聚合物胶接型锚栓的研究进展

曾 兵，朱莹莹，姜广明，龚郁杰

（1.中国建筑科学研究院（国家化学建筑材料测试中心），北京 100013；2.北京理工大学化学学院，北京 100081；3.中国科技出版传媒股份有限公司，北京 100717）

聚合物胶接型锚栓的研究进展

曾 兵1，2，朱莹莹3，姜广明1，龚郁杰1

（1.中国建筑科学研究院（国家化学建筑材料测试中心），北京 100013；2.北京理工大学化学学院，北京 100081；3.中国科技出版传媒股份有限公司，北京 100717）

聚合物胶接型锚栓在土木工程中的应用越来越广泛。对聚合物胶接型锚栓在国内的应用及其老化机理和耐久性研究进展进行了综述，并结合测试技术和评价指标讨论了国内外相关测试标准和规范的不同之处。

聚合物；锚栓；胶粘剂；植筋；锚固

1　前言

聚合物胶接型锚栓（又称化学锚栓）由胶粘剂、固化剂、骨料、填料与金属螺杆组成。作为一种新型的锚栓，具有锚固力强、形同预埋、无膨胀应力、边距间距小、安装快捷、凝固迅速、节省工时、可在潮湿环境下使用等优点［1］，已经在建筑幕墙、抗震加固、地铁、高速铁路等行业得到了充分的应用。21世纪以来，随着中国城镇化进程的推进，尤其是城市轨道交通和高铁的快速发展，聚合物胶接型锚栓在供电、机电、通信信号支架固定，疏散平台、屏蔽门固定和地下结构固定中得到了更广泛的应用。

2　国内应用及其研究情况

目前，聚合物胶接型锚栓国外的生产企业主要有喜利得集团、德国慧鱼集团、德国曼卡特公司、美国辛普森公司等，其中喜利得集团在后锚固技术方面处于领先地位，拥有专利1 000余项，主持编写了欧洲标准ETAG001，美国标准ACI 318-D-2011，ACI 308，ACI 355.4等。慧鱼集团在阿根廷、巴西、中国、德国、意大利、捷克和美国等地建有全球化生产基地。国内也有数十家企业生产聚合物胶接型锚栓产品，其中龙头企业有湖南固特邦土木技术发展有限公司、南京天力信科技实业有限公司等。

近几年，聚合物胶接型锚铨大量应用于结构复杂的地铁轨道交通结构。由于轨道交通的运行环境极为复杂，如列车运行带来的长期振动、风洞效应，以及高温、腐蚀性环境，聚合物胶接型锚栓以其特有的优势成为地铁轨道交通后锚固的最佳选择［2］。中铁五局集团电务工程有限公司参照英国BB公司为中国广州地铁一号线工程设计的聚合物胶接型锚栓锚固隧道接触网底座的设计方案，通过南五台隧道和秦岭隧道的工程试验，证明聚合物胶接型锚栓的承载力比计算数据还高［3］。中铁一局电务公司在七堡车辆基地的地铁牵引供电系统的接触网项目中使用了大量的聚合物胶接型锚栓，明显地提高工作效率，节约施工投入，缩短施工工期［4］。铁道部第二勘测设计院在成昆线元谋—广通段南段几子湾隧道的接触网悬挂工程上，利用聚合物胶接型锚栓锚固技术，解决了隧道衬砌厚度不够所引起的灌浆情况，为国家节约了大量的资金［5］。随着中国城镇化建设的推进，土工工程行业必将迎来新的发展阶段，尤其是近年来在土木工程的加固改造和轨道交通建设方面，国家投入了大量的财力、物力。

国内对聚合物胶接型锚栓的应用研究主要集中在测试产品的强度和耐火性。聚合物胶接型锚栓的拉拔破坏有多种形式［6］。混凝土发生锥体破坏时，聚合物胶接型锚栓的粘接强度大于混凝土的强度；拔出破坏时，发生的是有机胶粘剂与混凝土的粘接破坏［7］。邢国起［8］研究了无机化学锚栓的极限锚固力随温度升高，锚栓的极限抗拔承载力先降低后回升再大幅度降低；自然冷却的极限抗拔承载力高于浇水冷却；随静置时间延长，极限抗拔承载力降低幅度较小。万战胜［9］也得到了类似的结论，同时测出了聚合物胶接型锚栓和无机化学锚栓的工作极限温度分别为170 ℃和450 ℃，耐火极限温度分别为300℃和700 ℃。

3　老化机理和耐久性研究

胶粘剂的固化过程和程度决定了聚合物胶接型锚铨的力学性能，在研究胶粘剂固化反应动力学和热力学方面，Lixin Wu利用DSC测定了胺固化环氧树脂固化时的焓变，不但获得了反应时间和转化率的对应关系，还以Horie动力学模型［16］推断反应速率常数和自催化反应常数［10］。对于胺固化体系的环氧胶粘剂，可以用915 cm-1的环氧乙烷红外峰和1 510 cm-1的苯撑基团红外峰的比值来定量的表征其固化过程［11］；也可以用1 660～1 670 cm-1的氨基红外峰和1 720～1 730 cm-1的羰基红外峰定性的表征其老化时碳骨架的变化［12，13］。Chen利用近红外光谱（NIR spectroscopy）技术，实现了对环氧树脂的固化反应和固化程度的监测［14］。胶粘剂的分子结构对其力学性能和热稳定、化学稳定性也会有影响。Sankar比较了数种分子结构相近的环氧树脂胶粘剂的粘接性能，发现分子链上含有芳香环或者杂环的环氧树脂胶粘剂耐化学介质性较差，但是耐高温的能力较高［15］。

胶粘剂在使用过程中，往往受到各种环境因素的影响，如光、热、水、氧、各种介质（盐雾、碱等）和微生物等，从而使分子链结构发生变化，胶粘剂会发生劣化，造成其力学性能下降，甚至发生破坏［16，17］。ASTM也特别出版了若干个标准规定了胶粘接耐久性的实验条件：ASTM D896-04（2010）e1，ASTM D1151-00（2006），ASTM D1828-01（2007），ASTM D1879-06，ASTM D2295-96（2008），ASTM D2557-98（2010）e1等。由于胶粘剂主要是起粘接作用，有人评价了胶粘剂的粘接强度受环境的影响［18，19］。Chiang利用DSC测试了水-热老化的环氧树脂胶粘剂的玻璃化温度的降低与水-热老化的温度和树脂吸水性的关系，认为水作为劣溶剂不但起到了内增塑的作用，还有可能破坏环氧树脂和补强粒子的界面，从而造成环氧树脂胶粘剂经水-热老化后性能降低［20］。不同配方的胶粘剂在60 ℃的水-热条件下老化15 d后，拉伸强度和拉伸模量都有一定的变化，利用DSC测试老化后的胶粘剂，发现其Tg下降明显［21］。同时，目前研究主要集中于对环氧树脂胶粘剂的老化机理展开［22～26］，对乙烯基树脂胶粘剂的研究尚不多见。

通过对胶粘剂微观结构及其固化特性与力学性能的关联性研究，国外提出一些现场检测胶粘剂性能的新方法，如超声波法，核磁法和正电子湮灭时间等。树脂在固化的过程以及老化的过程中，力学性能发生改变，超声波在其径向和切向速度也发生改变［27］。通过等温条件下测试纯树脂和经过老化的树脂中超声波的速度，就能建立起树脂老化程度和超声波的速度的关系，实现在工程现场检测胶粘剂的老化情况。胶粘剂的交联结构受到老化影响后，其核磁强度和弛豫时间会变化［28］，如果在实验室里建立了有机胶粘剂的老化程度与核磁弛豫时间的关系，利用手持式单向核磁探头，就能够原位获得建筑工程或者轨道交通上正在使用的有机胶粘剂的老化程度，无损鉴别其耐久性。J.Kanzow发现正电子在水-热老化或者热老化的胶粘剂中的湮灭时间缩短［29］，如果在实验室里建立了有机胶粘剂的老化程度与正电子的湮灭时间的关系，也能够分析正在使用的有机胶粘剂的老化程度。这些方法的不足之处是检测设备复杂，设备昂贵，但为实现原位快速检测技术的研究提供了方向。

4　测试标准和规范

国内用于聚合物胶接型锚栓的胶粘剂主要有植筋胶锚固型锚栓和玻璃管装锚栓，其中植筋胶主要执行标准为GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》［30］和GB 50728—2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》［31］，对玻璃管装锚栓主要执行JGJ145—2013《混凝土结构后锚固技术规程》［32］。

GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》对锚固型快固结构从胶体性能、粘接能力、湿热老化性能以及抗震性能做出了要求，除新增的抗震性能外，其余项目与GB 50728—2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》对锚固用结构胶的基本性能检验项目基本一致。对于粘接能力的实验方法，GB 50367—2013对快固型胶粘剂从钢套筒法、钢片单剪法、约束拉拔条件下带肋钢筋与混凝土粘接抗剪强度等3种方法做出了规定，GB 50728—2011对环氧型胶粘剂从钢片单剪法、约束拉拔条件下带肋钢筋与混凝土粘接抗剪强度做出了规定。JGJ 145—2013《混凝土结构后锚固技术规程》附录B对混凝土用化学锚栓的检验方法做出了规定，其方法基本等同于欧洲标准《欧洲技术指南-混凝土用金属锚栓》ETAG 001附录C的内容。欧洲标准对锚栓的粘接性能主要采用在混凝土中钻孔并植入聚合物胶接型锚栓再拉拔的方法。

聚合物胶接型锚栓的胶粘剂，是将胶粘剂置于粗糙混凝土孔壁的钻孔中，胶粘剂的2侧分别是金属螺杆和粗糙的混凝土弧面。胶粘剂的工作原理包括粘接、锁键、摩擦原理，有些胶粘剂通过锁键和摩擦原理对承载能力贡献率占绝对优势。钢板和钢板之间的拉伸抗剪试验（包括钢板对混凝土的正拉粘接试验），无法检测锁键、摩擦能力，胶的两侧均是光滑的钢板，与锚固类胶粘剂的实际工作原理相背离，以此方法作为检测依据，不能反映此种胶粘剂在结构中的承载能力［33］。

5　结语

1）聚合物胶接型锚铨目前已广泛应用于土木工程结构中，近年来大量应用于结构复杂的地铁轨道交通结构。

2）红外光谱能有效地对聚合物胶接型锚铨胶粘剂的固化过程和程度进行表征。

3）耐久性方面的研究表明对聚合物胶接型锚栓的耐久性研究还不充分，温度、潮湿、冻融、酸碱腐蚀对聚合物胶接型锚栓的粘接性能的影响尚无定论。

4）通过对胶粘剂微观结构及其固化特性与力学性能的关联性研究，国外提出一些现场检测和评定胶粘剂耐久性的方法，为实现原位快速检测技术的研究提供了方向。

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Progress on research and development of polymer anchor bolts

ZENG Bing1，2，ZHU Ying-ying3，JIANG Guang-ming1，GONG Yu-jie1
（1.China Academy of Building Research （China National Center for Test of Chemical Building Materials）， Beijing 100013，China；2.Chemistry College of Beijing Institute of Technology， Beijing 100081，China；3.Science Press， Beijing 100717，China）

Phe polymer anchor bolts have been applied more and more extensively at civil engineering. In this paper， the domestic application and research situation， the aging mechanism and durability research progress of the polymer anchor bolts were summarized. In addition， the difference between domestic and abroad relevant test standards and specifications was discussed combined the test technology and evaluation indexes.

polymer；anchor bolt；adhesive；planting steel bar；anchorage

TQ437

A

1001-5922（2015）05-0089-04

2014-07-21

曾兵（1981-），男，在读博士，副研究员，研究方向为建筑用胶粘剂的耐久性检测与评定技术的研究。E-mail：zbing1981@163.com。

中国建筑科学研究院应用技术研究项目，住房和城乡建设部科学技术项目（2014-K4-012）。