改进无机锚固胶粘结性能的技术研究

张朝辉，吴开胜，宋云娟

（江苏尼高科技有限公司，江苏 常州 213141）

0 引言

从国际经验看，建筑及建筑服务行业经历3大阶段：大规模新建阶段→新建与维修改造并重阶段→旧建筑改造维修加固为主阶段。欧美国家处于第3阶段，在欧美发达国家中，目前用于建筑加固改造的投资已占国家建筑业总投资的1/2以上，我国逐步进入第2阶段。2019年，我国城镇居民人均住房建筑面积达到39.8m2，农村居民人均住房建筑面积达到48.9 m2。由此估算我国现存的各种建（构）筑物的总面积在500亿m2以上，其中绝大多数是混凝土及砌体结构。当前，我国的既有房屋存在提高建筑的耐久性、整体性、抗震性及建筑物整体观感的需求[1]，有的由于使用性质改变而导致荷载增加；有的为了增加使用面积，在屋顶上进行加层；有的需要进行抗震加固；有的由于遭受火灾、超载、地基不均匀沉降等原因需要进行加固处理等。同时，一些新建成的工程项目中，由于勘察、设计和施工中的技术和管理问题，导致工程在建成初期就出现各种质量安全隐患。对于这些建筑物，如果不及时采取加固措施，就有可能导致重大的安全事故。

建筑维修加固的方法很多，植筋锚固、碳纤维加固等新技术、新材料在工程改建加固中得到推广应用[2-3]。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[4]。植筋锚固材料主要分为有机锚固材料和无机锚固材料，传统植筋技术大多采用有机锚固材料，主要是以乙烯基酯类与改性环氧类为胶粘剂的有机类植筋胶，具有早期强度高等优点，但也存在耐热性差、易老化等缺点[5-6]。无机植筋锚固材料是由无机水硬性胶凝材料（水泥）、填料、增强组分、膨胀组分等按一定的配比和工艺配制而成，无机锚固胶使用寿命与混凝土结构相同，但其存在早期强度低、粘结强度不足、锚固深度长、质量不稳定等缺点[7-8]。

无机锚固胶的粘结性能主要通过约束拉拔条件下带肋钢筋与混凝土的粘结强度来表征，粘结强度是影响加固效果的重要因素。影响无机锚固胶粘结强度的因素很多，主要包括施工和材料因素，施工因素包括植筋孔未清理存在大量浮灰或水、植筋孔深度不足导致有效接触面积低、无机锚固胶未按要求搅拌等；材料因素包括无机锚固材料保水性差导致水化反应不完全、无机锚固材料硬化过程产生收缩、无机锚固材料韧性差导致脆性断裂等。本文在借鉴已有研究成果的基础上，着重分析了保水剂、膨胀剂、增韧材料等对无机锚固胶粘结强度及力学性能的影响，通过复掺3种外加剂提高无机锚固胶的粘结强度。

1 试验

1.1 原材料

水泥：42.5级快硬硫铝酸盐水泥，中联水泥有限公司生产；级配砂：机制砂，细度模数1.5～1.6，最大粒径小于1.0 mm，石粉含量小于1.0%，安徽凤阳产；减水剂：NK-PC900粉体聚羧酸减水剂，减水率不小于25%，江苏尼高科技有限公司生产； 硅灰：二氧化硅含量大于90%，活性指数大于105%，甘肃三远硅材料有限公司生产；膨胀剂：NK-HCSA混凝土膨胀剂，水中7 d限制膨胀率大于0.050%，江苏尼高科技有限公司生产；纤维素醚：羟乙基甲基纤维素醚，黏度为300 mPa·s，含水率小于5.0%，陶氏化学有限公司生产；无机保水剂：硅酸镁铝，含水率小于8.0%，市售；增韧材料：钢棉纤维，公称长度不大于3.5mm，当量直径40.6～61μm，市售。

1.2 试验方案

结合无机锚固胶的前期试验，在借鉴已有科研成果的基础上，设计无机锚固胶的基础配合比如表1所示。试验主要研究了保水剂种类及掺量、膨胀剂掺量、增韧材料掺量等对无机锚固胶粘结强度及力学性能的影响，采用3种外加剂复掺提高无机锚固胶的粘结强度，其中保水剂、增韧材料为外掺，膨胀剂取代部分水泥，膨胀剂掺量为占胶凝材料的质量百分比，水胶比为0.26。

表1 无机锚固胶的基础配合比 kg

1.3 性能测试方法

无机锚固胶的粘结性能、胶体性能按JG/T 340—2011《混凝土结构工程用锚固胶》中无机类锚固胶的规定方法成型、养护和测试。

2 试验结果与分析

2.1 保水剂种类及掺量对无机锚固胶性能的影响

无机锚固胶采用的胶凝材料为水硬性胶凝材料，且胶凝材料占比较高，水化反应所需的水分较多，搅拌好的浆料注入植筋孔后，部分水分会被周边基层混凝土吸走，如果无机锚固胶的保水性差，失水速度快，严重时会导致水化反应不完全，影响无机锚固胶的粘结强度。本试验选取纤维素醚类有机保水剂和硅酸镁铝类无机保水剂，按表1的配合比，测试了不同保水剂掺量对锚固胶性能的影响，结果见表2。

表2 保水剂种类及掺量对无机锚固胶性能的影响

由表2可见：（1）无机锚固胶的抗压强度随纤维素醚掺量的增加而明显降低，且粘结强度也无明显提高。这是由于纤维素醚同时具有亲水基团（羟基、醚基）和憎水基团（甲基、葡萄糖环），是一种表面活性剂，具有引气效应，对抗压强度有负面作用。（2）无机保水剂硅酸镁铝在低掺量下可改善无机锚固胶的粘结强度，对抗压强度的影响也较小，但掺量不宜过高，掺量大于0.1%时，材料的抗压强度、粘结强度均明显降低。

因此，优选择硅酸镁铝作为无机锚固胶的保水剂，其最佳掺量为0.1%。

2.2 膨胀剂掺量对无机锚固胶性能的影响

无机锚固胶的膨胀性能也尤为重要，利用无机锚固胶的膨胀可将钢筋有效握裹，并与植筋孔壁紧密接触产生膨胀应力，使钢筋受力传递至混凝土，形成整体受力以共同抵抗钢筋所受到的拉力，从而提高整体结构稳定性。由于无机锚固剂硬化速度快，本试验选择具有早期膨胀性能的多元高效膨胀剂。固定硅酸镁铝掺量为0.1%，测试不同膨胀剂掺量对无机锚固胶膨胀率、抗压强度及粘结强度的影响，结果见表3。

表3 膨胀剂掺量对无机锚固胶性能的影响

由表3可见，膨胀剂掺量为6.0%时，无机锚固胶的膨胀率能符合JG/T 340—2011标准要求，且其粘结强度较未掺膨胀剂时提高11.7%。具有早期膨胀性能的多元高效膨胀剂在水化早期反应较快，膨胀率高、膨胀速度快，迅速形成体积膨胀，但膨胀过快也会导致试件内部出现微小裂缝，影响抗压强度。因此，应合理控制膨胀剂掺量，无机锚固胶中膨胀剂的最佳掺量为取代胶凝材料的6.0%。

2.3 钢棉纤维掺量对无机锚固胶性能的影响

钢棉纤维具有较强的交联功能，与其他材料混合后，纤维之间搭接成立体结构，使材料具有较高的抗拉和抗弯强度，大幅度提高复合材料的韧性。控制硅酸镁铝掺量为0.1%，膨胀剂掺量为6.0%，不同钢棉纤维掺量对无机锚固胶性能的影响见表4。

表4 钢棉纤维掺量对无机锚固胶性能的影响

由表4可见：无机锚固胶的粘结强度随钢棉纤维掺量的增加明显提高，当钢棉纤维掺量6.0%时，无机锚固胶在约束拉拔条件下带肋钢筋与混凝土的粘结强度达11.2 MPa，较未掺钢棉纤维时提高30.2%，当钢棉纤维掺量大于6.0%时，粘结强度增幅不明显；钢棉纤维掺量对无机锚固胶的膨胀率影响不大；无机锚固胶的抗压强度随钢棉纤维掺量的增加有所提高。综合考虑，优选钢棉纤维的掺量为6.0%。

3 结论

（1）掺入纤维素醚类有机保水剂对无机锚固胶的力学性能负面影响较大；无机保水剂硅酸镁铝的掺入，可改善无机锚固胶的粘结性能，优选硅酸镁铝为无机锚固胶的保水剂，硅酸镁铝的最佳掺量为0.1%。

（2）掺入膨胀剂对抗压强度有一定的负面影响，应合理控制膨胀剂的掺量。当膨胀剂掺量为6.0%时，无机锚固胶的膨胀率可符合JG/T 340—2011的技术要求，粘结强度较未掺膨胀剂时提高11.7%，因此无机锚固胶中膨胀剂的最佳掺量为胶凝材料的6.0%。

（3）无机锚固胶的粘结强度随着钢棉纤维掺量的增加明显提高，无机锚固胶的抗压强度随钢棉纤维掺量的增加有所提高。钢棉纤维的最佳掺量为6.0%，此时无机锚固胶在约束拉拔条件下带肋钢筋与混凝土的粘结强度达11.2 MPa，较未掺钢棉纤维时提高30.2%。