建筑結(jié)構(gòu)膠檢測(cè)的干擾因素分析與消除

李明，吉小偉

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510530）

0 概述

建筑結(jié)構(gòu)膠施工便捷、強(qiáng)度高，膠體破壞遲于結(jié)構(gòu)破壞，有良好的工程價(jià)值。為保證工程質(zhì)量，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50550—2010《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》、GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》，并將這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中涉及建筑結(jié)構(gòu)膠的全部條目都規(guī)定成為強(qiáng)制性條文，必須嚴(yán)格執(zhí)行，強(qiáng)制建筑結(jié)構(gòu)膠進(jìn)場(chǎng)施工前檢測(cè)、鑒定。這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)方法，但建筑結(jié)構(gòu)膠生產(chǎn)廠眾多，成分及比例復(fù)雜多變，導(dǎo)致相同的步驟中可能出現(xiàn)不同的問(wèn)題。而檢測(cè)方法只規(guī)定了操作步驟，未指出這些步驟中可能遇到的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)方案。例如：（1）方法規(guī)定了實(shí)驗(yàn)室的溫度，而未指出部分膠粘劑單次攪拌超過(guò)一定容量時(shí)，迅速放熱固化，根本來(lái)不及成型；只有每次少量攪拌，或者使用氣動(dòng)泵、自動(dòng)混合器，才能成型（此時(shí)不考慮抽不抽真空對(duì)結(jié)果的影響）。（2）方法對(duì)攪拌機(jī)的扭矩、容器的旋緊定位、攪拌的速率、時(shí)間沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定，粘稠膠低速下無(wú)法攪拌均勻，稀薄膠高速下攪入大量氣泡。（3）方法對(duì)抽真空的時(shí)間、防溢出措施未作規(guī)定，未提及部分膠抽真空過(guò)程中可能膨脹10倍、溢出、污染設(shè)備，也未提及高粘度的膠即使抽真空，內(nèi)部也會(huì)留下蜂窩等。

1 涉及的檢測(cè)項(xiàng)目

本文主要涉及 GB 50367—2013、GB 50550—2010、GB 50728—2011等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拉伸、抗彎、抗壓、劈裂、鋼-鋼粘結(jié)抗拉、鋼-混凝土正拉粘結(jié)、拉伸抗剪等檢測(cè)項(xiàng)目。

拉伸強(qiáng)度表征膠體內(nèi)聚強(qiáng)度，若膠體內(nèi)聚強(qiáng)度低于構(gòu)件內(nèi)聚強(qiáng)度，則破壞時(shí)膠體先破壞，不足以保障結(jié)構(gòu)安全?？箯潖?qiáng)度表征脆性，凡抗彎破壞為脆性破壞，則后續(xù)檢測(cè)無(wú)意義。脆性破壞的特征是[1]：膠體或斷成多節(jié)，或沿試件縱向很長(zhǎng)裂口，無(wú)論是2種特征中的哪種，破壞碎片難以拼合成原狀?？箟簭?qiáng)度對(duì)植筋膠特別重要，抗壓強(qiáng)度高，植筋膠錨固效果好；但抗壓強(qiáng)度高，韌性就低。劈裂強(qiáng)度表征膠體承受集中荷載的能力，膠體承受集中荷載的常見(jiàn)情形有：（1）植筋；（2）外粘型鋼時(shí)用加厚鋼板。鋼-鋼粘結(jié)抗拉一方面表征膠液對(duì)鋼的浸潤(rùn)能力；另一方面表征膠對(duì)鋼的粘附力能否高于膠的內(nèi)聚力。無(wú)論是浸潤(rùn)能力不佳，還是粘附力低于內(nèi)聚力，都不足以保障結(jié)構(gòu)安全。 鋼-混凝土正拉粘結(jié)表征膠與混凝土粘附強(qiáng)度、混凝土內(nèi)聚強(qiáng)度的關(guān)系。前者遠(yuǎn)大于后者，因此鋼-混凝土正拉粘結(jié)檢測(cè)必須是混凝土內(nèi)聚破壞，且鋼-混凝土正拉粘結(jié)強(qiáng)度不應(yīng)低于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，以保安全。拉伸抗剪表征膠體受拉伸和剪切復(fù)合荷載時(shí)的性能。

2 干擾因素分析

2.1 溫度帶來(lái)干擾

建筑結(jié)構(gòu)膠檢測(cè)中的制樣、養(yǎng)護(hù)溫度是（23±2）℃，但此過(guò)程中，非環(huán)境調(diào)節(jié)因素也會(huì)引起膠液溫度變化。經(jīng)筆者和同事測(cè)試，存在以下現(xiàn)象：（1）真空脫泡2 min后，膠液溫度普遍下降1～2℃，該結(jié)果也與真空泵的功率、真空桶的容積有關(guān)；（2）單次攪拌超過(guò)500 mL并晾置10 min，膠液溫度普遍上升3～10℃，該結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)玻璃燒杯中測(cè)得，如果以15 cm培養(yǎng)皿攤薄，膠液溫度上升不超過(guò)3℃；（3）個(gè)別品種如橋梁專用粘鋼膠反應(yīng)異常迅速，單次攪拌超過(guò)500 mL晾置2～3 min可達(dá)該升溫效果。

因此，同一樣品若2次試驗(yàn)的脫泡、晾置操作不同，則2次檢驗(yàn)結(jié)果會(huì)有偏差。

2.2 攪拌帶來(lái)干擾

（1）攪拌時(shí)間對(duì)結(jié)果有干擾。①攪拌時(shí)間短，成分分散不均勻，性能偏低。②攪拌時(shí)間長(zhǎng)，膠液已反應(yīng)至發(fā)粘起絲，澆鑄體有應(yīng)力集中，而粘結(jié)體則不但有應(yīng)力集中，還有浸潤(rùn)能力下降。

（2）攪拌速率對(duì)結(jié)果有干擾。①攪拌速率低，需要更長(zhǎng)時(shí)間才能使成分分散均勻。②攪拌速率高，大量空氣混入，需要更長(zhǎng)時(shí)間才能脫泡。更重要的是過(guò)于激烈的機(jī)械作用會(huì)導(dǎo)致凝膠、破乳。③建筑結(jié)構(gòu)膠通常含觸變劑，觸變后的膠液粘度暫時(shí)降低。

因此，同一樣品若2次試驗(yàn)的攪拌時(shí)間、攪拌速率不同，則2次檢驗(yàn)的結(jié)果會(huì)有偏差。

參考膠粘劑研發(fā)過(guò)程中的分散環(huán)節(jié)[2]，當(dāng)使用真空攪拌機(jī)攪拌建筑結(jié)構(gòu)膠時(shí)，攪拌速率為90～120 r/min，以使成分分散均勻。當(dāng)使用非真空攪拌機(jī)時(shí)，對(duì)速率不作要求。

2.3 脫泡方式帶來(lái)干擾

氣泡集中處應(yīng)力集中，試件受力時(shí)首先從最薄弱處也就是氣泡集中處破壞，性能偏低。脫泡方式對(duì)結(jié)果有干擾。靜置脫泡、振動(dòng)脫泡不可取。由于膠液粘度和流動(dòng)阻力，肉眼不可見(jiàn)的微小氣泡所受到的浮力不足以使之浮到液氣界面。因此以真空脫泡為佳。但用于測(cè)定固體含量的膠液不得使用真空脫泡。如能以真空攪拌機(jī)邊攪拌邊脫泡，則攪拌過(guò)程無(wú)新空氣混入，可使用高速攪拌（不得超過(guò)120 r/min），使成分分散更均勻。

根據(jù)筆者和同事的經(jīng)驗(yàn)，建筑結(jié)構(gòu)膠抽真空時(shí)，膠液至少膨脹5倍，部分廠商的個(gè)別型號(hào)可膨脹10倍，因此，單次抽真空的建筑結(jié)構(gòu)膠宜限定在真空桶容積的1/10。

2.4 操作時(shí)間帶來(lái)干擾

建筑結(jié)構(gòu)膠成型的操作時(shí)間分布于下述環(huán)節(jié)：攪拌、脫泡、澆鑄或粘結(jié)、夾持及刮去溢膠。其中，澆鑄或粘結(jié)所占時(shí)間最長(zhǎng)：小粘度膠需緩慢倒入模具以免混入氣泡，大粘度膠需以工具緩慢壓入模具以免缺失長(zhǎng)條棱角；粘結(jié)性能試件需撒布玻璃珠控制膠層厚度，避免粘結(jié)層過(guò)薄缺膠，也避免粘結(jié)層過(guò)厚引起應(yīng)力集中。

上述環(huán)節(jié)自身需要時(shí)間，而且上述環(huán)節(jié)還有附加的時(shí)間消耗，即：在膠液固化前及時(shí)清潔受溢膠污染的設(shè)備、工具。在上述操作過(guò)程中，成型1個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目所需的5～15個(gè)試件普遍需要10～15 min。有可能首個(gè)試件和末個(gè)試件的膠液狀態(tài)已經(jīng)不同，足以影響檢測(cè)結(jié)果的變化。因此，應(yīng)對(duì)各個(gè)步驟限定時(shí)間。

2.5 模具帶來(lái)干擾

鋼模具脫模較困難（即使使用脫模劑）、沉重不易操作，常常在拆模時(shí)把樣條拆碎，被迫重新成型；硅橡膠模具有彈性，澆鑄的樣條尺寸不規(guī)整，且不是剛性模具，膠液中的分子交聯(lián)不密實(shí)，因此兩者皆不佳。近年來(lái)筆者和同事自行開(kāi)發(fā)了一套模具（見(jiàn)圖1），配合薄膜使用，兼有鋼模具和硅橡膠模具的優(yōu)點(diǎn)而無(wú)兩者缺點(diǎn)。圖2為自制模具澆鑄的樣條。

此外，自制模具還可用于鋼套筒法測(cè)試?yán)炜辜粜阅埽ㄒ?jiàn)圖 3、圖 4）。

圖1 自制模具

圖2 自制模具澆鑄的樣條

圖3 自制模具插入套筒和鋼筋前

圖4 自制模具中鋼筋外表面和套筒內(nèi)表面的平行度較好

2.6 基材帶來(lái)干擾

基材干擾包括粗糙度干擾和材質(zhì)干擾。

（1）粗糙度干擾：膠粘面的粗糙度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)膠的浸潤(rùn)性有影響。而浸潤(rùn)性在某些檢測(cè)項(xiàng)目中對(duì)檢測(cè)結(jié)果有高達(dá)33%和34%的影響[3]，經(jīng)筆者和同事測(cè)試[4]，某品牌型號(hào)粘鋼膠拉伸抗剪的檢測(cè)中，鋼片打磨時(shí)，一組試件的破壞荷載最大值和最小值相差可達(dá)500 N。鋼片噴砂時(shí)，一組試件的破壞荷載最大值和最小值相差70 N。如果使用噴砂打磨，打磨后應(yīng)當(dāng)用丙酮棉簽擦拭表面，并且在打磨后20 min內(nèi)完成膠粘和固定，以免基材表面形成氧化膜。噴砂機(jī)宜配置特大氣缸的空氣壓縮機(jī)，確保能以0.4 MPa持續(xù)噴砂5～10 min。

（2）材質(zhì)干擾：現(xiàn)行GB/T 7124—2008規(guī)定拉伸抗剪的基材為剛性材料，但未規(guī)定具體材料。為在檢測(cè)中與施工條件一致，可使用鋼片45#碳鋼；不需要與施工條件一致時(shí)，可使用錳鋼。但錳鋼硬度高，對(duì)錳鋼噴砂不使用棕剛玉，而使用鋼砂。但鋼片模量越大，鋼片越厚，相同的膠層面積下，抗剪強(qiáng)度越大[5]。這是高彈性模量金屬對(duì)膠層的拘束強(qiáng)化作用引起的。根據(jù)筆者和同事檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，符合GB/T 7124—2008所規(guī)定厚度的45#碳鋼拉伸剪切之后必定變形，不宜重復(fù)使用。

（3）膠粘面積干擾：影響拉伸抗剪不確定度的最大因素是粘結(jié)面積[6]。

2.7 膠粘面厚度控制方法造成干擾

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定拉伸抗剪等試件，用直徑0.20 mm的金屬絲或玻璃微珠控制膠粘面厚度。筆者習(xí)慣采用實(shí)心玻璃微珠。玻璃微珠的干擾分以下2點(diǎn)討論：

（1）玻璃微珠的粒徑是否均勻以及玻璃微珠在粘結(jié)面是否撒布均勻?qū)z測(cè)結(jié)果有干擾。粒徑大小不一或撒布不均勻都會(huì)造成粘結(jié)體翹曲，上機(jī)測(cè)試時(shí)產(chǎn)生剝離力。

（2）撒布玻璃微珠的數(shù)量對(duì)建筑結(jié)構(gòu)膠檢測(cè)結(jié)果是否有干擾，以及干擾程度目前學(xué)術(shù)界尚無(wú)論證。這是因?yàn)橹苯釉诮ㄖY(jié)構(gòu)膠中撒布玻璃珠而沒(méi)有進(jìn)行液-珠界面改性，與在環(huán)氧樹(shù)脂中撒布玻璃珠，并進(jìn)行液-珠界面改性的結(jié)果是完全不同的。

對(duì)玻璃微珠增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的研究表明，添加Φ0.20 mm玻璃微珠并對(duì)膠液-玻璃微珠界面進(jìn)行改性后，膠體受拉時(shí)，裂紋不以二維平面擴(kuò)展，且玻璃珠的比表面積大，提高了界面破壞能量，因此隨著玻璃微珠用量的增多，拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等性能呈現(xiàn)先升后降的特點(diǎn)。這方面的具體成果較多，本文不贅述。

但是，無(wú)論有無(wú)論據(jù)表明撒布玻璃珠對(duì)檢測(cè)結(jié)果是否有干擾，也應(yīng)防止可能造成的干擾。因此，筆者和同事只撒布滿足最小必需量的玻璃珠，建議嚴(yán)禁撒布過(guò)量玻璃珠。檢測(cè)結(jié)果表明，膠粘層面積為A時(shí)，撒布（10%～15%）A顆的實(shí)心玻璃微珠已經(jīng)足夠保證膠粘層均勻、試件不翹曲。因此，我們建議：檢測(cè)建筑結(jié)構(gòu)膠時(shí)，撒布玻璃珠的數(shù)量宜為（10%～15%）A顆。

2.8 未作預(yù)加載造成干擾

凡是試件上機(jī)夾持時(shí)可能受彎的試驗(yàn)，例如鋼絞線、建筑結(jié)構(gòu)膠拉伸強(qiáng)度澆鑄體都必須進(jìn)行預(yù)加載。預(yù)加載是為了測(cè)量變形，一般對(duì)力值沒(méi)有影響。拉伸性能的試件不做預(yù)加載，對(duì)伸長(zhǎng)率有干擾。預(yù)加的荷載通常是估計(jì)破壞荷載的5%左右。

2.9 接觸式引伸計(jì)造成干擾

引伸計(jì)是萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的附件，它以傳感器測(cè)量試件上的2點(diǎn)間距離的變化。由于接觸式引伸計(jì)需要將引伸計(jì)固定在試件上，造成應(yīng)力；而試件破壞時(shí)從薄弱處和應(yīng)力集中處破壞，因此，接觸式引伸計(jì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響。進(jìn)行拉伸性能上機(jī)時(shí)，是兩段式上機(jī)：試件帶引伸計(jì)受拉，得到平直曲線，足以測(cè)出拉伸彈模時(shí)，迅速取下引伸計(jì)，以免試件拉斷時(shí)的振動(dòng)損壞引伸計(jì)（測(cè)試的前半段）。取引伸計(jì)的過(guò)程試驗(yàn)不中斷，膠體繼續(xù)受拉（測(cè)試的后半段）。拉斷后，測(cè)量伸長(zhǎng)量。

雖然后半段試驗(yàn)中，試件不帶引伸計(jì)，但是膠體表面缺陷和應(yīng)力集中已經(jīng)造成，因此測(cè)得的斷裂伸長(zhǎng)率離散較大，筆者的經(jīng)驗(yàn)是，一組試件斷裂伸長(zhǎng)率最大值和最小值相差可達(dá)5倍。由于非接觸式引伸計(jì)的價(jià)格足以購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，筆者和同事外審時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分檢測(cè)站仍使用接觸式引伸計(jì)。

2.10 統(tǒng)計(jì)干擾

一組試件測(cè)出單個(gè)值之后，需要統(tǒng)計(jì)其標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)有置信水平和保證率的計(jì)算而言，在使用Excel軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，容易誤用函數(shù)。以植筋膠的拉伸抗剪為例，GB 50367—2013中4.4.2規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)用的膠粘劑，必須進(jìn)行拉伸抗剪強(qiáng)度檢驗(yàn)。檢測(cè)時(shí)，其拉伸抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)置信水平為0.90、保證率為95%的要求確定。

由于GB 50367—2013規(guī)定植筋膠的試件不少于15個(gè)，當(dāng)恰好為15個(gè)時(shí)，從GB/T 50728—2011附錄B中查“材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算系數(shù) k值表”，查得：α=0.05、C=0.90、n=15時(shí)，k=2.329。此時(shí)，fk=mf-ks=mf-2.329s，其中mf為強(qiáng)度平均值，s為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差。由于15個(gè)試件是小樣品，故其Excel函數(shù)是STDEV，而不是用于大樣品標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算的函數(shù)STDE。因此，fk=mf-2.329*STDEV。

3 消除上述干擾因素的方案

（1）混合A、B組分時(shí)，應(yīng)先取小粘度組分，再以漏斗添加大粘度組分。優(yōu)先選擇數(shù)顯調(diào)速、計(jì)時(shí)的真空攪拌機(jī)攪拌。當(dāng)使用真空攪拌機(jī)時(shí)，膠液體積不超過(guò)真空攪拌杯容量的1/10，攪拌速率為90～120 r/min。攪拌、脫泡后，完成整組試件澆鑄或膠粘前，膠液應(yīng)在培養(yǎng)皿攤薄。

（2）成型1組5～15個(gè)試件的時(shí)間分配宜為：攪拌1～2min、脫泡1～2 min、膠粘或澆鑄5～10 min、夾持≤1 min。當(dāng)使用真空攪拌機(jī)時(shí)，攪拌2～4 min，不需另行脫泡。上述時(shí)間越短越好。

（3）攪拌、脫泡、膠粘或澆鑄、夾持過(guò)程中，推薦2人操作，但不作強(qiáng)制，助手負(fù)責(zé)清理設(shè)備、工具上的溢膠。膠粘前，應(yīng)大致估計(jì)涂膠量，避免溢膠較多。粘結(jié)體試件溢膠較少時(shí)，不需要刮除溢膠。當(dāng)溢膠較多時(shí)，如果是拉伸抗剪試件，則要求刮除溢膠，但應(yīng)該快速、小心操作，避免擾動(dòng)。刮除溢膠時(shí)，只需大致刮除，不需要徹底刮除。固化后嚴(yán)禁刮除。

（4）澆鑄體成型不得使用彈性模具。

（5）鋼片打磨后應(yīng)當(dāng)用丙酮棉簽擦拭表面，并且在打磨后20 min內(nèi)完成膠粘和固定；45#碳鋼拉伸剪切之后不宜重復(fù)使用。膠粘和固定時(shí)必須使用夾具，嚴(yán)格控制膠粘面積。

（6）膠層厚度可用實(shí)心玻璃微珠控制，微珠應(yīng)預(yù)先篩分。膠粘層面積為A時(shí)，撒布玻璃珠數(shù)量宜為（10%～15%）A顆。

（7）拉伸性能的試件上機(jī)時(shí)應(yīng)預(yù)加載，推薦使用非接觸式引伸計(jì)。

（8）計(jì)算結(jié)果時(shí)，應(yīng)注意大樣本和小樣本計(jì)算公式的區(qū)別。

此外，筆者順便提及對(duì)建筑結(jié)構(gòu)膠行業(yè)統(tǒng)一包裝的必要性：在幕墻用膠粘劑行業(yè)，幕墻硅酮膠（幕墻耐候膠、幕墻結(jié)構(gòu)膠）使用統(tǒng)一的條狀軟包裝，以槍式手動(dòng)注射器施工。實(shí)驗(yàn)室所測(cè)得的力值與施工實(shí)踐的力值接近。而在建筑結(jié)構(gòu)膠行業(yè)，當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)膠的包裝并無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，有25 L大鐵罐，也有仿硅酮膠的條狀軟包裝，也有仿注射器式包裝。其中，槍式或注射器式包裝（A、B組分分開(kāi)）在出廠前先經(jīng)過(guò)抽真空步驟，在使用時(shí)，提供專用的槍、混合器，一經(jīng)注射，A、B組分已經(jīng)自行混合均勻且無(wú)氣泡。這種做法使實(shí)驗(yàn)室所測(cè)得的力值與施工實(shí)踐的力值接近，檢測(cè)結(jié)果對(duì)工程實(shí)踐更具指導(dǎo)意義。而散裝膠（大鐵罐裝）由于實(shí)驗(yàn)室的工藝普遍優(yōu)于工地的工藝，例如實(shí)驗(yàn)室對(duì)溫度、攪拌、脫泡、操作實(shí)踐、厚度控制等環(huán)節(jié)的工藝控制，使得實(shí)驗(yàn)室所測(cè)得的力值普遍高于施工實(shí)踐的力值。因此，建筑結(jié)構(gòu)膠行業(yè)有必要統(tǒng)一包裝、槍、混合器。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)膠生產(chǎn)廠家較多，成分多種多樣，檢測(cè)過(guò)程情況多變。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)方法未作詳細(xì)規(guī)定，檢測(cè)員又經(jīng)驗(yàn)不足時(shí)，易造成較大的結(jié)果偏差。依照既定方案應(yīng)對(duì)各種干擾，加以消除，有利于提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性。