不同植筋胶的黏结性能比较试验研究

张建荣 李小敏 艾永江 郑晓芬 陈东昌

(1.同济大学，上海200092;2.浙江工业职业技术学院，绍兴312000)

1 引言

植筋是指在已有结构上钻孔、注胶、插入钢筋，待胶体固化后使钢筋锚固在结构中的一种技术。植筋锚固技术具有施工便捷、工艺简单、适应性好、节省工期、可靠灵活等特点，在采矿、公路及铁路桥梁、水利、建筑等领域的结构加固、改造、补漏(漏放钢筋)及建筑加层等工程中得到广泛应用，例如用于混凝土构件中钢筋、螺栓的后锚固，幕墙支架的固定，各种设备基础的固定，钢结构与混凝土结构的锚固连接，铁路、公路、桥梁、水利改扩建工程加固，广告牌、隧道管线、高架道路隔音板和护栏支架安装等。

最近20多年来，植筋锚固技术在我国有了大量的应用，开展了较多研究，形成了系列的产品和成套的技术，并在相关标准、规范[1-2]得到体现。已有的研究成果涉及植筋锚固技术的各个方面，例如不同的荷载形式、不同的基材环境、群锚效应、耐久性等，既有混凝土植筋粘结锚固基本原理的探索[3-4]，也有大量的工程案例研究。市场上植筋胶的品牌很多，生产商多以提供锚固长度、植筋的间距、边距、基材的强度等参数指标、构造措施及施工工艺要求来指导工程应用，使用方则通过现场抽样试验来检验产品的承载能力。现有的研究成果都是针对某一特定产品进行的，或仅对不同试验结果的宏观分析[5]，缺乏对不同厂家、不同品牌之间的具体比较，缺少对不同植筋胶产品粘结受力性能普遍规律的研究。为此，有必要针对不同品牌的植筋胶，采取随机抽样的方式获取样品，研究植筋胶粘结性能的一般规律。

经过网络搜索和建材市场考察，国内市场上有10多种用于植筋的结构胶。为便于试验结果的对比分析，本次试验限定于选用目前我国植筋施工中常用的注射式双组份复合型树脂胶粘剂植筋胶。这种植筋胶为双组份硬塑包装，使用专用的手动注射枪，通过混合喷嘴将树脂砂和固化剂充分混合后直接注入钻孔内，在一定的时间内固化而达到锚固强度，具有凝固迅速、无须现场配胶、使用方便快捷等优点。表1为本次试验选定的5种品牌植筋胶的基本性能介绍，相关产品介绍中还提到其具有锚固力强、抗震性能好、抗老化、耐介质(酸、碱、水)性能好等特点，此不一一列举。所有产品均通过某购物网站购买。

表1 试验用植筋胶的基本性能Table 1 Basic properties of tested adhesives

2 钢套筒植筋拉伸抗剪试验研究

2.1 钢套筒植筋试件制作

按照《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367—2006)附录J的建议制作钢套筒试件，如图1所示。试件由套筒、螺杆、钢筋三个部件组成。套筒材料采用45号碳钢，加工详图见图1a)。套筒一端内径为16 mm，内壁铣有螺距为4 mm、深度为0.4 mm的梯形螺纹。另一端铣M24标准内螺纹，以与M24标准螺杆连接。钢筋采用直径为12 mm的月牙肋钢筋，强度等级为HRB335，长度为150 mm。钢筋植入套筒深度为36 mm。

本次试验共选择了5种品牌的植筋胶，每种品牌选定一种型号，每种植筋胶制作6个试件，共计30个试件。为便于下文描述，5组套筒植筋试件分别用相应于表2植筋胶代号的A、B、C、D、E表示。

图1 金属套筒植筋试件Fig.1 Bonded steel bar in metal sleeve

试件制作的主要步骤包括:用钢丝刷清除钢筋和套筒表面的铁锈，并用丙酮将油污清洗干净;将螺杆旋入套筒内，检测套筒深度并确认为36 mm，然后固定套筒使其保持垂直状态，向套筒内缓缓注入化学植筋胶，将钢筋缓缓旋入套筒内，直到钢筋端部顶到螺杆顶端。

植筋时环境温度为10℃～20℃。植筋后养护时间为48h以上，养护期间不得移动。试件的制作、养护等方面均符合相关产品说明书要求。

试验在同济大学力学试验中心完成。注胶后养护期间的试件如图2所示。

图2 注胶后养护中的试件Fig.2 Specimens of bonded rebar in preparing

2.2 试验装置及步骤

试验在万能材料试验机上进行，如图3所示。试验时对试件施加轴向拉伸荷载，采用位移控制，加载速度为2 mm/min。试验机量程为100kN，经估算各试件的破坏荷载在满标的20% ～80%，试验机力值的示值精度为0.001kN。测位移用的位移引伸计量程为±15 mm，精度为0.001 mm。试验前专门加工制作了位移引伸计夹持器，使位移引伸计直接在夹持器和套筒表面上安装，以直接量测到钢筋和套筒之间的相对滑移。

试验主要步骤为:

(1)在试件上安装量表固定架。

(2)将制备好的试件装入万能材料试验机，将套筒底部的螺杆(M24)固定在钢横梁上的夹具上，种植的钢筋固定在上钳口。

(3)在试件上安装位移传感器，位移传感器测点夹在钢筋受力端和套筒端，量出套筒试件中钢筋与套筒的相对滑移。检查位移传感器与钢筋表面接触是否良好，进行适当的调整。

(4)启动试验机，以连续、均匀的速率加荷，加荷速度为2 mm/min。

(5)观察并记录试件加载至破坏过程中的现象。

图3 拉伸试验照片Fig.3 Photo of tensile test

2.3 试验现象

在加载初期，拉力的增长很快，钢筋与套筒之间滑移的增长较慢，说明套筒植筋试件在受力之初，因胶体处于整体工作状态，有较大的拉伸抗剪刚度。随着拉力的增大，钢筋与套筒之间滑移的增长加速。拉力达到峰值之后，试件并没有立刻丧失承载力。但随着滑移的继续发展，拉力慢慢变小，滑移了很长一段距离后，最终钢筋被完全拔出。胶体滑移的整个过程中，没有出现声音，每个试件的加载过程持续10～15 min。钢筋拔出时的破坏模式属于黏附破坏，即拔出的钢筋表面黏附有较多胶体，不易滑落。黏附的胶体在加载端与套筒口植筋时溢出的胶体相连。黏附的胶层厚度，从加载端向自由端逐渐减少，略呈锥状。拉伸试验后的试件见图4。

试验总体来说进行顺利，但也发生了一些意外。首先是试件制作时加工装置考虑不周，结果在检查试件的加工养护质量时发现，试件A5、B2、C4、D2的钢筋出现了不同程度的歪、斜，钢筋与套筒、螺杆的轴线不在同一条直线上。试验结果也显示上述试件的试验数据极不合理。分析其原因，在于试件植筋时的养护装置不够完善，在钢筋植入套筒之初，因植筋胶尚未凝固，钢筋在自重作用下发生倾斜。由此可见，以后进行类似试验时应加工特定的支座来固定钢筋，以保证植筋胶固化过程中钢筋、套筒、螺杆的轴线在同一条直线上。其次是试件制作时植筋施工失误:试件A4的极限拉拔力明显不同于其他试件，钢筋拉拔出来后发现，固化后的胶体中有空隙，说明植筋时胶体中混入了空气。再则是试验中有两次操作失误:试件A3在安装位移计时钢筋夹持器螺丝没有拧紧，当钢筋受拉截面收缩时，夹持器与钢筋之间出现松动现象，导致当拉力接近最大拉拔力时位移发生一个突然减小的脉动;试件C5在试验中途电脑意外出现蓝屏，数据未能保存。

图4 拉伸试验破坏后的形态Fig.4 Failure form after tensile test

试验前也对试件的注胶饱满程度及钢筋植入时植筋胶溢出套筒口子的程度进行了观察，并按植筋后溢出套筒胶体的多少进行试件编号，溢出胶体最多的为1号，最少的为6号，并按1号至6号的排序进行拉拔试验。试验结果表明，植筋时注胶的多少及套筒口的植筋胶溢出程度与极限拉拔力试验结果没有相关性。

2.4 试验结果

根据采集到的试验数据，可绘制出各组试件的拉力-滑移曲线如图5所示。

由图5(a)可见，A组各个试件的试验曲线一致性较好。在加载早期(变形小于约0.2 mm时)，拉力滑移关系呈现出良好的线弹性关系，且各个试件的试验曲线基本重合。变形在0.2 mm左右时，拉力为最大值的2/3左右。达到最大拉力值后，拉力滑移曲线缓慢下降。总体看来，A组试件的拉力滑移曲线呈三段式形状，即弹性上升段、弹塑性黏滞段、下降段，极限拉拔力都在30kN左右。

从图5(b)可以看出，B组试件的试验结果极为离散，但试验曲线的走势比较一致。各个试件都在开始加载时就呈现出弹塑性非线性性能，拉力滑移曲线在达到最大拉力之前大致呈抛物线状缓慢上升，在最大拉力以后则缓慢下降。

图5 试件的拉力-滑移曲线Fig.5 Tension-slip curves of specimens

图5(c)显示C组各个试件的试验结果离散性小。在加载早期，C组试件的拉力滑移曲线与A组试件有相似之处，在变形小于约0.2 mm时，拉力滑移曲线呈现出良好的线弹性关系，且各个试件的试验曲线基本重合。变形在0.2～0.3 mm时，拉力为最大值的2/3左右，拉力滑移曲线呈明显的弹塑性非线性性能。而后，在变形大于0.3mm以后，随着拉力的增大，达到最大拉力值后，拉力滑移曲线缓慢上升，直至位移达到4 mm左右才下降。总体看来，C组试件的拉力滑移曲线呈弹性上升段、弹塑性黏滞段、缓慢上升段的三段式形状，极限拉拔力都在37kN左右。

图5(d)所示的D组试件试验结果是本次试验中离散性最大的一组。各个试件的拉力滑移曲线形状相差较大，看不出规律，极限拉拔力也相差较大。

E组试件用胶是一种很稀、流动性很好的液体，注胶时来自两个注射管的材料能够很好地混合在一起且不易混入空气，所以这种胶的植筋试件的外观质量都比较好。图5(e)显示E组试件的拉力滑移曲线形状都很一致，与B组试件相似，各个试件都从一开始加载就呈现出弹塑性非线性性能，曲线形状为两段式，在达到最大拉力之前大致呈抛物线状缓慢上升，在最大拉力以后则缓慢下降。E组试件的最大拉拔力离散性大，平均强度也明显低于其他组试件。

3 试验结果分析

各个试件的最大拉拔力汇总见表2，表中同时整理计算了各组植筋胶试件的最大拉拔力平均值P，变异系数Cv及平均拉伸抗剪强度fvu。拉伸抗剪强度的计算公式[1]为:

式中，fvu为平均拉伸抗剪强度(MPa);P为最大拉拔力平均值(N);D为钢套筒的内径(mm);l为植筋粘结面长度(mm)。

表2 最大拉拔力试验结果及各组平均抗剪强度Table 2 Results of maximum pullout force and average shear strength of each group

由表2可见，不同品牌的植筋胶，其拉伸抗剪强度有较大差异。有的胶强度较高，如A组试件平均拉伸抗剪强度为23.22 MPa，C组试件平均拉伸抗剪强度为27.25 MPa;而有的植筋胶拉伸抗剪强度很低，例如B组试件平均拉伸抗剪强度为13.47 MPa，E组试件平均拉伸抗剪强度为11.95 MPa。C组试件强度是E组试件强度的2.28倍。此外，各组试件试验结果的离散性也差异极大。本次试验中B组、D组、E组试件的离散性均较大，说明植筋胶的产品质量不够稳定。

各组植筋胶的平均拉力滑移曲线如图6所示。这里的平均拉力是指同组植筋胶的各个试件在同一拉伸滑移量时的拉力平均值。因D组试件的曲线形状各不相似，在此不作分析。由图可见，不同品牌植筋胶试件的平均拉力滑移曲线有明显的差异，A组试件和C组试件在加载早期有较好的线弹性性能及较大的刚度，在拉力作用下滑移量极小，在接近最大拉力时滑移量仍在0.20 mm以下。而B组试件和E组试件在加载伊始就显示出非线性性能，刚度明显比A组试件和C组试件小，在达到最大拉拔力时的滑移量为1～2 mm。两者相差5倍以上。因此，当被加固构件对锚固变形有较高要求时，应把胶的弹塑性性能作为植筋胶适用性的评价指标之一。为便于用户选择使用，应要求植筋胶生产厂商在其产品上标注弹塑性性能指标。

图6 各组试件的平均拉力-滑移曲线Fig.6 Average tension-slip curve of each specimen

4 结论与建议

(1)不同品牌植筋胶的粘结强度差异明显，以胶的拉伸抗剪强度指标为例，C组试件的强度是E组试件强度的2.28倍。

(2)不同品脾植筋胶的粘结滑移性能差异较大，B、E组试件在达到最大拉拔力时的滑移量比A、C组试件大5倍以上。

(3)在工程应用中对于锚固变形有较高要求的场合，建议应把胶的拉伸抗剪刚度、最大拉伸力所对应的位移等力学性能指标作为植筋胶适用性的评价指标之一。建议在植筋胶产品说明中，应列出胶的上述力学性能指标。

[1] 中国建筑科学研究院.JGJ 145—2004混凝土结构后锚固技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2005 Industry Standard of the People Republic of China. JGJ145—2004 Technical Specification for Post-Installed Fastenings in Concrete Structures.[S]Beijing:China Architecture and Building Press，2005.(in Chinese)

[2] 中华人民共和国国家标准.GB50367—2013混凝土结构加固设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2013.National Standard of the People's Republic of China.GB50367—2013 Design Code for Strengthening Concrete Structure.GB50367-2013[S]Beijing:China Architecture and Building Press，2013.(in Chinese)

[3] 张建荣，黄河军，吴进，等.植筋胶拉伸抗剪本构关系的研究[J].结构工程师，2006，22(3):72-75.Zhang Jianrong，Huang Hejun，Wu Jin，et al.Study on bond-slip shear resistance of adhesive steel bar on metal tube[J].Structural Engineer，2006，22(3):72-75.(in Chinese)

[4] 张建荣，黄河军，萧雯，等.混凝土植筋界面结合机理研究[J].建筑结构，2008，38(7):39-42.Zhang Jianrong，Huang Hejun，Xiao Wen，et al.Experimental research on interface action behavior of adhesive steel bar in concrete[J].Building Structure，2008，38(7):39-42.(in Chinese)

[5] Cook R A，KonzR C.Factorsinfluencingbond strength of adhesive anchors[J].ACI Structural Journal，2001，98(1):76-86.