结构胶粘剂对混凝土抗压强度精度试验的分析研究

丁 超，苟晓锋

（甘肃省兰州公路事业发展中心，甘肃 兰州 730000）

砌块结构的植筋过程，需要进行后锚固抗拔试验，确定植筋结构的可靠性。采用结构胶作为胶粘剂，如使用环氧结构胶、硅酮结构胶、树脂结构胶等，可以实现较短的施工周期、较低的施工成本完成植筋工艺。

相关文献提及的基于经验系数的植筋结构施工过程中，锚固剂胶粘剂的选型、钢筋直径、混凝土强度等指标均对植筋结构强度有直接影响。但实际现场施工质量控制中，以及相关植筋强度试验过程中，均发现单纯使用这些控制因素难以实现对植筋结构强度的有效控制。所以有必要对植筋结构成型过程进行全面研究，以寻找影响植筋结构强度的敏感控制因子。相关研究多采用现场试验法和仿真试验法，该研究则同时使用上述2种试验法进行全面试验测试。

该研究在现场试验中考察了不同成分胶粘剂对植筋结构强度的影响，在仿真试验中考察了植筋结构控制因子对植筋结构强度的影响，研究不同成分结构胶粘剂的混凝土抗压强度测试精度问题，探讨结构胶粘剂锚固质量在混凝土砌块结构植筋过程的试验控制过程。

1 结构胶粘剂后锚固法现场测试

1.1 现场试验设计

使用LRMG-40后锚固法强度测试仪作为现场试验部分，该设备将液压缸、压力表、支撑架部分构建成总成结构，使用手动泵站供能，形成最大40 MPa测试环境，对C20、C30抗压强度结构的后锚固法抗拔试验有稳定可靠的支持作用。使用该设备进行现场后锚固植筋抗拔试验，以检测植筋强度，试验系统如图1所示。

图1 后锚固法测试试验系统图Fig.1 Test system diagram of post anchorage method

由图1可知，使用液压缸配合支撑架拉拔经过充分锚固固化的植筋试验结构，通过不同压力状态下的破坏程度，包括钢筋结构拔出、锚固结构拔出、墙体结构破坏等。该试验可应用于一次性浇筑墙体、粘土砖砌块墙体、混凝土砌块墙体等不同墙体结构，而该研究重点针对混凝土砌块墙体。

因为该研究重点考察试验系统的可靠性和试验精度，所以专门构建基于混凝土砌块结构的标砖双砖厚度墙体，墙体厚度250 mm，其中混凝土砂浆抹缝宽度10 mm，混凝土预制砌块强度为C20级别。墙体中使用后锚固法植筋，钢筋直径18 mm，锚固段长度200 mm，试验中分别使用环氧结构胶、硅酮结构胶、树脂结构胶等进行锚固并充分固化，植筋点距离不小于500 mm，每组植筋数量不少于50个。试验中每组试验50个植筋结构，通过6倍标准偏差率法（6）评价试验系统精度。

数据分析方面，使用SPSS分析软件下的双变量校验结果比较数据差异，当＜10.000时，认为存在统计学差异，当＜0.01时，认为存在显著的统计学意义，当＜0.05时，认为存在可置信的统计学意义，且值越小，认为数据差异性越大，当值越小，认为数据可置信程度越高。

1.2 现场试验过程数据分析

建筑物结构力学最终分析结果，一般使用结构抗压强度表示，如：C20级别表示结构抗压强度在20 MPa以上，C30级别表示结构抗压强度在30 MPa以上。而该试验通过后锚固植筋结构的抗拔试验控制植筋结构的抗压强度，数据传导逻辑较为复杂，中间不可控过程较多，所以，即便试验系统本身的可靠性、稳定性达到规程需求，最终获得的抗压强度也需要进行验证，该研究即是针对该数据传导转化过程开展数据验证过程。因为该过程并不存在标准答案，所以，采用相关文献中较多采用的6倍标准偏差率法（6）评价试验系统精度。

试验中，对比不同结构胶条件下分别试验50次后的后锚固植筋结构抗压强度测试值与其测试精度的关系，如表1所示。

表1 不同结构胶条件下的试验精度对比表Tab.1 Comparison of test accuracy under different structural adhesive conditions

表1中，共进行6组试验，分别针对设计目标在C20和C30的植筋结构，分别采用环氧结构胶、树脂结构胶、硅酮结构胶的试验，每组测试50个植筋结构，得到上述结果。系统测试的实测值均值中，不论设计目标为C20级别还是C30级别，环氧结构胶的最终实测均值略低，树脂结构胶和硅酮结构胶略高，树脂结构胶较环氧结构胶分别高出14.70%和16.23%，硅酮结构胶较环氧结构胶分别高出19.85%和14.10%，硅酮结构胶和树脂结构胶的实测抗压强度均值之间差异在±5%以内，但使用SPSS下双变量校验方法将三者数据两两比对，＜10.000，＜0.01，均具有显著的统计学差异。而6倍标准偏差率方面，三者数据两两比对，均得到＞10.000，＜0.05的结果，即在相同测试环境下，三者测量误差率无统计学差异且比较结果数据在置信空间内。

分析上述数据的产生原因，可以发现以下2点规律：

（1）通过拉拔试验获得植筋结构的抗压强度，产生的数据均值差异性来自植筋结构结构胶本身的化学力学差异性和结构力学差异性，并非来自试验系统自身的测量误差差异性。使用同一套测量系统获得的测量误差，与实际采用的结构胶成分和施工工艺无关。所以，植筋结构的结构力学抗压强度存在＜10.000且＜0.01的显著统计学差异，而其测量误差之间无统计学差异；

（2）因为该试验中选择的LRMG-40后锚固法强度测试仪，使用了手动泵站提供最大等效40 MPa的液压动力源，加压过程的压力梯度控制，试验器材的安装与连接工艺等，均会对试验误差带来影响。此种影响属于系统误差，且属于随机误差，多次试验中，该误差可以相互抵消。但相关研究中均讨论了植筋结构后锚固法强度测试仪的加压梯度控制和安装工艺控制方法，植筋测试现场的试验操作中，有必要对相关试验过程加强控制，使其更接近于试验室操作环境，以提升试验精度。

2 结构胶粘剂后锚固法测试仿真试验

2.1 试验设计

在建筑CAE中加载相关控件，输入混凝土、胶粘剂、钢筋参数构建有限元仿真模型。混凝土参数来自混凝土筑块的试验室液压试验，包括单轴压溃试试验、单轴劈裂试验、单轴抗拉试验、压力循环试验、拉力循环试验等。胶粘剂参数来自胶粘剂预固化结构的试验室液压试验，试验项目同混凝土。钢筋参数来自钢筋试验室液压试验，包括单轴抗拉试验、扭矩试验、拉力循环试验等。上述有限元模型如图2所示。

图2 植筋强度有限元模型参数含义示意图Fig.2 Schematic diagram of parameter meaning of embedded bar strength finite element model

由图2可知，×为模型中考察的混凝土浇筑墙体面积，=＞300，为钢筋直径，为钻孔直径，1.10＜＜1.20，为墙体内钢筋长度，L为钢筋锚固长度，L为锚固段总长度（含钻孔底部无钢筋的锚固长度）。

仿真试验分为2部分：其一，测试不同锚固长度及不同钢筋直径条件下的抗拔强度；其二，在不同胶粘剂成型质量的条件下实现的抗拔强度。分析上述2个条件对植筋强度的影响，探讨植筋强度控制策略。

2.2 仿真试验过程数据分析

2.2.1 锚固长度对植筋抗拔强度的影响

仿真试验中首先考察锚固长度L与植筋抗拔强度之间的仿真试验，基于随机数发生器，考察不同钢筋直径、钻孔直径、植筋深度，每锚固长度下执行50次仿真，求取平均值，仿真结果归纳如图3所示。

图3 锚固长度与抗拔强度之间的数据关系图Fig.3 Data relationship between anchorage length and pullout strength

由图3可知，锚固长度小于200 mm时，随着锚固长度增加，植筋抗拔强度快速增加至39.3 MPa，但锚固长度大于200 mm时，随着锚固长度增加，植筋抗拔强度的变化幅度放缓，最终植筋抗拔强度向48.2 MPa收敛。即为了达到最经济植筋强度，在混凝土浇筑墙体中实现植筋，则植筋锚固长度控制在150～250 mm。观察仿真结果，植筋结构的破坏形式如表2所示。

表2 植筋结构破坏形式统计表Tab.2 Statistical table of failure forms of embedded reinforcement structure

由表2可知，随着锚固长度增加，墙体结构破坏的概率快速增加，钢筋结构破坏的概率快速下降，而锚固结构破坏的概率略有下降，基本维持不变。

为了进一步印证锚固结构形态对植筋强度的影响，求取锚固长度与植筋深度之间的比值，同样在随机数引擎驱动下，对不同的钢筋直径、钻孔直径、植筋深度、锚固长度条件下进行仿真结果统计，每种锚固长度比条件仿真测试50次，如图4所示。

图4 锚固长度比与抗拔强度之间的数据关系图（均值）Fig.4 Data relationship between anchorage length ratio and pullout strength （mean value)

由图4可知，当锚固长度比小于50%时，随着锚固长度比增加，植筋抗拔强度快速增加至39.6 MPa，且植筋抗拔强度在锚固长度比为57.4%时达到峰值40.2 MPa，随后出现下降沿；当锚固长度比达到80%以上时，植筋抗拔强度快速下降。发现植筋结构中非锚固段起到不可或缺的结构力学作用，因为锚固段的钢筋结构的延展性受到制约，如果无法充分释放钢筋的抗拔形变，则会较早因为锚固段钢筋形变破坏锚固结构，造成植筋结构破坏，从而影响植筋结构的抗拔强度。

2.2.2 钢筋直径对植筋抗拔强度的影响

一般工程经验认为，植筋结构的钢筋直径增加会增加植筋结构的抗拔强度，但前文试验中发现，锚固结构和墙体结构的强度是植筋结构的脆弱点。为验证这一关系，在上述仿真环境中，针对不同的钢筋直径进行50次仿真试验，并求取均值，仿真结果统计如图5所示。

图5 钢筋直径与抗拔强度之间的数据关系（均值）Fig.5 Data relationship between reinforcement diameter and pullout strength （mean value)

由图5可知，由于限定了钻孔直径与钢筋直径之间的关系为1.10＜＜1.20，并未针对特定钢筋直径进行钻孔设计，所以，随着钢筋直径增加，∈10～24 mm的钢筋直径条件下，植筋结构的抗拔强度表现出较平缓的上凸曲线，峰值出现在钢筋直径17.1 mm时，该值之前随着钢筋直径增加，植筋抗拔强度缓慢上升，随着钢筋直径下降，植筋抗拔强度缓慢下降，均值落点处于22.8～34.5 MPa上，但总数据落点范围在12.4～43.5 MPa，基于均值的标准偏差率为6.25 MPa，数据信度=0.049＜0.05，接近可置信信度区间边界。基本断定，钢筋直径并非决定植筋结构抗拔强度的关键指标。

2.2.3 胶粘剂成型质量对植筋抗拔强度的影响。

参考上述表2，锚固结构的破坏在植筋结构破坏中占比较为稳定，所以有必要考察胶粘剂固化成型质量对植筋抗拔强度的影响。但因为胶粘剂固化成型质量的影响因子较为复杂，为了简化试验，通过随机数引擎在胶粘剂成型结构中形成微气泡，起泡体积占比与锚固结构总体积之间的比值设定为胶粘剂发泡度。胶粘剂发泡度越高，则认为胶粘剂成型质量越差。与前文仿真试验相同的仿真环境中，测试不同胶粘剂发泡度条件下每梯度50次仿真试验结果，统计得到图6。在图6中，当胶粘剂发泡度在2.4%以下时，植筋结构抗拔强度缓慢下降，可认为植筋结构对胶粘剂发泡度的容忍上限为2.4%；胶粘剂发泡度在2.4%～7.9%时，植筋结构抗拔强度从37.2 MPa快速下降到7.2 MPa；当胶粘剂发泡度超过7.9%时，该下降速度放缓，逐渐收敛趋近于0 MPa。可见胶粘剂发泡度是影响植筋结构抗拔强度的关键因子。

图6 胶粘剂发泡度与抗拔强度之间的数据关系Fig.6 Data relationship between foaming degree and pullout strength of adhesive

如前文所述，胶粘剂固化成型质量与植筋抗拔强度之间存在直接关联，且胶粘剂成型质量控制因子较为复杂，单纯从胶粘剂发泡度无法对胶粘剂固化成型质量形成较全面的控制，所以，从更多可能影响因素针对胶粘剂固化成型质量进行仿真，每梯度采集数据量50组，求取均值，如表3所示。

表3 胶粘剂成型质量对植筋结构抗拔强度的影响效果统计Tab.3 Effect statistics of adhesive molding quality on pullout strength of embedded reinforcement structure

由表3可知，系统容忍值指因为胶粘剂成型质量问题导致植筋结构抗拔强度快速下降沿出现的阈值，30 MPa阈值指植筋结构抗拔强度下降到30 MPa时的相关胶粘剂成型质量影响因子阈值；12 MPa阈值指植筋结构抗拔强度下降到12 MPa时的相关胶粘剂成型质量影响因子阈值；胶粘剂发泡率指胶粘剂成型后内部起泡体积与胶粘剂总成型体积的比值，胶粘剂结合率指胶粘剂与钻孔内壁和钢筋外壁之间的有效结合面积与总面积之间的比值；胶粘剂杂质率指胶粘剂中水、不容物、可溶物总质量与胶粘剂成型总质量之间的比值；胶粘剂交联率指胶粘剂固化过程中内部交联化学键与理论最大交联化学键之间的比值。可见上述试验中考察的胶粘剂固化成型质量影响因子均对植筋结构抗拔强度有显著影响，且植筋抗拔强度对上述影响因子均有较为苛刻的容忍度。

2.2.4 试验结果讨论

首先，胶粘剂的锚固质量直接影响植筋结构的抗拔强度，其影响范围超出了常规试验的精度容许范畴。除胶粘剂锚固质量（发泡度、结合率、杂质率、交联率）之外，锚固长度及锚固长度比（锚固长度与植筋长度的比值）也对植筋结构强度有较显著影响，而植筋结构的钢筋直径等因子对植筋结构抗拔强度的影响远小于上述胶粘剂的影响。所以，考察胶粘剂影响因子的控制方法是实现更高精度植筋结构强度试验结果的重要技术路径。

其次，该研究中获得的稳定的试验误差率，前提为精密控制的试验过程和专业的试验操作过程，现场试验中，有必要对试验执行人员开展强化培训，使其充分掌握试验设备的操作过程，且严格控制试验过程的加压梯度、设备安装工艺要素等。不稳定的设备安装，不规范的加压梯度，均会给系统带来额外误差。本文研究表明：试验误差与植筋结构使用的结构胶成分和锚固工艺、固化工艺无关，仅与试验器材的操作精度有关。

最后，植筋结构在建筑结构中属于后加结构，需要在建筑物砌块墙体施工完成后通过钻孔、吹孔、注胶、植筋、固化等工艺过程实现砌块墙体结构附加设施的施工安装。试验过程中，被测试植筋结构的所有安装工艺，应与实际施工结构中植筋安装工艺保持一致，否则会因为工艺不同而造成较大的测量误差。参照本文研究中发现的实测植筋结构抗压强度均值差异性远大于系统测量误差（6倍标准偏差率）差异性，如果试验结构与施工结构存在差异，会带来远超过系统测量误差的数据差异。

3 结语

后锚固法施工砌块墙体植筋结构的过程中，可以选择的结构胶种类较多，且该试验中考察的环氧结构较、硅酮结构胶、树脂结构胶等均可满足C20设计级别和C30设计级别的植筋结构施工，但考虑到建筑结构的可靠性和安全性，需要对其进行严格试验，测试设计方案在施工现场的实现结果。本文研究基本确定了如果采用同一种成套试验设备，试验误差与现场选用的结构胶种类无关，与植筋结构的施工工艺无关，但与成套试验设备的安装工艺、试验过程有关。实际试验中，应严格控制上述要素，实现更高精度的试验。