按不同的配合比制作多組立方體試塊，試塊尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，同時(shí)記下初凝的時(shí)間.對不同配合比下的試塊在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)，然后分別進(jìn)行3，7，14和28d的抗壓試驗(yàn)，材料強(qiáng)度性能研究的方法按照J(rèn)GJ／T 70－2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行，抗壓試驗(yàn)如圖1所示.不同配合比試塊，其抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

圖1 試塊抗壓試驗(yàn)Fig.1 Test block compression testing

表3 試塊抗壓強(qiáng)度Tab.3 Compressive strength of test block

由表3可知，第1組試塊3d強(qiáng)度即可到43.8MPa，達(dá)到28d抗壓強(qiáng)度的69.0%，7d的強(qiáng)度達(dá)到28d的83.3%，隨后強(qiáng)度仍有增長，但增速趨于緩慢.且在凝結(jié)時(shí)間上，第1組采用機(jī)械攪拌2 min左右就可以達(dá)到初凝，人工攪拌時(shí)間稍長，但一般也不超過5min，相對其他組凝結(jié)速率更符合需要.由此可看出，該配合比下的無機(jī)錨固材料在抗壓強(qiáng)度和快凝性能方面都較好.

1.3 膠栓制備

由于該無機(jī)錨固材料凝結(jié)速率很快，在施工中不方便現(xiàn)場攪拌使用，為了利用其高強(qiáng)快凝的性能以方便用于某些需要快速凝固的施工中，故加入玻璃管制成無機(jī)玻璃膠栓，成品膠栓使用方便，保存時(shí)間較長，可在工程中大量應(yīng)用.

試驗(yàn)制作的膠栓分為套管型膠栓和兩截型膠栓2種.套管型膠栓，如圖2所示，采用2種不同直徑的薄玻璃管，玻璃管直徑根據(jù)植筋孔大小確定，長度根據(jù)材性試驗(yàn)中得到的配合比與植筋孔深度綜合考慮確定.先將所有玻璃管一端封口，添加劑2放入小直徑玻璃管中，然后另一端封口，冷卻一段時(shí)間后，將其套入大直徑玻璃管中，再加入添加劑1后封口，即得到套管型膠栓.兩截型膠栓，如圖3所示，采用相同直徑的薄玻璃管，玻璃管直徑根據(jù)植筋孔大小確定，長度根據(jù)植筋深度與配合比綜合考慮確定.先將所有玻璃管一端封口，按要求裝入相應(yīng)的添加劑1和2，最后將所有玻璃管完全封口即得到兩截型膠栓.

圖2 套管型膠栓Fig.2 Casing plastic bolt

圖3 兩截型膠栓Fig.3 Two parts plastic bolt

2 植筋膠栓施工工藝

植筋的施工過程：1）定位放線，清理原有結(jié)構(gòu)基層表面，露出需打孔的結(jié)構(gòu)層，依據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行定位，標(biāo)明植筋錨固點(diǎn)的鉆孔位置.2）鉆孔，鉆孔時(shí)應(yīng)確?？锥创怪?，深度滿足設(shè)計(jì)要求，鉆孔直徑宜取為D＋4mm（D為鋼筋直徑）.3）清理孔洞，鉆孔完后使用氣泵軟管將孔洞內(nèi)產(chǎn)生的灰渣和粉塵吹凈，然后用清水沖洗孔洞，清除殘余的粉塵.4）澆水濕潤，該植筋膠栓為無機(jī)材料，具有親水性，而混凝土基材存在吸水性，會(huì)將植筋膠體內(nèi)的水分吸走而使膠體不能正常水化硬化，進(jìn)而影響植筋的質(zhì)量，所以應(yīng)在植筋前充分濕潤試件.5）放入植筋膠和植筋，套管型植筋膠栓直接放入孔洞內(nèi)，兩截型植筋膠栓，先放入裝有添加劑2的膠栓，再放入裝有添加劑1的膠栓；植筋時(shí)，邊深入邊旋轉(zhuǎn)緩慢插入至孔底，帶肋鋼筋可以使2種添加劑充分?jǐn)嚢杈鶆?6）養(yǎng)護(hù)，為了使膠體能夠很好地凝結(jié)硬化，在植筋完后的4個(gè)小時(shí)內(nèi)就應(yīng)當(dāng)進(jìn)行濕水養(yǎng)護(hù)，剛開始一天應(yīng)養(yǎng)護(hù)3～4次，隨時(shí)間延長可逐漸減少，養(yǎng)護(hù)7～14d為宜.

3 拉拔試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 植筋試驗(yàn)

植筋拉拔試驗(yàn)在試驗(yàn)室廢棄C25混凝土基材上進(jìn)行，在其表面鉆孔間距≥200mm，孔的直徑與所植鋼筋的直徑有關(guān).本次試驗(yàn)采用HRB400級(jí)鋼筋，直徑分別為6，8和10mm，植入深度分別為10倍，15倍和20倍鋼筋直徑.拉拔試驗(yàn)裝置采用北京煤炭科學(xué)研究總院研制的YS－1型拉拔儀，測量精度為0.1kN.加載機(jī)制采用GB／50367－2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中的均勻速率加載.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)共植筋168根.套管型玻璃管膠栓植筋78根，其中水平面植筋60根，豎向面植筋18根；兩截型玻璃管膠栓植筋90根，其中水平面植筋54根，豎向面植筋36根.植筋過程中考慮不同鋼筋直徑、錨固深度、植筋角度以及植筋天數(shù)等因素對鋼筋拉拔承載力的影響，試驗(yàn)測得極限拉拔承載力結(jié)果平均值如表4所示.當(dāng)鋼筋有拉斷時(shí)，保守取拉斷時(shí)的錨固承載力作為膠栓的極限承載力，其中不帶括號(hào)的數(shù)值為套管型膠栓極限拉拔承載力，帶括號(hào)數(shù)值為兩截型膠栓極限拉拔承載力.

表4 鋼筋極限拉拔承載力結(jié)果Tab.4 The result of the ultimate bearing capacity of reinforcement pull－out test kN

3.3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論

對不同因素下測到的鋼筋極限錨固承載力，分析結(jié)果如圖4～圖6所示，并結(jié)合表4可得以下結(jié)論（D為鋼筋直徑）：

1）不同直徑的植筋破壞在達(dá)到一定天數(shù)后基本都能使鋼筋達(dá)到屈服甚至拉斷，除了部分在錨固深度為10D時(shí)因其錨固深度較淺導(dǎo)致強(qiáng)度較低，其效果較差外，整體的試驗(yàn)拉拔承載力還是較高的.

圖4 套管型與兩截型強(qiáng)度對比Fig.4 Comparison of strength between Casing plastic bolt and two parts plastic bolt

圖5 套管型膠栓在10 D時(shí)拉拔力隨鋼筋直徑變化Fig.5 Pulling force with the bar diameter in 10 Dof Casing plastic bolt

圖6 兩截型膠栓水平面植筋Ф8時(shí)植入深度與抗拔力變化Fig.6 Pulling force with the implant depth changes ofФ8in the horizontal plane of two parts plastic bolt

2）錨固深度對極限承載力存在一定的影響，錨固深度越深，承載力越大，但達(dá)到一定深度后并不成正比例關(guān)系且錨固深度對極限承載力增長的貢獻(xiàn)幅度遠(yuǎn)弱于時(shí)間因素.試驗(yàn)中得到錨固深度為15D時(shí)，雖早期承載力小于20D，但隨時(shí)間增長后期極限錨固承載力基本相同，考慮到工程中錨固長度過長不利于施工，由此可在滿足承載力要求前提下選擇比較經(jīng)濟(jì)合理的錨固深度.

3）植筋天數(shù)對極限承載力有很大影響，當(dāng)水平面植筋時(shí)，極限承載力在3～7d時(shí)增長較快，7d時(shí)可達(dá)到鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的108.0%～168.1%（錨固深度≥15D），隨后趨于平緩.當(dāng)豎向面植筋時(shí)，拉拔承載力增長相對滯后.由此可得到不同形式錨固面植筋的合理養(yǎng)護(hù)天數(shù).

4）對比2種形式的錨固面，水平面植筋的效果比豎直面要更理想一些，且兩者拉拔承載力前期差異較大，后期逐漸減小.這可能與2種膠栓在不同形式的錨固面的反應(yīng)速率及是否能充分反應(yīng)有關(guān).

5）由圖4可知，兩截型的早期承載力較套管型稍低，但相差不大，而后期強(qiáng)度兩截型要更高一些，同時(shí)考慮到制作工序，兩截型膠栓較套管型膠栓簡單易制作，更適于應(yīng)用.

6）試驗(yàn)中觀察鉆孔周圍混凝土基材表面的破損模式，當(dāng)錨固深度較淺或植筋天數(shù)較少時(shí)，破壞形式多為粘結(jié)破壞，鋼筋被拉出或混凝土呈錐形體破壞，沒有明顯征兆，呈脆性破壞.當(dāng)植筋深度較深或植筋天數(shù)較長時(shí)，破壞形式多為復(fù)合破壞（錐形體破壞＋植筋膠與基材粘結(jié)破壞或錐形體破壞＋鋼筋被拉斷），破壞有較明顯征兆.

3.4 相對錨固長度計(jì)算公式

根據(jù)兩截型膠栓植筋試驗(yàn)結(jié)果，考慮到粘結(jié)強(qiáng)度與各影響因素之間的關(guān)系，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到平均粘結(jié)強(qiáng)度公式為：

式中：t為植筋天數(shù)；λ為不同面修正系數(shù).

由錨固承載力極限方程：

代入可得相對錨固長度計(jì)算公式為：

對于水平面植筋λ可取1.0，對于豎向面植筋，當(dāng)植筋超過7d時(shí)建議λ取0.85.

4 結(jié) 論

1）制作了套管型和兩截型2種無機(jī)膠栓，通過植筋試驗(yàn)分析研究了不同因素下對極限拉拔承載力的影響，得出了在錨固深度大于15倍鋼筋直徑，植筋天數(shù)在水平面大于7d，豎向面大于14d時(shí)，錨固強(qiáng)度易得到保證.

2）通過多組配合比試塊的抗壓試驗(yàn)和凝結(jié)速率對比得到了一組兩者性能兼優(yōu)的材料組分比例，用該配合比制作的植筋膠3d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到43.8MPa，且凝結(jié)速率很快，滿足高強(qiáng)快凝的要求，能適用于水平面和豎向面植筋有快凝需要的工程中.

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