高触变浅植水泥基锚固胶性能研究

马德功，邱建华，钱中秋，胡飞龙

（江苏尼高科技有限公司，江苏 常州　213141）

高触变浅植水泥基锚固胶性能研究

马德功，邱建华，钱中秋，胡飞龙

（江苏尼高科技有限公司，江苏 常州213141）

优选4种触变剂改善水泥基锚固胶工艺性能，通过改变胶材比例、掺加胶粉和改性剂B制备了一种高触变性浅植水泥基锚固胶。研究了不同触变剂对水泥基锚固胶触变指数、下垂流度和凝结时间的影响；对比有机锚固胶的拉拔性能，探讨了水泥基无机锚固胶的浅植锚固技术以及后期稳定性。结果表明：掺加0.025%的触变剂A，显著提高了无机锚固胶触变性能；通过优选胶材比例、掺加0.5%胶粉和1%改性剂B，制备了一种下垂流度仅为0.8mm、抗压强度为64MPa、拉拔强度高达16.8MPa的浅植筋无机锚固胶。

触变指数；下垂流度；拉拔性能；无机锚固胶

0　前言

植筋锚固法凭借其操作灵活、受力均匀、耐久性强、工艺简单、工期短等优点，在加固工程中得到越来越多的应用［1-2］。目前，植筋用锚固胶大多以环氧树脂、乙烯基树脂等有机锚固胶为主，具有强度发展快、力学性能优异、技术成熟等优势。然而，实际应用表明，有机锚固胶仍然存在耐热、耐老化性差，价格昂贵，毒性大等无法避免的缺陷［3-4］。基于此，采用无机锚固胶代替有机锚固胶的技术方法逐渐引起人们重视。当前市场上的水泥基无机锚固胶尽管价格低廉，但由于力学性能差、锚固深度长、触变性差，缺乏配套施工机具等原因，市场接受度非常小［5-6］。

针对以上情况，笔者通过优选对比不同水泥基触变剂改善锚固胶触变性能；在保证触变性的前提下，调整胶材比例、增加胶粉掺量和胶体膨胀力，成功开发了一种拉拔性能接近有机锚固胶的浅植筋无机锚固胶。其后期性能稳定，可以应用于建筑植筋工程。

1　试验

1.1原材料

水泥：P·Ⅱ52.5水泥，盘固水泥集团有限公司生产，其化学成分见表1；快硬水泥（SAC）：唐山北极熊建材有限公司生产，其化学成分见表1；硅灰：硅含量92%，浙江中州硅业有限公司生产；高效膨胀剂HCSA：江苏尼高科技有限公司生产；木质纤维：长度为1 mm，枣庄宏鑫源化工厂生产；水合硅酸镁、气相法二氧化硅：上海海逸科贸有限公司提供；触变剂A：为含有淀粉醚和纤维素醚类物质，市售；骨料：石英砂和石英粉，石英砂细度为40～70目，石英粉细度大于200目；胶粉：VAE可再分散乳胶粉，南通金顺化工有限公司生产；减水剂：聚羧酸类减水剂，上海三瑞企业生产；改性剂B：含有杂乱纤维类物质（具备一定耐磨性），市售。

表1　水泥的化学成分　%

1.2试验方法和基础配比

无机锚固胶凝结时间参照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测试；触变指数、下垂流度参照GB 50728—2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》附录R进行测试；抗折强度、抗压强度按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试；拉拔性能参照GB 50728—2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》附录K进行测试；收缩性能参照JC/T 603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》进行测试。

水泥基锚固胶的基础质量配比见表2，其它性能试验均在基础配比上做出相应改变后进行。

表2　水泥基锚固胶的基础配比　%

2　结果与讨论

2.1触变剂改善水泥基锚固胶工艺性能

水泥基锚固胶的施工性能，尤其是竖直向上的植筋触变性，几乎未见研究报道。然而，水泥基锚固胶施工机具的缺乏以及本身触变性的要求却严重制约了水泥基锚固胶的推广应用。借鉴有机锚固胶的施工方式，采用单组份塑料胶桶注射的施工方式，无疑可以在最经济的条件下实现水泥基锚固胶的向上植筋，但它对水泥基锚固胶本身的触变性提出了较高的要求。

采用触变指数和下垂流度的技术指标表征水泥基锚固胶的触变性能，对比优选4种触变剂研究了其对水泥基锚固胶触变性能和力学性能的影响。

2.1.1触变剂对水泥基锚固胶工艺性能的影响

选用4种触变剂（木质纤维、水合硅酸镁、气相法二氧化硅和触变剂A），对比空白样，研究了其对无机锚固胶触变指数、下垂流度和凝结时间的影响。其中，木质纤维、水合硅酸镁、气相法二氧化硅掺量为胶材总质量的0.1%，触变剂A掺量为胶材总质量的0.025%。测试结果见表3。

表3　触变剂对水泥基锚固胶工艺性能的影响

由表3可知：

（1）4种触变剂均能增大水泥基锚固胶的触变指数。与空白样相比，掺加木质纤维、水合硅酸镁、气相法二氧化硅和触变剂A的水泥基锚固胶触变指数分别增大了52.4%、200.0%、202.4%和379.0%，触变剂A的触变效果明显。

（2）4种触变剂均能减小水泥基锚固胶的下垂流度，而触变剂A的效果最优。因此说明：4种物质均能改善水泥基锚固胶的抗流挂性能，有利于实现水泥基锚固胶向上植筋不流淌的技术要求。

（3）在试验掺量下，4种触变剂对水泥基锚固胶凝结时间均稍微延长，有利于开放可操作时间。其主要原因可能是类似纤维素醚的作用机理，这些有机物延长了水泥水化的诱导期，阻碍了C3A和C3S的水化，延缓CH的结晶。

木质纤维细而长，两端呈纺锤状，具有挠曲性和柔韧性，彼此交织后有一定的结合力特征，从而形成一定的三维网状结构，在低剪切力时可以将液体锁在其中，高剪切力时释放出去，从而具有触变功能［7］。水合硅酸镁和气相法二氧化硅这2种物质都含有丰富的Si—OH键，硅羟键能够通过氢键作用使分散于体系中的水合硅酸镁和二氧化硅连接成网络充满整个体系。氢键作用非常弱，当体系受到剪切作用，氢键被破坏，导致体系黏度在剪切作用下变小，从而具有触变性［8］。触变剂A为含有淀粉醚和纤维素醚类物质，其溶解能增加浆体黏度并形成氢键，因而具有良好的触变性和抗滑移性，可以作为水泥基锚固胶优秀的触变剂。

2.1.2触变剂对水泥基锚固胶力学性能的影响

为保证无机锚固胶的力学性能，测试了不同触变剂（掺量与2.1.1相同）对无机锚固胶6 h抗压和抗折强度的影响，结果见表4。

表4　触变剂对水泥基锚固胶力学性能的影响

由表4可知：4种触变剂均降低了水泥基锚固胶的抗压和抗折强度，掺木质纤维的降幅最大，抗压和抗折强度较空白样分别降低15.2%和13.3%。这主要是由于触变剂均在一定程度上增加了砂浆孔隙率，降低了密实度，而木质纤维的锁水效应对砂浆孔隙增加尤为明显，因而强度下降最为显著。从强度的角度来看，触变剂A仍然是作为水泥基锚固胶触变剂的较好选择。

2.2水泥基锚固胶浅植锚固性能

衡量锚固技术可靠性的最重要技术参数就是混凝土的植筋拉拔强度，有机锚固胶正是由于具备优良的抗拉拔强度才广泛应用于建筑工程的植筋项目中。当前无机植筋胶一般是通过加深植筋深度（通常为钢筋直径的20倍）来提高拉拔力，与有机锚固胶10倍钢筋直径即可达到足够的承载力相比，它显著地增加了施工难度和施工成本；而且，一些浅基层条件根本不允许深植筋，这些更制约了无机锚固胶的推广应用。

水泥基材料要达到有机材料抗拉拔效果具有一定的技术难度，理论分析增加界面膨胀应力、粘结强度和界面摩擦的技术途径可以提高无机植筋胶约束条件下的拉拔力。选用快硬水泥和普通硅酸盐水泥复配作为膨胀性胶材，在此基础上添加胶粉和改性剂B，研究了水泥基锚固胶的基本性能和浅植锚固性能。

2.2.1水泥基锚固胶基本力学性能

在基础配比上，掺加0.5%的胶粉和0.025%的触变剂A，分别改变SAC快硬水泥和P·Ⅱ52.5水泥质量比以及改性剂B的掺量（按占胶材质量计），研究了无机锚固胶的基本力学性能，结果见图1、图2。

图1　SAC水泥与P·Ⅱ52.5水泥质量比对无机锚固胶力学性能的影响

由图1可知：随着m（SAC水泥）∶m（P·Ⅱ52.5水泥）减小，无机锚固胶抗压、抗折强度先提高后降低；当m（SAC水泥）∶m（P·Ⅱ52.5水泥）=9∶1时，无机锚固胶力学性能最佳。其原因可能是：当用硅酸盐水泥少量代替硫铝酸盐水泥时，硅酸盐水泥矿物熟料C3S早期水化生成水化硅酸钙和CH，就会改变水泥颗粒间的作用力，减小钙矾石的结晶尺寸，导致形成较为致密的凝聚结构和水泥石结构，从而提高试件强度［9-10］。当硅酸盐水泥比例增大时，其硅酸盐水泥水化后期生成的钙矾石会导致水泥石内部微裂纹的增多，从而导致试件强度的降低。

图2　改性剂B对无机锚固胶力学性能的影响

由图2可知：当m（SAC水泥）∶m（P·Ⅱ52.5水泥）=9∶1时，掺加0～2%改性剂B有利于提高无机锚固胶的抗压、抗折强度；但当改性剂B掺量大于1%时，再增加改性剂B掺量对无机锚固胶力学性能的提高并不明显。由此判定，改性剂B在无机锚固胶中的最佳掺量为1%。

2.2.2水泥基锚固胶植筋锚固性能

在基础配方上，通过掺加0.5%的胶粉和1%的改性剂B，对比研究有机锚固胶、基础配方无机锚固胶、掺加胶粉无机锚固胶、同时掺加改性剂B和胶粉的无机锚固胶的浅植筋拉拔性能。其中，钢筋为400带勒钢筋，直径为Φ25 mm，植筋深度为6Φ，钻孔直径为32 mm，混凝土强度为C30。试验结果见表5，无机锚固胶的破坏特征如图3所示。

表5　无机锚固胶的浅植锚固性能

图3　无机锚固胶混合破坏特征

由表5和图3可知：2种国外环氧植筋胶的破坏特征均为浅锥、胶与钢筋界面破坏；某国产环氧植筋胶破坏特征为浅锥、胶与混凝土界面粘接破坏；而无机植筋胶则可以为多种破坏形式。无机植筋胶出现多种破坏形式的原因可能与其本身劈裂抗拉强度密切相关；当其劈裂强度无法抵抗拉拔过程产生的劈裂应力时，则出现明显的胶层破坏；而掺加胶粉和改性剂B则可以显著提高其劈裂抗拉强度，从而改变破坏形式，提高拉拔性能。

从拉拔数值来看，国外有机植筋胶抗拉拔强度明显优于某国产有机植筋胶；同时掺加胶粉和物质B的无机锚固胶的拉拔强度也比较优异，甚至可以达到国产有机植筋胶的技术水平，且达到GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》中A级胶对于拉拔性能的要求（C30，L=150 mm，拉拔强度≥12 MPa），完全可以实现浅植条件下的建筑植筋加固工程。

2.3水泥基锚固胶的长期稳定性能

采用快硬水泥和硅酸盐水泥复配作为膨胀性胶材，有利于提高水泥基锚固胶的抗拉拔性能。然而，快硬水泥在保持早强快硬特性的同时，后期性能是否稳定越来越引起专家学者的关注。基础配比中其它条件不变，改变SAC水泥和P·Ⅱ52.5水泥质量比，配制了水泥基无机锚固胶，测试其不同龄期的强度和体积变化，以此探索其长期稳定性能。结果分别见图4、图5。

图4　无机锚固胶在不同龄期的抗压强度

图5　无机锚固胶在不同龄期的收缩率

由图4可知：改变m（SAC水泥）∶m（P·Ⅱ52.5水泥）会明显影响无机锚固胶的抗压强度，当m（SAC水泥）∶m（P·Ⅱ52.5水泥）=9∶1时，无机锚固胶的抗压强度最佳。当前配方下，无论采用哪种比例，无机锚固胶的抗压强度都随龄期的延长不断提高，并未出现后期强度倒缩的现象，说明该配方系统后期性能基本稳定。

由图5可知，采用快硬水泥和硅酸盐水泥复配的技术路线可以明显减小水泥基无机锚固胶的收缩率，有利于保证无机锚固胶的后期拉拔性能。值得注意的是，单纯采用快硬水泥的无机锚固胶其后期收缩率较采用2种水泥复配的无机锚固胶收缩率大，这可能是由于复配体系中的硅酸盐水泥熟料矿物C2S后期水化生成的CH，有利于体系继续生成Aft，从而减小水泥石收缩。

3　结　论

（1）掺入含有淀粉醚和纤维素醚类的触变剂A延缓了无机锚固胶的凝结固化时间，显著增加了无机锚固胶下垂流度和触变指数，提高了无机锚固胶向上植筋的可操作性能。

（2）当m（SAC水泥）∶m（P·Ⅱ52.5水泥）=9∶1时，通过掺加0.5%的胶粉和1%的物质B，制备了一种下垂流度仅为0.8 mm，28 d抗压强度为64 MPa、拉拔强度高达16.8 MPa的浅植筋无机锚固胶。

（3）采用快硬水泥和硅酸盐水泥复配的技术路线可以明显减小水泥基无机锚固胶的收缩率，保持后期性能稳定。

［1］韦轶.混凝土结构植筋加固施工中各影响因素的综合分析［J］.公路交通技术，2013（2）：84-88.

［2］司伟建，周新刚，黄金枝，等.混凝土结构植筋粘接锚固性能的试验研究［J］.建筑结构，2001，31（3）：9-12.

［3］高天保，梁玉国，曹红新，等.无机胶植筋的可靠度分析及设计方法［J］.煤炭工程，2015，47（1）：34-36.

［4］鄢飞.PTB乳液特性及其在无机植筋胶中的应用［J］.福建建筑，2008（3）：23-25.

［5］王果，钟开红，徐海军，等.高性能非水泥基无机植筋胶的研究［J］.广州建筑，2011，39（3）：38-41.

［6］尚守平，胡向军，吴莉莉，等.快凝无机植筋胶栓试验研究［J］.湖南大学学报：自然科学版，2014，41（4）：61-65.

［7］高昱，洪永顺，张琳，等.木质纤维在新拌水泥基瓷砖胶粘剂中的应用研究［J］.新型建筑材料，2008（7）：71-73.

［8］赵明，张有德，邵自强，等.羟丙基甲基纤维素与淀粉醚复配体系性能的研究［J］.纤维素科学与技术，2011，19（2）：30-34.

［9］聂光临，孙诗兵，姚晓丹，等.普通硅酸盐水泥与快硬硫铝酸盐水泥复配砂浆性能研究［J］.混凝土与水泥制品，2014（3）：10-13.

［10］马保国，韩磊，李海南，等.硫铝酸盐水泥基胶凝材料的改性研究［J］.功能材料，2015，46（5）：62-66.

Study on the cement-based adhesive with high Thixotropy and low depth of anchoring

MA Degong，QIU Jianhua，QIAN Zhongqiu，HU Feilong
（Jiangsu Nigao Science and Technology Company Limited，Changzhou 213141，Jiangsu，China）

Four kinds of cement-based adhesive thixotropic agents were chosen to improve process performance，and a high thixotropic cement-based adhesive was prepared by changing the proportion of plastic material，mixing the re-dispersible latex powder and modifying agent B.The effects of different thixotropic agents for cement-based adhesive on thixotropy index，sagging fluidity and setting time were studied.The drawing performance and post stable performance were explored by contrasting the organic anchor adhesive anchor.The results showed that：adding 0.025%of thixotropic agents A，significantly improves the thixotropiy of inorganic adhesive.Changing the proportion of plastic material，adding 0.5%re-dispersible latex powder and 1%modifying agent B，an inorganic adhesive was prepared，which sagging fluidity is only 0.8 mm，compressive strength is 64 MPa and drawing performance is 16.8 MPa.

thixotropy index，sagging fluidity，drawing performance，inorganic anchor adhesive

TU58+2

A

1001-702X（2015）11-0019-04

2015-07-01；

2015-08-04

马德功，男，1982年生，山西长治人，工程师，主要从事减水剂、保温材料和加固材料方面的研究。