快凝无机植筋胶栓试验研究

文章编号：16742974(2014)04006105

收稿日期：20130819

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2011BAJ08B02)；湖南省科技计划重点资助项目(06SK4057)

作者简介：尚守平（1953-）,男，山东黄县人，湖南大学教授，博士生导师

通讯联系人，E-mail:

摘要：对不同配合比下的无机胶凝材料试块的抗压强度和凝结时间进行了研究，得到了一组在强度和凝结速率方面均较好的配合比.在此配合比下，试块3d强度可到43.8MPa,达到28d抗压强度的69.0%，且凝结时间小于5min，具有良好的快凝高强性能.利用其快凝高强的性能，制作了2种不同类型的无机植筋玻璃胶栓，通过混凝土基材的植筋拉拔试验，探讨了不同钢筋直径、锚固深度、植筋角度以及植筋天数等因素下对极限拉拔承载力的影响.基于试验现象归纳了典型破坏形态，并根据极限拉拔承载力结果用数据回归方法提出了相对锚固长度计算公式.

关键词：快速凝固；玻璃胶栓；无机植筋；拉拔试验；锚固承载力

中图分类号：TU526 文献标识码：A

ExperimentalResearchonRapidsolidification

InorganicPlantingBolt

SHANGShouping,HUXiangjun,WULili,YANGTian

(CollegeofCivilEngineering,HunanUniv,Changsha，Hunan410082,China)

Abstract:Throughtheexperimentalresearchonthecompressivestrengthandsettingtimeofinorganiccementitiousmaterialsunderdifferentmixproportion,agoodmixproportionwithbetterstrengthandcondensationratewasobtained.Inthismixproportion,thestrengthoftestblockforthreedayswas43.7MPa,reaching69.0%ofthecompressivestrengthof28days,andthesettingtimewaslessthan5minwithgoodperformanceinrapidsolidificatioandhighstrength.Twodifferenttypesofinorganicglassplasticboltweremadeontherapidsolidificationandhighstrengthperformance,andthedrawingultimatebearingcapacityunderdifferentbardiameter,anchoragedepth,anchorageangleandtimefactorswasinvestigatedthroughtheanchoragedrawingexperiment.Basedontheexperimentalphenomena,typicalfailuremodesweresummarizedandrelativeanchoragelengthformulawithdataregressionwasputforwardonthebasisofultimatebearingcapacitydrawingresults.

Keywords:rapidsolidification；glassplasticbolt;inorganicanchorage;pullouttest;ultimatebearingcapacity

近年来,中国建筑业发展飞速，从建国初期的大规模新建逐步迈向新建与改造并重时期，现有建筑物或构造物的改造与维修加固已成为建筑业的新热点\[1\].在建筑物和构造物由于使用功能变化、不可抗力、结构老化等原因需要进行改造、加固和补强等过程中，植筋锚固技术通过利用粘结锚固材料使新增钢筋与原有钢筋共同工作有效地解决了这些问题，从而得到越来越广泛的应用\[2-3\].

植筋锚固材料主要分为有机锚固材料和无机锚固材料.传统的植筋技术多用有机锚固材料\[4\]，但该类材料在施工过程中普遍存在如：环保、焊接、防火以及耐久性较差等问题，因此在目前的一些工程施工中，有机材料使用越来越受到限制.无机胶凝材料是近年来研究开发出来的一种新型胶凝材料，前苏联Glukhovski等\[5\]使用碎石、锅炉渣或高炉矿渣磨细，再用NaOH溶液或水玻璃溶液调制净浆，得到了强度高达120MPa且稳定性好的胶凝材料.Davidovits［6］提出了由碱激发煅烧高岭土制成地聚合水泥.吴其胜等\[7\]通过复合碱组分对矿渣粉煤灰碱胶凝材料性能的影响，得到了采用复合碱组分激发矿渣粉煤灰体系，强度更高.赵三银等\[8\]研究了无机矿粉对碱激发碳酸盐胶凝材料性能的影响.郑文忠等\[9\]针对目前植筋胶软化点过低的问题，开发了可耐600°高温的植筋用无机胶凝材料，并通过混

凝土上的植筋锚固性能试验得出了其粘结性能良好.钢筋在混凝土中植筋锚固，国内外专家已经进行了较

多研究，对钢筋的锚固承载力与锚固深度、钢筋直径

和混凝土强度等级等不同条件均进行了研究，取得了很多成果.本文根据碱激发矿渣性能研究出一种新型的高强快凝无机植筋锚固胶栓（由非水泥基粉料添加剂1与固化添加剂2两者反应生成），并对其抗压性能、凝结性能及植筋锚固性能进行了相应的试验研究与分析.

1材性试验与胶栓制备

1.1试验原材料

本试验胶栓成分由2种添加剂构成，粒化高炉矿渣微粉S95和NaOH固体混合物作为添加剂1；水玻璃为添加剂2，两者混合均匀即生成快凝无机植筋胶.其中水玻璃和矿粉化学指标如表1和表2所示.添加剂1中NaOH的成分、掺量和矿粉的碱度及活性等都是影响锚固材料凝结速率和强度的关键因素，添加剂2中水玻璃的掺量也将对强度和凝结速率有很大影响.

表1水玻璃主要技术指标

Tab.1ThemaintechnicalindicatorsofSodiumsilicate

模数

wSiO2

/%

wN2O

/%

密度

/(g•mL-1)

水不溶物

/%

wFe

/%

3.1

26.6

8.5

1.37

0.38

0.045

表2矿渣微粉品质指标检测结果

Tab.2TestresultsofSlagqualityindex

密度

/(g•cm-3)

比表面积

/(m2•kg-1)

活性指数/%

7d

28d

流动度比

/%

含水量

/%

wSO3

/%

w氯离子

/%

w烧失量

/%

2.87

432

83

103

103

0.12

0.42

0.007

0.52

1.2材性试验

本胶栓主要用于工程中植入剪切器件，考虑到在一些工程中水平面、竖向面，尤其是仰面植入有快凝需要，在前期做的材料配合比试验着重考虑强度和凝结时间.将非水泥基粉料添加剂1与固化添加剂2中成分按不同的配合比制作多组立方体试块，试块尺寸为70．7mm×70．7mm×70.7mm，同时记下初凝的时间.对不同配合比下的试块在标准条件下养护，然后分别进行3,7,14和28d的抗压试验，材料强度性能研究的方法按照JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》中规定的立方体抗压强度试验方法进行，抗压试验如图1所示.不同配合比试块，其抗压强度试验结果如表3所示.

图1试块抗压试验

Fig.1Testblockcompressiontesting

表3试块抗压强度

Tab.3Compressivestrengthoftestblock

分组抗压强度/MPa

3d

7d

14d

28d

1

43.8

52.9

57.1

63.5

2

41.3

50.7

56.5

59.9

3

40.1

49.4

55.4

58.7

4

35.7

43.2

50.4

52.4

由表3可知，第1组试块3d强度即可到43.8MPa,达到28d抗压强度的69.0%，7d的强度达到28d的83.3%，随后强度仍有增长，但增速趋于缓慢.且在凝结时间上，第1组采用机械搅拌2min左右就可以达到初凝，人工搅拌时间稍长，但一般也不超过5min，相对其他组凝结速率更符合需要.由此可看出，该配合比下的无机锚固材料在抗压强度和快凝性能方面都较好.

1.3胶栓制备

由于该无机锚固材料凝结速率很快，在施工中不方便现场搅拌使用,为了利用其高强快凝的性能以方便用于某些需要快速凝固的施工中，故加入玻璃管制成无机玻璃胶栓,成品胶栓使用方便，保存时间较长，可在工程中大量应用.

试验制作的胶栓分为套管型胶栓和两截型胶栓2种.套管型胶栓，如图2所示，采用2种不同直径的薄玻璃管，玻璃管直径根据植筋孔大小确定，长度根据材性试验中得到的配合比与植筋孔深度综合考虑确定.先将所有玻璃管一端封口，添加剂2放入小直径玻璃管中，然后另一端封口，冷却一段时间后，将其套入大直径玻璃管中，再加入添加剂1后封口，即得到套管型胶栓.两截型胶栓，如图3所示，采用相同直径的薄玻璃管，玻璃管直径根据植筋孔大小确定，长度根据植筋深度与配合比综合考虑确定.先将所有玻璃管一端封口，按要求装入相应的添加剂1和2，最后将所有玻璃管完全封口即得到两截型胶栓.

图2套管型胶栓

Fig.2Casingplasticbolt

图3两截型胶栓

Fig.3Twopartsplasticbolt

2植筋胶栓施工工艺

植筋的施工过程：1）定位放线，清理原有结构基层表面，露出需打孔的结构层，依据设计要求进行定位，标明植筋锚固点的钻孔位置．2）钻孔，钻孔时应确保孔洞垂直，深度满足设计要求，钻孔直径宜取为D+4mm（D为钢筋直径）．3）清理孔洞，钻孔完后使用气泵软管将孔洞内产生的灰渣和粉尘吹净，然后用清水冲洗孔洞，清除残余的粉尘．4）浇水湿润，该植筋胶栓为无机材料，具有亲水性，而混凝土基材存在吸水性，会将植筋胶体内的水分吸走而使胶体不能正常水化硬化，进而影响植筋的质量,所以应在植筋前充分湿润试件．5）放入植筋胶和植筋，套管型植筋胶栓直接放入孔洞内，两截型植筋胶栓，先放入装有添加剂2的胶栓，再放入装有添加剂1的胶栓；植筋时，边深入边旋转缓慢插入至孔底，带肋钢筋可以使2种添加剂充分搅拌均匀．6）养护，为了使胶体能够很好地凝结硬化，在植筋完后的4个小时内就应当进行湿水养护，刚开始一天应养护3~4次，随时间延长可逐渐减少，养护7~14d为宜.

3拉拔试验与结果分析

3.1植筋试验

植筋拉拔试验在试验室废弃C25混凝土基材上进行，在其表面钻孔间距≥200mm，孔的直径与所植钢筋的直径有关.本次试验采用HRB400级钢筋，直径分别为6，8和10mm,植入深度分别为10倍,15倍和20倍钢筋直径．拉拔试验装置采用北京煤炭科学研究总院研制的YS1型拉拔仪，测量精度为0.1kN.加载机制采用GB/50367-2006《混凝土结构加固设计规范》中的均匀速率加载.

3.2试验结果

本次试验共植筋168根．套管型玻璃管胶栓植筋78根，其中水平面植筋60根，竖向面植筋18根；两截型玻璃管胶栓植筋90根，其中水平面植筋54根，竖向面植筋36根.植筋过程中考虑不同钢筋直径、锚固深度、植筋角度以及植筋天数等因素对钢筋拉拔承载力的影响，试验测得极限拉拔承载力结果平均值如表4所示.当钢筋有拉断时，保守取拉断时的锚固承载力作为胶栓的极限承载力，其中不带括号的数值为套管型胶栓极限拉拔承载力，带括号数值为两截型胶栓极限拉拔承载力.

表4钢筋极限拉拔承载力结果

Tab.4TheresultoftheultimatebearingcapacityofreinforcementpullouttestkN

钢筋直径

植筋深度/mm

3d强度

7d强度

14d强度

28d强度

屈服强度

标准值

水平面Ф6

60

2.8

5.0

6.2

7.7

90

6.9（6.3）

12.5（16.7）

-

-

120

13.2（15.0）

19.0（19.1）

(19.5)

（20.1）11.3

水平面Ф8

80

10.8（9.3）

21.7（17.9）

23.1（27.3）

25.4（32.0）

120

19.8（19.7）

25.8（26.7）

(28.2)

（34.4）

160

25.2（22.1）

29.6（28.7）

(32.7)

(33.6)

20.1

水平面Ф10

100

14.7

27.1

34.8

52.1

31.4

竖向面Ф6

90

（3.0）

（5.9）

-

-

120

(4.3)

(7.8)

（13.1）

（19.5）

11.3

竖向面Ф8

80

5.0

9.6

-

-

120

7.1（5.1）

17.9（17.2）

23.3（27.6）

29.4（31.0）

160

(10.9)

(20.6)

-

-

20.1

3.3数据分析与结果讨论

对不同因素下测到的钢筋极限锚固承载力，分析结果如图4~图6所示，并结合表4可得以下结论（D为钢筋直径）：

1)不同直径的植筋破坏在达到一定天数后基本都能使钢筋达到屈服甚至拉断，除了部分在锚固深度为10D时因其锚固深度较浅导致强度较低，其效果较差外，整体的试验拉拔承载力还是较高的.

图4套管型与两截型强度对比

Fig.4ComparisonofstrengthbetweenCasingplastic

boltandtwopartsplasticbolt

图5套管型胶栓在10D时拉拔力随钢筋直径变化

Fig.5Pullingforcewiththebardiameter

in10DofCasingplasticbolt

图6两截型胶栓水平面植筋Ф8时

植入深度与抗拔力变化

Fig.6Pullingforcewiththeimplantdepthchanges

ofФ8inthehorizontalplaneoftwopartsplasticbolt

2)锚固深度对极限承载力存在一定的影响，锚固深度越深，承载力越大，但达到一定深度后并不成正比例关系且锚固深度对极限承载力增长的贡献幅度远弱于时间因素.试验中得到锚固深度为15D时，虽早期承载力小于20D，但随时间增长后期极限锚固承载力基本相同，考虑到工程中锚固长度过长不利于施工，由此可在满足承载力要求前提下选择比较经济合理的锚固深度.

3)植筋天数对极限承载力有很大影响，当水平面植筋时，极限承载力在3~7d时增长较快，7d时可达到钢筋屈服强度标准值的108.0%~168.1%（锚固深度≥15D），随后趋于平缓.当竖向面植筋时，拉拔承载力增长相对滞后.由此可得到不同形式锚固面植筋的合理养护天数.

4)对比2种形式的锚固面，水平面植筋的效果比竖直面要更理想一些，且两者拉拔承载力前期差异较大，后期逐渐减小.这可能与2种胶栓在不同形式的锚固面的反应速率及是否能充分反应有关.

5)由图4可知，两截型的早期承载力较套管型稍低，但相差不大，而后期强度两截型要更高一些，同时考虑到制作工序，两截型胶栓较套管型胶栓简单易制作，更适于应用.

6)试验中观察钻孔周围混凝土基材表面的破损模式，当锚固深度较浅或植筋天数较少时，破坏形式多为粘结破坏，钢筋被拉出或混凝土呈锥形体破坏，没有明显征兆，呈脆性破坏.当植筋深度较深或植筋天数较长时，破坏形式多为复合破坏(锥形体破坏+植筋胶与基材粘结破坏或锥形体破坏+钢筋被拉断)，破坏有较明显征兆.

3.4相对锚固长度计算公式

根据两截型胶栓植筋试验结果，考虑到粘结强度与各影响因素之间的关系，由试验数据回归得到平均粘结强度公式为：

τu=λ(－0.3475la/D+0.2319t+11.2).(1)

式中：t为植筋天数；λ为不同面修正系数.

由锚固承载力极限方程：

fyAs=τuπDla.(2)

代入可得相对锚固长度计算公式为：

［la/D］=fy/［λ(－1.39la/D+

0.9276t+44.8)］.(3)

对于水平面植筋λ可取1.0,对于竖向面植筋，当植筋超过7d时建议λ取0.85.

4结论

1)制作了套管型和两截型2种无机胶栓，通过植筋试验分析研究了不同因素下对极限拉拔承载力的影响，得出了在锚固深度大于15倍钢筋直径，植筋天数在水平面大于7d，竖向面大于14d时，锚固强度易得到保证.

2)通过多组配合比试块的抗压试验和凝结速率对比得到了一组两者性能兼优的材料组分比例，用该配合比制作的植筋胶3d抗压强度可达到43.8MPa,且凝结速率很快，满足高强快凝的要求,能适用于水平面和竖向面植筋有快凝需要的工程中.

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