結構膠粘劑對混凝土抗壓強度精度試驗的分析研究

丁 超，茍曉鋒

（甘肅省蘭州公路事業發展中心，甘肅 蘭州 730000）

砌塊結構的植筋過程，需要進行后錨固抗拔試驗，確定植筋結構的可靠性。采用結構膠作為膠粘劑，如使用環氧結構膠、硅酮結構膠、樹脂結構膠等，可以實現較短的施工周期、較低的施工成本完成植筋工藝。

相關文獻提及的基于經驗系數的植筋結構施工過程中，錨固劑膠粘劑的選型、鋼筋直徑、混凝土強度等指標均對植筋結構強度有直接影響。但實際現場施工質量控制中，以及相關植筋強度試驗過程中，均發現單純使用這些控制因素難以實現對植筋結構強度的有效控制。所以有必要對植筋結構成型過程進行全面研究，以尋找影響植筋結構強度的敏感控制因子。相關研究多采用現場試驗法和仿真試驗法，該研究則同時使用上述2種試驗法進行全面試驗測試。

該研究在現場試驗中考察了不同成分膠粘劑對植筋結構強度的影響，在仿真試驗中考察了植筋結構控制因子對植筋結構強度的影響，研究不同成分結構膠粘劑的混凝土抗壓強度測試精度問題，探討結構膠粘劑錨固質量在混凝土砌塊結構植筋過程的試驗控制過程。

1 結構膠粘劑后錨固法現場測試

1.1 現場試驗設計

使用LRMG-40后錨固法強度測試儀作為現場試驗部分，該設備將液壓缸、壓力表、支撐架部分構建成總成結構，使用手動泵站供能，形成最大40 MPa測試環境，對C20、C30抗壓強度結構的后錨固法抗拔試驗有穩定可靠的支持作用。使用該設備進行現場后錨固植筋抗拔試驗，以檢測植筋強度，試驗系統如圖1所示。

圖1 后錨固法測試試驗系統圖Fig.1 Test system diagram of post anchorage method

由圖1可知，使用液壓缸配合支撐架拉拔經過充分錨固固化的植筋試驗結構，通過不同壓力狀態下的破壞程度，包括鋼筋結構拔出、錨固結構拔出、墻體結構破壞等。該試驗可應用于一次性澆筑墻體、粘土磚砌塊墻體、混凝土砌塊墻體等不同墻體結構，而該研究重點針對混凝土砌塊墻體。

因為該研究重點考察試驗系統的可靠性和試驗精度，所以專門構建基于混凝土砌塊結構的標磚雙磚厚度墻體，墻體厚度250 mm，其中混凝土砂漿抹縫寬度10 mm，混凝土預制砌塊強度為C20級別。墻體中使用后錨固法植筋，鋼筋直徑18 mm，錨固段長度200 mm，試驗中分別使用環氧結構膠、硅酮結構膠、樹脂結構膠等進行錨固并充分固化，植筋點距離不小于500 mm，每組植筋數量不少于50個。試驗中每組試驗50個植筋結構，通過6倍標準偏差率法（6）評價試驗系統精度。

數據分析方面，使用SPSS分析軟件下的雙變量校驗結果比較數據差異，當＜10.000時，認為存在統計學差異，當＜0.01時，認為存在顯著的統計學意義，當＜0.05時，認為存在可置信的統計學意義，且值越小，認為數據差異性越大，當值越小，認為數據可置信程度越高。

1.2 現場試驗過程數據分析

建筑物結構力學最終分析結果，一般使用結構抗壓強度表示，如：C20級別表示結構抗壓強度在20 MPa以上，C30級別表示結構抗壓強度在30 MPa以上。而該試驗通過后錨固植筋結構的抗拔試驗控制植筋結構的抗壓強度，數據傳導邏輯較為復雜，中間不可控過程較多，所以，即便試驗系統本身的可靠性、穩定性達到規程需求，最終獲得的抗壓強度也需要進行驗證，該研究即是針對該數據傳導轉化過程開展數據驗證過程。因為該過程并不存在標準答案，所以，采用相關文獻中較多采用的6倍標準偏差率法（6）評價試驗系統精度。

試驗中，對比不同結構膠條件下分別試驗50次后的后錨固植筋結構抗壓強度測試值與其測試精度的關系，如表1所示。

表1 不同結構膠條件下的試驗精度對比表Tab.1 Comparison of test accuracy under different structural adhesive conditions

表1中，共進行6組試驗，分別針對設計目標在C20和C30的植筋結構，分別采用環氧結構膠、樹脂結構膠、硅酮結構膠的試驗，每組測試50個植筋結構，得到上述結果。系統測試的實測值均值中，不論設計目標為C20級別還是C30級別，環氧結構膠的最終實測均值略低，樹脂結構膠和硅酮結構膠略高，樹脂結構膠較環氧結構膠分別高出14.70%和16.23%，硅酮結構膠較環氧結構膠分別高出19.85%和14.10%，硅酮結構膠和樹脂結構膠的實測抗壓強度均值之間差異在±5%以內，但使用SPSS下雙變量校驗方法將三者數據兩兩比對，＜10.000，＜0.01，均具有顯著的統計學差異。而6倍標準偏差率方面，三者數據兩兩比對，均得到＞10.000，＜0.05的結果，即在相同測試環境下，三者測量誤差率無統計學差異且比較結果數據在置信空間內。

分析上述數據的產生原因，可以發現以下2點規律：

（1）通過拉拔試驗獲得植筋結構的抗壓強度，產生的數據均值差異性來自植筋結構結構膠本身的化學力學差異性和結構力學差異性，并非來自試驗系統自身的測量誤差差異性。使用同一套測量系統獲得的測量誤差，與實際采用的結構膠成分和施工工藝無關。所以，植筋結構的結構力學抗壓強度存在＜10.000且＜0.01的顯著統計學差異，而其測量誤差之間無統計學差異；

（2）因為該試驗中選擇的LRMG-40后錨固法強度測試儀，使用了手動泵站提供最大等效40 MPa的液壓動力源，加壓過程的壓力梯度控制，試驗器材的安裝與連接工藝等，均會對試驗誤差帶來影響。此種影響屬于系統誤差，且屬于隨機誤差，多次試驗中，該誤差可以相互抵消。但相關研究中均討論了植筋結構后錨固法強度測試儀的加壓梯度控制和安裝工藝控制方法，植筋測試現場的試驗操作中，有必要對相關試驗過程加強控制，使其更接近于試驗室操作環境，以提升試驗精度。

2 結構膠粘劑后錨固法測試仿真試驗

2.1 試驗設計

在建筑CAE中加載相關控件，輸入混凝土、膠粘劑、鋼筋參數構建有限元仿真模型。混凝土參數來自混凝土筑塊的試驗室液壓試驗，包括單軸壓潰試試驗、單軸劈裂試驗、單軸抗拉試驗、壓力循環試驗、拉力循環試驗等。膠粘劑參數來自膠粘劑預固化結構的試驗室液壓試驗，試驗項目同混凝土。鋼筋參數來自鋼筋試驗室液壓試驗，包括單軸抗拉試驗、扭矩試驗、拉力循環試驗等。上述有限元模型如圖2所示。

圖2 植筋強度有限元模型參數含義示意圖Fig.2 Schematic diagram of parameter meaning of embedded bar strength finite element model

由圖2可知，×為模型中考察的混凝土澆筑墻體面積，=＞300，為鋼筋直徑，為鉆孔直徑，1.10＜＜1.20，為墻體內鋼筋長度，L為鋼筋錨固長度，L為錨固段總長度（含鉆孔底部無鋼筋的錨固長度）。

仿真試驗分為2部分：其一，測試不同錨固長度及不同鋼筋直徑條件下的抗拔強度；其二，在不同膠粘劑成型質量的條件下實現的抗拔強度。分析上述2個條件對植筋強度的影響，探討植筋強度控制策略。

2.2 仿真試驗過程數據分析

2.2.1 錨固長度對植筋抗拔強度的影響

仿真試驗中首先考察錨固長度L與植筋抗拔強度之間的仿真試驗，基于隨機數發生器，考察不同鋼筋直徑、鉆孔直徑、植筋深度，每錨固長度下執行50次仿真，求取平均值，仿真結果歸納如圖3所示。

圖3 錨固長度與抗拔強度之間的數據關系圖Fig.3 Data relationship between anchorage length and pullout strength

由圖3可知，錨固長度小于200 mm時，隨著錨固長度增加，植筋抗拔強度快速增加至39.3 MPa，但錨固長度大于200 mm時，隨著錨固長度增加，植筋抗拔強度的變化幅度放緩，最終植筋抗拔強度向48.2 MPa收斂。即為了達到最經濟植筋強度，在混凝土澆筑墻體中實現植筋，則植筋錨固長度控制在150～250 mm。觀察仿真結果，植筋結構的破壞形式如表2所示。

表2 植筋結構破壞形式統計表Tab.2 Statistical table of failure forms of embedded reinforcement structure

由表2可知，隨著錨固長度增加，墻體結構破壞的概率快速增加，鋼筋結構破壞的概率快速下降，而錨固結構破壞的概率略有下降，基本維持不變。

為了進一步印證錨固結構形態對植筋強度的影響，求取錨固長度與植筋深度之間的比值，同樣在隨機數引擎驅動下，對不同的鋼筋直徑、鉆孔直徑、植筋深度、錨固長度條件下進行仿真結果統計，每種錨固長度比條件仿真測試50次，如圖4所示。

圖4 錨固長度比與抗拔強度之間的數據關系圖（均值）Fig.4 Data relationship between anchorage length ratio and pullout strength （mean value)

由圖4可知，當錨固長度比小于50%時，隨著錨固長度比增加，植筋抗拔強度快速增加至39.6 MPa，且植筋抗拔強度在錨固長度比為57.4%時達到峰值40.2 MPa，隨后出現下降沿；當錨固長度比達到80%以上時，植筋抗拔強度快速下降。發現植筋結構中非錨固段起到不可或缺的結構力學作用，因為錨固段的鋼筋結構的延展性受到制約，如果無法充分釋放鋼筋的抗拔形變，則會較早因為錨固段鋼筋形變破壞錨固結構，造成植筋結構破壞，從而影響植筋結構的抗拔強度。

2.2.2 鋼筋直徑對植筋抗拔強度的影響

一般工程經驗認為，植筋結構的鋼筋直徑增加會增加植筋結構的抗拔強度，但前文試驗中發現，錨固結構和墻體結構的強度是植筋結構的脆弱點。為驗證這一關系，在上述仿真環境中，針對不同的鋼筋直徑進行50次仿真試驗，并求取均值，仿真結果統計如圖5所示。

圖5 鋼筋直徑與抗拔強度之間的數據關系（均值）Fig.5 Data relationship between reinforcement diameter and pullout strength （mean value)

由圖5可知，由于限定了鉆孔直徑與鋼筋直徑之間的關系為1.10＜＜1.20，并未針對特定鋼筋直徑進行鉆孔設計，所以，隨著鋼筋直徑增加，∈10～24 mm的鋼筋直徑條件下，植筋結構的抗拔強度表現出較平緩的上凸曲線，峰值出現在鋼筋直徑17.1 mm時，該值之前隨著鋼筋直徑增加，植筋抗拔強度緩慢上升，隨著鋼筋直徑下降，植筋抗拔強度緩慢下降，均值落點處于22.8～34.5 MPa上，但總數據落點范圍在12.4～43.5 MPa，基于均值的標準偏差率為6.25 MPa，數據信度=0.049＜0.05，接近可置信信度區間邊界。基本斷定，鋼筋直徑并非決定植筋結構抗拔強度的關鍵指標。

2.2.3 膠粘劑成型質量對植筋抗拔強度的影響。

參考上述表2，錨固結構的破壞在植筋結構破壞中占比較為穩定，所以有必要考察膠粘劑固化成型質量對植筋抗拔強度的影響。但因為膠粘劑固化成型質量的影響因子較為復雜，為了簡化試驗，通過隨機數引擎在膠粘劑成型結構中形成微氣泡，起泡體積占比與錨固結構總體積之間的比值設定為膠粘劑發泡度。膠粘劑發泡度越高，則認為膠粘劑成型質量越差。與前文仿真試驗相同的仿真環境中，測試不同膠粘劑發泡度條件下每梯度50次仿真試驗結果，統計得到圖6。在圖6中，當膠粘劑發泡度在2.4%以下時，植筋結構抗拔強度緩慢下降，可認為植筋結構對膠粘劑發泡度的容忍上限為2.4%；膠粘劑發泡度在2.4%～7.9%時，植筋結構抗拔強度從37.2 MPa快速下降到7.2 MPa；當膠粘劑發泡度超過7.9%時，該下降速度放緩，逐漸收斂趨近于0 MPa。可見膠粘劑發泡度是影響植筋結構抗拔強度的關鍵因子。

圖6 膠粘劑發泡度與抗拔強度之間的數據關系Fig.6 Data relationship between foaming degree and pullout strength of adhesive

如前文所述，膠粘劑固化成型質量與植筋抗拔強度之間存在直接關聯，且膠粘劑成型質量控制因子較為復雜，單純從膠粘劑發泡度無法對膠粘劑固化成型質量形成較全面的控制，所以，從更多可能影響因素針對膠粘劑固化成型質量進行仿真，每梯度采集數據量50組，求取均值，如表3所示。

表3 膠粘劑成型質量對植筋結構抗拔強度的影響效果統計Tab.3 Effect statistics of adhesive molding quality on pullout strength of embedded reinforcement structure

由表3可知，系統容忍值指因為膠粘劑成型質量問題導致植筋結構抗拔強度快速下降沿出現的閾值，30 MPa閾值指植筋結構抗拔強度下降到30 MPa時的相關膠粘劑成型質量影響因子閾值；12 MPa閾值指植筋結構抗拔強度下降到12 MPa時的相關膠粘劑成型質量影響因子閾值；膠粘劑發泡率指膠粘劑成型后內部起泡體積與膠粘劑總成型體積的比值，膠粘劑結合率指膠粘劑與鉆孔內壁和鋼筋外壁之間的有效結合面積與總面積之間的比值；膠粘劑雜質率指膠粘劑中水、不容物、可溶物總質量與膠粘劑成型總質量之間的比值；膠粘劑交聯率指膠粘劑固化過程中內部交聯化學鍵與理論最大交聯化學鍵之間的比值。可見上述試驗中考察的膠粘劑固化成型質量影響因子均對植筋結構抗拔強度有顯著影響，且植筋抗拔強度對上述影響因子均有較為苛刻的容忍度。

2.2.4 試驗結果討論

首先，膠粘劑的錨固質量直接影響植筋結構的抗拔強度，其影響范圍超出了常規試驗的精度容許范疇。除膠粘劑錨固質量（發泡度、結合率、雜質率、交聯率）之外，錨固長度及錨固長度比（錨固長度與植筋長度的比值）也對植筋結構強度有較顯著影響，而植筋結構的鋼筋直徑等因子對植筋結構抗拔強度的影響遠小于上述膠粘劑的影響。所以，考察膠粘劑影響因子的控制方法是實現更高精度植筋結構強度試驗結果的重要技術路徑。

其次，該研究中獲得的穩定的試驗誤差率，前提為精密控制的試驗過程和專業的試驗操作過程，現場試驗中，有必要對試驗執行人員開展強化培訓，使其充分掌握試驗設備的操作過程，且嚴格控制試驗過程的加壓梯度、設備安裝工藝要素等。不穩定的設備安裝，不規范的加壓梯度，均會給系統帶來額外誤差。本文研究表明：試驗誤差與植筋結構使用的結構膠成分和錨固工藝、固化工藝無關，僅與試驗器材的操作精度有關。

最后，植筋結構在建筑結構中屬于后加結構，需要在建筑物砌塊墻體施工完成后通過鉆孔、吹孔、注膠、植筋、固化等工藝過程實現砌塊墻體結構附加設施的施工安裝。試驗過程中，被測試植筋結構的所有安裝工藝，應與實際施工結構中植筋安裝工藝保持一致，否則會因為工藝不同而造成較大的測量誤差。參照本文研究中發現的實測植筋結構抗壓強度均值差異性遠大于系統測量誤差（6倍標準偏差率）差異性，如果試驗結構與施工結構存在差異，會帶來遠超過系統測量誤差的數據差異。

3 結語

后錨固法施工砌塊墻體植筋結構的過程中，可以選擇的結構膠種類較多，且該試驗中考察的環氧結構較、硅酮結構膠、樹脂結構膠等均可滿足C20設計級別和C30設計級別的植筋結構施工，但考慮到建筑結構的可靠性和安全性，需要對其進行嚴格試驗，測試設計方案在施工現場的實現結果。本文研究基本確定了如果采用同一種成套試驗設備，試驗誤差與現場選用的結構膠種類無關，與植筋結構的施工工藝無關，但與成套試驗設備的安裝工藝、試驗過程有關。實際試驗中，應嚴格控制上述要素，實現更高精度的試驗。