植筋粘结锚固性研究

水泥基无机粘结材料植筋粘结锚固性能研究 水泥基无机粘结材料植筋粘结锚固性能研究 摘 要 植筋技术在混凝土加固修复工程中得到广泛应用，粘结材料的好坏直接决定着植筋效果。无机粘结材料的开发和应用显得非常重要，本文在综合国内外植筋技术的工程实践和研究结果的基础上，对水泥基无机粘结材料植筋的工程适用性和植筋锚固性能做了较深入的试验研究和理论分析。 进行探索性试验，在对水泥基无机粘结材料植筋与同条件下预埋钢筋某有机粘结材料植筋以及植筋后通电绑焊的极限拉拔力进行比较分析的基础上得出此水泥基无机粘结材料植筋的工程适用性。 锚固条件对植筋的粘结锚固性能有很大的影响。通过98个水泥基无机粘结材料的植筋试件的拉拔试验研究，分析了混凝土强度，锚固长度，钢筋直径，钻孔孔径及施工质量等因素对粘结锚固性能的影响，对水泥基无机粘结材料植筋的粘结锚固机理承载力，不同试验条件下植筋的破坏形态作了比较深入的分析，对试验结果进行回归得到平均粘结强度公式。推导了临界锚固长度的公式。 通过植筋拉拔试验,建立化学植筋拉拔力---滑移曲线,对植筋粘结性能和机理进行分析. 通过可靠度分析，推导出简化后的植筋锚固承载力建议公式；对锚固长度进行可靠度分析，得出可用于各种情况具有可靠度保证的植筋锚固长度计算公式和适用表格，并对植筋设计，施工和验收提出一定的建议。 关键词：水泥基无机粘结材料，植筋，拉拔试验，粘结锚固强度 锚固长度 Experimental Investigation of the Bonded Rebar Anchorage Properties of Cement Based Inorganic Anchoring Material Abstract Bonded rebar technology has been widely used in the engineering of reinforcing and renovating of concrete structures. The anchoring material has decided the effect of bonded rebar directly. Therefore, application and exploitation of the cement based inorganic anchoring material is of great important. Based on the practice and research of bonded rebar inside and outside, the author did some experiment studies and theory analyses of the engineering applicability of the cement based inorganic anchoring material Some research experiments have been done, compared the limit supporting capacity with embedded bar in advance in the same condition, welding on bonded rebar and bonded rebar by using the organic anchoring material, the engineering applicability of the cement based inorganic anchoring material is obtained. The conditions of anchorage intensely affect bond-anchorage properties of bonded rebar in concrete. The effects of concrete strength, thickness of concrete cover, anchorage length and diameter of bars for bond-anchorage properties have been investigated on the basis of 98 pull out experiments. By way of experimental statistical regression. The calculating formula of characteristic bond-anchoring strength has been established. Based on the load-slip curves, analyzes the bonding performance and mechanism. Based on reliability analysis，the suggested predigest calculation formulas of loading capacity of bonded rebar are deduced; Then based on reliability analysis of anchorage length, design formula and table for anchorage length with reliability guarantee that are suitable to every kind of condition are given. And the suggestion on design and construction of bonded rebar by using the cement based inorganic anchoring material are brought up. Keywords: Cement based inorganic anchoring material bonded rebar pull out experiment bond-anchoring strength anchoring length 目 录 摘 要 Ⅰ Abstract Ⅱ 引 言 1 第一章 绪论 1 1.1 混凝土结构维修加固技术概况 1 1.2 植筋技术 2 1.3 国内外植筋技术研究的发展与现状 9 1.4 水泥基无机粘结材料的优越性 11 1.5 本课题研究的目的和主要内容 13 第二章 水泥基无机粘结材料植筋的探索性试验 14 2.1 探索性试验 14 2.2 破坏形态 16 2.3 探索性试验分析结果 17 2.4 本章小结 21 第三章 水泥基无机粘结材料植筋的粘结锚固试验 22 3.1 粘结锚固试验 22 3.2 试验现象、破坏形态及破坏机理 26 3.3 影响水泥基无机粘结材料植筋（带肋钢筋）锚固性能的主要因素 31 第四章 水泥基无机粘结材料植筋的粘结锚固承载力研究 36 4.1 带肋钢筋粘结锚固强度及承载力计算公式 36 4.2 光圆钢筋的植筋粘结锚固承载力分析 39 第五章 水泥基无机粘结材料植筋的锚固可靠度分析与设计建议 42 5.1 水泥基无机粘结材料植筋锚固可靠度研究的必要性 42 5.2 极限状态方程和统计资料 43 5.3 可靠度指标和可靠度分析 46 5.4 在设计锚固长度范围内滑移量统计 51 5.5 基于可靠度分析的设计建议 51 第六章 水泥基无机粘结材料实际工程中的应用 53 6.1 性能价格比较 53 6.2 工程应用 54 结论及建议 58 致 谢 59 参考文献 60 引 言 结构鉴定、维修和加固改造是从人类有建筑以来便出现的一个传统行业。目前，混凝土的加固方法主要有：加大截面加固法，外包钢加固法，改变传力途径加固法，预应力加固法，粘钢加固法，碳纤维布加固法等，与混凝土结构加固改造配套使用的技术一般有托梁换柱技术，裂缝修补技术，混凝土表面处理技术和后锚固（植筋）技术等。所需的加固费用也是越来越多，同济大学朱伯龙教授指出: 21世纪是修补的世纪，这绝非危言耸听，而据美国劳工部门预测，在当今的二十一世纪，维修改造业将是最受欢迎的九大行业之一。 植筋就是在已有混凝土结构或构件上根据工程拟需要钢筋以适当的钻孔孔径和深度,采用粘结锚固材料使新增钢筋与混凝土粘结牢固,使新增钢筋与原有钢筋共同工作,并使新增钢筋发挥设计所期望的性能，以有效地解决新老混凝土连接，钢筋漏埋，错埋等钢筋生根问题。 与普通混凝土相比,植筋是在原有混凝土结构上进行，属二次受力的组合结构，植筋存在着钢筋——粘结锚固材料和粘结锚固材料——混凝土双重界面,因此,对植筋粘结锚固材料及其施工工艺等的要求也格外苛刻,粘结锚固材料性能的优劣直接决定着植筋效果的好坏。为了更好地研究植筋性能，必须对粘结锚固材料有一深入了解。 无机材料相对有机材料有较大的优势，通常无机粘结锚固材料的弹性模量与被修补材料的弹性模量和线膨胀系数系相接近，因协调工作而产生的问题很少发生；有机质类锚固材料抵抗变形的能力较差，因而摩阻力较小，在相同荷载作用下，位移略大于无机质锚固材料;护筋性能现对较好;耐火耐高温性能比较好;无机类粘结锚固材料正常固化时间相对较慢;能湿作业施工;无毒害作用,减少环境污染;价格便宜，许多专家认为，用水泥基材料修补、加固水泥基材料具有天然的相容性，可以起到良好效果，开发价格合理、性能优良的新型高性能无机质类锚固材料是建筑加固技术发展的新趋势。 本文在相关试验的基础上，验证了水泥基无机粘结材料植筋的工程适用性,并探讨了影响其植筋粘结锚固性能的因素,在可靠度分析的基础上,提出水泥基础无机粘结材料植筋的工程适用钻孔孔径和锚固长度,以便更好的应用在实际工程中。 第一章 绪 论 §1.1 混凝土结构维修加固技术概况 1.1.1 维修加固改造行业的产生和发展 混凝土用于工程建设至今已有150多年的历史。由于其良好的物理力学性能以及材料来源等方面的优点，它在土木结构工程中占据了的主导地位。结构鉴定、维修和加固改造是从人类有建筑以来便出现的一个传统行业。混凝土的发展可分为三个不同的发展时期：第一阶段为从混凝土发明到20世纪初，材料强度低，缺乏合理的设计理论；第二阶段为从20世纪初到二战前后，材料强度虽有所提高，但不明显，理论上有所改进；第三阶段为二战以后至今，材料和设计理论都发展的比较成熟。目前世界各国的建筑业均处在第三阶段，大致可分为三个不同的发展时期：第一个为战后的重建设，规模大但 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 低；第二阶段为新建与维修并重阶段；此前由于对混凝土性能认识不足，在对混凝土建筑物的设计，施工质量控制，原材料的选用等方面只着重于混凝土的力学强度和结构稳定性，未提出耐久性要求，使混凝土建筑物存在不少问题和隐患；此后，大多数建筑物随着时间的流逝，会因劣化、损伤造成使用性能下降，或者由于技术条件有限而无法继续使用，并且随着人们生活水平的不断提高和高新技术的快速发展，现有的建筑物的使用功能远远不能满足新的使用要求，而且已建的建筑物多以服役到期，这样逐渐进入了以维修和加固为重点的第三阶段[1]。 混凝土结构的维修加固工作包括日常维护、加固和改建三个方面的内容。最初，建筑结构维修加固工作的重点是针对危旧房屋的，如重要结构的超役使用，旧房改造、危房加固、文化建筑的保护、抗震加固、及发生灾难性事件后的结构修复等。但近年来，新建房屋结构的加固也越来越多，主要是由于设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的变更(如上海金茂大厦)、功能要求的提高(如房屋加层)、房屋用途的改变（如原有办公楼改为商场）、结构荷载的增加（如已有30吨吊车改为50吨吊车）、设计或施工失误等等，需要对已有建筑物进行改建、增建、加固。目前，混凝土的加固方法主要有[2]：加大截面加固法，外包钢加固法，改变传力途径加固法，预应力加固法，粘钢加固法，碳纤维布加固法等，与混凝土结构加固改造配套使用的技术一般有托梁换柱技术，裂缝修补技术，混凝土表面处理技术和后锚固（植筋）技术等。 1.1.2 维修加固改造行业发展的必然趋势 种种问题严重影响混凝土建筑物的寿命，每年都要耗用巨额资金对工程进行修补和加固。国外对建筑物的加固和维修高度重视，有资料[3]指出，工业发达国家建设总投资的 40%以上用于建筑的维修和加固，不足60%才用于新建筑的建设，从国外相关统计数字看，瑞典1983年建筑业总投资的50%是维修改造的投资；美国自70年代起新建建筑已不景气，而维修改造业日益旺盛，据统计，美国对二战前后兴建的混凝土工程使用30-50年后维修加固所投入的费用，约占了建设总投资的40%-50%以上；英国1978年维修改造业的投资是1965年的3.8倍；前苏联第九和第十个五年计划中维修改造业的投资占建筑业总投资的65%。1980年英国的建筑维修改造工程，已占其建筑工程总量的三分之一;丹麦用于维修改造工程与新建工程的投资比例已达6:1。随着建筑业的发展，同时也由于我国正逐步进入混凝土的改造高峰期，混凝土结构的维修加固技术正越来越受到人们的重视。我国已有建筑物中，有相当部分的建筑建造于二十世纪五、六十年代，经过几十年的使用后，己有不同程度的损伤或老化，或己不能满足当前的使用要求，或己因长期失修而产生裂缝、严重变形，据估计，今后10~30年，将是我国混凝土工程维修的高峰期，维修加固费用将明显增大。同时，我国目前的基础建设每年投资高达2万亿元人民币以上，30~50年后这些工程也将进入维修期，所需的维修加固或重建费用将更为巨大。同济大学朱伯龙教授指出[4]: 21世纪是修补的世纪，这绝非危言耸听，而据美国劳工部门预测，在当今的二十一世纪，维修改造业将是最受欢迎的九大行业之一。 §1.2 植筋技术 和锚固技术相对应的锚固工艺主要有两种：一种是在混凝土浇注前放置预埋件，称之为预埋，需要考虑浇注混凝土前被锚固件的固定位置、考虑浇注混凝土过程中预埋件的准确性等问题，实际工程中常因预埋件位置不准确或遗漏预埋件等问题带来很大的问题和不必要的麻烦；另一种工艺就是后锚固技术。 后锚固是在既有工程结构上的锚固，是通过相关技术手段将被连构件（非结构构件或结构构件）连接锚固到已有结构上的技术 。相应于传统的预埋件——先锚，后锚固具有设计灵活（时间，空间位置不受限制），施工方便（ 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 制作，混凝土浇捣，结构施工及构件安装等均比较简单）等优点，是房屋装修，设备安装，旧房改造及工程结构加固必不可少的专用技术。目前应用于混凝土结构中的后锚固技术主要有两种：建筑锚栓锚固和植筋锚固。其中建筑锚栓锚固是利用建筑锚栓将连接件锚固于已有混凝土上的一种锚固方法；植筋锚固是将钢筋锚固于已有混凝土上的一种后锚固方法。下面主要介绍植筋技术。 1.2.1 植筋技术概述 在建筑物的改造，加固，补强等过程中，常常遇到建筑物中原有钢筋与新增钢筋的连接问题，过去 ，不少工程是采取把原有建筑物的混凝土保护层凿除，露出原有钢筋，再把新增钢筋与原有钢筋焊接连接，以保证共同受力，这种方法虽然可靠，但施工复杂，且对原有建筑物有一定的损害。作为一种新生的加固维修技术，植筋技术已经成为实施结构加固的重要技术手段之一，很大程度的代替了焊接技术。 植筋技术又可称为栽埋钢筋，后埋钢筋，钢筋生根等。所谓植筋就是在已有混凝土结构或构件上根据工程拟需要钢筋以适当的钻孔孔径和深度,采用粘结锚固材料使新增钢筋与混凝土粘结牢固,使新增钢筋与原有钢筋共同工作,并使新增钢筋发挥设计所期望的性能，以有效地解决新老混凝土连接，钢筋漏埋，错埋等钢筋生根问题[5]。 1.2.2 植筋技术的优点和应用 1.植筋技术的优点 在众多建筑结构加固技术中，植筋技术有其特有的技术优点，植筋技术的研究开发己成为现代建筑结构加固改造技术中极具活力的分支: （1） 设计灵活，应用广泛：根据使用需要可以在钢筋混凝土结构的任何位置，根据结构受力特征设计钢筋的数量及规格； （2） 定位精确，可靠性强：一般钢筋混凝土结构在需要与其他结构连接时均靠预留预理件，但预理件具有位置难以调整的弱点，结构功能调整后预埋件的位置将难以改变，而植筋具有灵活性，且其可靠度与预埋件相同； （3） 施工方便，施工速度快：植筋操作支模简便，一般采用能上人的脚手架即可施工，可以有效提高施工速度； （4） 工艺简单，节省工期； （5） 承载力大，对原结构影响小； （6） 可用于水平、垂直及顶部装置； （7） 施工对环境无影响。 2.植筋技术的应用 基于以上种种优点，植筋技术在维修加固工程中得到广泛应用： （1） 柱上生梁的钢筋生根锚固 2001年，在乌鲁木齐铁路国际公寓改、扩建工程中，因使用功能的改变，需对旧楼进行接长，新增的梁的主筋与原有结构的柱的连接采用了植筋锚固技术，共完成植筋276根，解决了旧楼结构改造、加固等技术难题[6]。 （2） 增层改建中的柱顶钢筋生筋锚固 山西司法学校办公楼工程原设计为四层砖混结构，因学校规模扩大，需在其上增加一层，经设计院对地基承载力、墙体强度、抗震能力等方面进行验算后，办公楼可承受加一层荷载的要求，结合图纸，新构造柱钢筋生根采用从原构造柱中植筋锚固技术，共增设构造柱56根，其中四角构造柱主筋4φ14， 其余4φ12，共226根钢筋。植筋锚固施工工序简单，操作方便，施工质量容易控制和保证，又节约资金，提高经济效益。此工程已经竣工6年有余，现无发现任何异常现象[7]。 （3） 平板连接 某工程建造过程中塔式起重机，设备预留孔洞，使得板存在暂时性的开口，用植筋技术连接板板后浇注混凝土达到预期效果，支模方便，节省了工期。 （4） 增大截面钢筋生筋 位于深圳市福田区的彩福大厦为一组高层建筑，由于改造原因，业主将两幢写字楼改为住宅楼，需对原写字楼框架柱进行“加大截面”处理，加大部位的柱纵筋需要在基础内生根，选用了CGM水泥基灌浆材料进行植筋[8]。 （5） 梁梁连接 同样的彩福大厦，设计中在裙房布置的8处东西方向布置的楼梯改为南北方向布置，已建楼梯全部被凿除，新楼梯梁与周边梁的连接选用了JGN结构胶进行植筋,植筋效果很好[8]。 （6） 悬挑连接 江西洪城大市场集团购买的洪大国际大酒店本为一商业写字楼，需改扩建为一四星级商务酒店，外观设计正面需扩建大圆弧，悬挑梁与原有建筑物的连接采用了植筋技术，达到很好的效果[9]。 （7） 其它用途 植筋技术除可用于混凝土构件中的钢筋锚固外，还可应用与其它实心建材和空心建材（如空心砖）中，还可古井栏杆、螺栓等，可用与民用建筑中安装设备管道、玻璃幕墙、大门、扶手、格栅、托架、电缆、卫生用具以及其它后装附属设施。 总之，植筋技术可以用于工程改建、扩建时钢筋混凝土结构新增构件钢筋的锚固生根，设计、施工中漏失钢筋或钢筋偏离设计位置的补救，各种结构加固维修中用于钢筋连接以及后装件的安装等各种场合。 1.2.3 植筋技术工艺流程 植筋技术的施工工艺如下： （1）​  （2）​ 钻孔：测放出植筋孔位置线，在工程拟需钢筋的位置，用电锤或者水钻根据不同钢筋直径的要求，选择不同直径的钻头和植筋锚固长度，钻出植筋孔； （3）​ 清、验孔：用专门清洗孔的气筒或刷子清除孔内破碎的混凝土粉末，然后用空压机吹出残余物，清孔工作应至少进行三次。对于有机材料，避免有水，而无机材料要用水刷孔；对清理过的孔进行检验，检验工作包括孔径、孔深是否和图纸相符，孔的干净程度是否满足工程要求，如果不，则重新进行处理； （4）​ 钢筋处理：钢筋锚固部分要清除表面锈迹及其他污物,一般采用角向磨光机配钢丝刷除锈,打磨至露出金属光泽为止,若钢筋锈蚀严重,要用稀盐酸浸泡除锈10－15分钟,后用石灰水中和,再用清水冲洗后擦干方可使用。打磨或浸泡后都要用干净脱脂棉丝蘸丙酮擦拭钢筋锚固部分； （5）​ 配胶：应严格按照说明书进行配制；本文试验采用水泥基无机粘结材料锚固剂配制重量配合比为1：0.22(水)； （6）​ 注胶：从孔的底部开始，并且使胶均匀注射，胶的使用量按孔径体积减去钢筋锚固部分体积使用，并略有富余，使钢筋插入后有少量胶液溢出为宜； （7）​ 植筋：缓慢将钢筋插入孔内,同时要求钢筋单向旋转,使结构胶从孔口溢出,排出孔内空气，待钢筋插好后,用环氧胶泥封口,以免胶在固化期间向外流淌，钢筋外露部分长度保证工程需要； （8）​ 养护：植筋施工完毕后注意保护，24小时之内严禁有任何扰动,以保证胶的正常固化； （9）​ 检验：检验时,应做拉拔试验，在锚固固定好3天后,方可进行试验，验收合格后，可以进行下道工序(验收必须符合设计图纸及混凝土加固规范)。 1.2.4 植筋所用材料的特性 1.钢筋 植筋能很好地解决在旧混凝土构件中地钢筋锚固问题，因施工需求，所植钢筋不可太长，后期施工需接长，所以主要用于非预应力筋。植筋所用的钢筋，应采用HRB400级和HRB335级带肋钢筋，钢筋的强度指标按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010规定采用。 2.混凝土基材 混凝土基材应坚实，且具有较大体量，能承担对被连接件底植筋和全部附加荷载；风化混凝土、严重裂损混凝土、不密实混凝土、结构抹灰层、装饰层等，均不得作为锚固基材；基材混凝土等级不应低于C20，基材混凝土强度指标及弹性模量取值应根据现场实测结果按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010确定[10]。 3.粘结锚固材料 与普通混凝土相比,植筋是在原有混凝土结构上进行，属二次受力的组合结构，植筋存在着钢筋——粘结锚固材料和粘结锚固材料——混凝土双重界面,因此,对植筋粘结锚固材料及其施工工艺等的要求也格外苛刻,粘结锚固材料性能的优劣直接决定着植筋效果的好坏.为了更好地研究植筋性能，必须对粘结锚固材料有一深入了解。 （1）以高分子材料为主要组分而开发成功的锚固胶及锚固技术比金属锚栓晚，仅有几十年历史。原联邦德国在1958年开始研制化学锚固胶，次年在阿玛煤矿进行了试验，于1961年获得成功。进入20世纪70年代，锚固胶有了新的发展，从矿山使用走向铁道、水利及各类建设工程的施工与改造，从而扩大了应用范围。典型应用有1971年美国加州圣佛南多地震后，对高137m的市政大厦及一座十层的医院大楼均采用结构胶修复损坏的构件，耗胶7.5吨之多:悉尼市著名的超级现代歌剧院屋盖由许多变截面扇形预制混凝土构件所制成，使用结构胶将重达10吨多的预制件粘结起来，并通过预应力筋压缩粘结成为一个整体。现在，美国、日本都制定了建筑结构胶粘剂的施工质量标准或施工规范，使结构胶得到了进一步的发展[11] [12] [13]。 我国合成胶粘剂到目前只有40多年的历史，但发展速度很快。1975年中国煤炭研究院等单位开始了研制，到1976年先后在淮南等煤矿的矿井中进行了工业试验，该年试验了三万条根，效果很好，并且通过了煤炭工业部的技术鉴定。1978年，由法国引进的辽阳化纤总厂的一座变电所楼的承载梁，因设计上配筋不足，楼房建成后，有几根梁多处出现裂纹，后经法方采用法国西尔卡杜尔31#建筑结构胶，将钢板粘贴在梁底部进行补强，达到原设计强度，恢复正常使用功能，收到了省工、省资、可靠、安全的效果。尔后1980年建设部正是下达胶的开发研究任务——“建筑结构胶及应用技术”课题，1983年由大连化物所与辽宁建科所共同完成并通过鉴定，研制出我国第一个使用的建筑结构胶品种，填补了国内这方面的空白，这就是目前市场上的“JGN胶”，其主要成份是环氧树脂[12]。发达国家的化学锚栓有了新进展，并将产品打入我国。进入90年代，1995年，瑞士的喜利得（HILTI）胶进入我国市场，随后德国的慧鱼胶(FISCHER)进入国内,国内的建筑结构胶许多新的品种（如原煤炭工业部现北京金草田的JCT型锚固树脂胶、冶金工业部的YJ型建筑结构胶等）相继问世。到达2000年，粘结剂的年产量已达180万吨以上，现在国内建筑结构胶年生产量可达到280万吨，可基本满足施工、装饰、加固、维修与密封方面的要求[11] [12]。 （2）建筑结构胶粘剂的分类 早年结构胶主要用于非结构中的一般粘结，因而它们可以是天然胶粘物质和一般合成高分子材料。新发展起来的建筑结构胶粘剂是应用于各结构构件的粘结之中，其强度要求高，综合性能好。单一组分的胶种无法满足其要求，需要将多个组分及材料进行混合或反应来制成一种多元组合物，在使用的过程中经过一定的物理化学作用，从而达到建筑结构中的使用要求。这些组成主要包括有以下几个组分:赋予建筑结构胶粘剂以粘结性能的主体材料，及与其相匹各种类型、新型锚固材料，就其主要化学组分上看可分为三大类见图1.1， 按包装分类可分为灌注式(又有现场配制和简装式)、药包式和玻璃管式，后两者将双组分从形式上变成单包装，以便于现场施工和应用。 图1.1 建筑结构胶粘剂的分类 （3）锚固用胶粘剂的选用 锚固用胶粘剂是结构植筋的关键材料，直接关系到植筋效果的好坏。目前市场上植筋胶品种较多，选用原则应该是:根据设计强度、施工环境、施工期限、施工场地等条件而定，考虑经济成本和来源问题，应对照比较，根据设计、施工要求，注意其性能参数，采用合格品。 §1.3 国内外植筋技术研究的发展与现状 1.3.1 植筋技术所面临的问题 在建筑业中，胶的种类很多，分别适用于不同的场所和对象。混凝土结构加固用胶，必须是强度高，粘结力强，耐老化，弹性模量高，线膨胀系数小，且具有一定弹性。然而，胶的弹性模量仅为混凝土的几分之一到几十分之一，胶的线膨胀系数却为混凝土的6～7倍。因此选用弹性模量高，温度变形小的胶种以满足混凝土结构用胶的需要。水泥无机粘结材料的成分主要是水泥，其弹性模量及线膨胀系数和混凝土相接近，然而国内外对无机材料的研究和开发较少[14]。 在国内，植筋加固还是一个新兴行业，植筋技术还不是很成熟，在设计理论、施工方法、承载力要求、可靠性分析、粘结剂产品认证等方面都还有待完善。目前在许多国家，包括我国，对于化学锚固尚没有专门的设计准则，或者说，在有的规范(规程)中虽有提及，但不够细，不够明确。在1992年，经中国工程设计标准化协会批准，四川省建筑科学研究院主编的《混凝土结构加固技术规范》 （CECS25:90）中提到了“植筋”的初步概念；由冶金部建筑科学研究院主编的《水泥基灌浆材料施工技术规程》（YB/T9261-98）第7部分“混凝土结构加固和改造”中，提到了“栽埋钢筋”的有关要求，但缺少详细的计算方法；由中国建筑科学研究院结构所主编的《混凝土结构后锚固技术规程》（JGJ145-2004）种很详细的介绍了后锚固技术的计算和设计方法[8]，但有关水泥基无机粘结材料植筋方面的计算还不是很充分，不能完全满足设计的要求。 当工程中需要应用这一技术时，大多数的结构工程师只能是参考生产商的建议进行设计，生产商的建议是以试验测得的平均强度为依据。对于某一品牌的胶，由于试验数据有限，其建议值的可靠度缺乏科学依据。因此，质量检测或管理部门便要求每一个工程都要进行抽样试验。这一看似科学的技术措施其实包含着很多的不确定性。从植筋的操作顺序中可以看出植筋施工的复杂程度，而且植筋施工需要的附加器具较多，对环境的要求也较高。清孔时必须将孔内尘土及浮灰清理干净，钻孔内不得有积水，户外环境温度也要在一定的范围。这些复杂的施工程序和操作要求反过来会影响施工质量，当现场管理较严时，植筋质量就好。当现场管理较差时，植筋质量就会打折扣，这就会造成植筋承载力的离散性较大。最为重要的是胶的化学成分、生产工艺不同，粘结剂的性能也大相径庭。某些产品中还会掺杂对环境有害的成分，污染环境，并对施工人员的健康构成威胁。生产工艺的差别也会影响植筋的质量。 1.3.2 国内外研究概况 植筋技术的应用和研究，国外的研究相对比较深入，对植筋技术的理论也较为成熟和系统化，欧洲许多国家对植筋技术已制定了相关的规范标准并已在实际工程中得到应用。国内有关植筋技术的研究起步较晚，对粘结剂的开发应用的研究和对植筋锚固受力性能的研究都缺乏系统性。 粘结锚固受力性能的研究，国内起步相对较晚，这方面的工作大致可分为两类： 一类是对植筋的施工工艺作了详细的总结，并就工程中出现的相关问题给出解决，提出了一些施工建议；饶少华在“植筋技术及其在建（构）筑物改造中的应用” [8]，李显华、杨滨康在“化学植筋在增层改造工程中的应用” [15]，朱民“技改工程中的结构植筋技术” [16]等中都就植筋的施工工艺和在工程中的应用提出了相关建议； 另一类是通过进行拉拔试验，进行植筋粘结锚固性能的研究。2002年，佟百龙、窦玉秋、纪全武等就影响植筋锚固的参数作了134根样本试件，研究了植筋孔径、锚固长度以及电焊对植筋锚固强度的影响，给出了施工中选用的一些参数[17]；同济大学的刘广明运用粘合理论，分析了影响粘合强度的各种因素，提出了在化学植筋设计、施工中应注意的事项，指出钢筋所能发挥的抗拉极限强度主要取决于所植钢筋的抗拉极限强度、化学粘合剂与钢筋间的粘结力以及化学粘结力与混凝土基材间的粘合力这三中因素的最小值[18]；2003年，周新刚就混凝土植筋在拉拔力作用下的破坏机理和破坏形态给出了较为明确的结果，并分析了锥体—粘结组合破坏形态下的锚固承载能力，分析了各因素对拉拔承载力的影响，得到了常见的锥体—粘结破坏的极限拉拔承载力参考公式；但他指出，植筋的应用在我国还刚刚起步，缺少必要的设计计算方法，应该进行系统的研究[19][20[21] [22]；阎锋、张惠英等在钢筋混凝土基材上进行了植筋的拉拔试验，分析了此情况下的传力机理和破坏形态，指出钢筋混凝土基材与素混凝土基材上的化学植筋在传力机理和破坏形态上有明显区别，在静力作用下锚固段钢筋应力从下向上随锚固深度见效钢筋应力逐步增大，粘结剪应力的最大值出现在钢筋刚进入屈服阶段时[23]；2001年柯梅生进行了21个结构胶植筋的拉拔试验，粘结剂选用JGJ- II型结构胶，得到了荷载一滑移的关系曲线，通过植筋的拉拔试验结果的分析，对植筋的粘结性能的影响因素作了简单的分析，并提出了植筋施工中有关技术措施的建议[5]；熊学玉为研究植筋的粘结性能，确定钢筋抗拉强度、破坏形态及其影响因素，结合某高层住宅植筋加固工程进行了植筋的拉拔试验，给出了以直径为16的植筋的荷载—滑移曲线并作了受力分析，并给出此破坏形态下的粘结强度的计算公式，提出了设计、施工建议[24]；冯金良、李德章等也就化学粘结剂植筋的拉拔试验分析研究了植筋的粘结性能[25]；周新刚、司伟建、李春祥等进行了钢筋混凝土植筋锚固构件受低周反复荷载的恢复力特性的试验研究，分析比较了植筋锚固钢筋混凝土受弯构件和钢筋混凝土整浇受弯构件受低周反复荷载的恢复力特性，探讨了植筋锚固特性；随后分析了锚固构件的延性和耗能能力，结构表明，植筋锚固构件具有较好的延性[19][20[21] [22]。 国外对于植筋锚固技术深入全面的研究也主要是在最近几年，通过十余年的研究和发展，积累了大量的试验资料，发展了一些较为成熟的工程设计计算方法并进一步向微观层面和考虑多种复杂影响因素的方向发展。植筋锚固受力性能研究的一个显著的特点是以大量的试验研究为基础。Cook从1993年至2001年在美国各大学进行了千余根的试件进行了大量的试验研究，在试验的基础上总结了破坏模式，提出了设计方法；研究了不同的荷载形式(如静荷载、疲劳荷载、冲击荷载)对粘结锚固承载力的影响；基于数值分析的试验结果，提出估计钢筋粘结锚固破坏荷载的模式；分析了如钻孔条件、混凝土强度、混凝土级配等安装前影响因素，安装后影响因素如较短的粘结养护期、高温的受力环境等对粘结锚固性能的影响，研究结果表明，对粘结锚固比较可靠的预料，只能通过对不同的产品，不同的条件进行试验的研究结果；Cook的研究结果为粘结锚固设计所用胶标准值的建立提供了基础，并被收录在美国规范中[26][27][28] [29] 。 §1.4 水泥基无机粘结材料的优越性 目前对植筋的受力性能的研究相对比较完善，但大多数的试验都是基于对有机粘结材料植筋的粘结锚固性能研究，而对无机粘结材料的研究较少，有关资料[30] [31] [32]指出： （1） 通常无机粘结锚固材料的弹性模量与被修补材料的弹性模量和线膨胀系数相接近。由于混凝土的弹性模量约为2～4 MPa,而有机质锚固材料弹性模量约为2～3 Mpa,两者弹性模量不在同一数量级,易导致该锚固材料固化后在应力作用下的变形以及随环境变化所引起的温、湿度变形与被锚固基体——混凝土材料的相应性能变化不太一致、不能很好的协调，容易造成有机锚固材料与混凝土界面粘结强度减弱甚至脱粘，成为锚固结构不安定的隐患，这类事件在实际锚固工程中常有发生。无机粘结锚固材料的基本成分和混凝土相近,其弹性模量基本在同一数量级,相应的因协调工作而产生的问题很少发生。 （2） 粘结锚固力基本上靠钢筋肋与粘结锚固材料之间的挤压力和锚固材料与混凝土之间的摩擦力来提供。植筋锚固材料随着荷载的增大, 钢筋肋处受挤压一面的锚固材料被压碎，使钢筋有可能沿锚固材料挤碎后的压实粉末形成新的较平滑的滑移面而滑动。有机类锚固材料抵抗变形的能力较差，因而摩阻力较小，在相同荷载作用下，位移略大于无机锚固材料。 （3） 无机粘结锚固材料存在固化慢，早期强度低，收缩性大，锚固强度低等缺点。有机类粘结锚固材料早期强度高，微膨胀，粘结力强。同类条件下后期强度相当。 （4） 无机类粘结锚固材料能提供足够高的液相碱度，起到足够的护筋性能。有机类粘结锚固材料密封性好，耐水，护筋性能相对较好。 （5） 无机类类粘结锚固材料的耐火耐高温性能比较好， （6） 无机类粘结锚固材料正常固化时间相对较慢。 （7） 有机类粘结材料施工难度较大,现有有机粘结材料多为两组分粘流质材料,其混合过程基本上是在一个输送螺杆中进行和完成的,对施工设备的精度和施工人员的熟练程度要求较高,横向植筋很不方便,不仅浪费材料,而且粘结性能很不均匀;同时有机类粘结材料对施工环境要求比较严格，不适于潮湿作业面的施工,施工易受室外温度,天气变化的影响,对孔洞内表面要求无灰尘,无油污,孔内干燥,否则易导致粘流体局部不硬化或硬化性能不均匀,导致应力集中,直接影响锚固结构的可靠性;无机类粘结材料多是水泥基的,可以进行湿作业,无需干燥处理，减少劳动强度，有效解决表层由于吸水或者过于光滑引起的界面粘结不牢靠等问题，而且材质的流动性不强,便于进行竖向和横向植筋,粘结性能相对均匀。 （8） 有机类粘结材料多为有毒或微毒的材料,而无机类粘结材料无毒害作用,在通风不便以及施工环境较复杂的地方较适用,减小对施工人员的危害,减小了环境污染。 （9） 有机质类锚固材料价格昂贵、应用范围狭窄。目前，国产有机质类锚固材料价格昂贵，国产制品的价格一般在30元/公斤以上，而进口制品的价格更高达200元/公斤。加上锚固作业是在己有结构中进行的，施工作业的空间较小，材料浪费量相对较大，致使结构加固费用极高，往往难以承受。更难以用于地基基础、边坡、隧道等材料用量较大的建筑工程中。 材料是建筑技发展的基础，现有植筋锚固材料存在品种少、价格高、性能需要进一步改进和提高等问题，己不能满足现代建筑加固技术发展的需要。许多专家认为，用水泥基材料修补、加固水泥基材料具有天然的相容性，可以起到良好效果，开发价格合理、性能优良的新型高性能无机质类锚固材料是建筑加固技术发展的新趋势。 §1.5 本课题研究的目的和主要内容 由以上研究现状的分析可见，国内外对植筋技术的研究发展迅速，并有一定的经验和技术基础，植筋破坏的形态以及破坏机理分析已趋于成熟，但研究的对象大多是以有机粘结材料为胶粘剂进行植筋，而对更加适用的无机粘结材料的植筋试验研究相对较少；植筋技术优点众多，已成为现代建筑结构加固改造技术的重要分支，开发价格合理、性能优良的新型高性能无机质锚固材料就显得尤为重要和迫切。通过对水泥基无机粘结材料的工程实用性分析可见，水泥基无机粘结材料是更适用于植筋技术的一种粘结材料，本文通过对河南郑州长建公司开发研制的CJC型水泥基无机粘结材料植筋锚固承载力的试验研究，分析了影响无机材料植筋性能的相关因素，并对水泥基无机粘结材料植筋的破坏形态和破坏机理进行了分析，主要研究内容如下： （1）​ 进行了90个探索性的试件，通过同条件下与预埋钢筋，有机材料植筋，以及水泥基无机粘结材料植筋后绑焊拉拔试验的极限拉拔力对比，分析此水泥基无机粘结材料植筋的工程适用性。 （2）​ 进行了98个试件的单调静力拉拔试验，考虑了不同钢筋直径，不同混凝土 强度，不同锚固长度，不同孔径等对植筋性能的影响，探讨了锚固机理； （3） 观察并分析了水泥基无机粘结材料植筋的破坏形态，分析了破坏机理； （4） 在试验基础上通过统计回归和分析，研究了各因素对植筋锚固承载力的影响； （5） 通过可靠度分析，提出了水泥基无机粘结材料锚固长度的设计建议，并提出了工程建议锚固长度和钻孔孔径； （6） 结合实际工程，分析有机材料和无机材料的性价比，并对应用实例做以介绍。 第二章 水泥基无机粘结材料植筋的探索性试验 水泥基无机粘结材料植筋在实际工程应用较少，而且研究开发性的试验相对有机粘结材料植筋较少，在研究水泥基无机粘结材料植筋粘结锚固之前，先就此材料的植筋效果和工程适用性做了部分探索性的试验。继而开展了对水泥基无机粘结材料植筋粘结锚固的试验研究。 研究水泥基无机粘结材料植筋的基本试验仍为单调静力拉拔试验，尽管受力状态与实际构件有区别，但区别不大，仍能反映水泥基无机粘结材料植筋受力的基本规律。 本文中试验所采用的水泥基无机粘结材料均为郑州长建公司提供的CJC高效植筋锚固剂,下文均以水泥基无机粘结材料做统一说明。 §2.1 探索性试验 2.1.1 试件设计 探索性试验中共设计试件90个，其中水泥基无机粘结材料植筋66个，预埋钢筋9个，植筋后通电绑焊钢筋试件9个，某有机材料植筋6个。试验基材为现浇素混凝土块，试验现场见图2.1。 图2.1 探索性试验试验现场 探索性试验中对水泥基无机粘结材料胶体的材料性能做了试验，按水泥胶砂强度检验进行试验，试件为40 40 160mm试件，严格按照养护条件进行养护，并按照加载标准进行加载，具体试验数据见表2.1；探索性试验中设计了水泥基无机粘结材料植筋的试件，以确定合适的工程用锚固长度，具体试件参数及试验结构见表2.2；在此试验结果的基础上对同锚固长度（10d或15d）、同混凝土强度下预埋钢筋与水泥基无机粘结材料植筋的极限拉拔力进行了比较，具体试件参数及试验结果见表2.3；比较同等条件下（同锚固长度，同钻孔孔径，同混凝土强度）水泥基无机粘结材料植筋与某有机粘结材料植筋效果，具体试件参数及试验结果见表2.4；对植筋后通电绑焊加长钢筋的极限拉拔力进行了检测并与通电绑焊前的极限承载力进行对比，具体试件参数及试验结果见表2.5。 2.1.2 加载及量测装置 试验用千斤顶为穿心式千斤顶，手动油泵加压，荷载传感器控制拉拔力，加载等级按《混凝土结构试验方法标准》的要求分级加载；在记录拉拔力的同时，两个对称安置的百分表测量加载端位移，自由端位移相对较小，而且出现时刻相对较晚，量测相对较困难，本试验过程中没有量测自由端位移，具体加载及量测装置见图2.2。 图2.2 加载及量测装置 §2.2 破坏形态 2.2.1 破坏形态分析 《工程结构后锚固技术》中指出锚固连接破坏形态可分为钢材破坏、混凝土基材破坏和拔出破坏三种；混凝土基材破坏主要有四种形式：混凝土锥体受拉破坏、受拉锥体与拔出混合型破坏、锚栓中心受剪混凝土沿反方向被锚栓撬坏和群锚受拉时混凝土破裂破坏；化学植筋拔出破坏又有两种破坏形式：沿胶筋界面拔出和沿胶混界面拔出[33]。 植筋传递荷载的方式与预埋钢筋或机械锚固不同，植筋锚固受力时力的传递是靠化学粘结和机械锁固来完成的。Cook等人通过对大量试验结果的分析，提出了植筋的破坏模式大致可分为以下五种类[27][28] [29]（如图2.3） a)​ 混凝土锥体破坏； b)​ 沿胶混界面破坏，钢筋与粘结材料共同拔出，顶部带有混凝土浅锥体破坏； c)​ 沿胶筋界面破坏，顶部带有混凝土浅锥体破坏； d)​ 混合界面破坏，即混凝土——粘结材料、粘结材料——钢筋两个界面同时破坏，顶部带有混凝土浅锥体破坏； e)​ 钢筋破坏，钢筋断裂前顶部带有混凝土浅锥体破坏。 图2.3 水泥基无机粘结材料植筋的破坏形态 探索性试验过程当中水泥基无机粘结材料植筋的破坏形态也有如下几种： 沿胶筋界面拔出，钢材破坏，沿胶混界面拔出和受拉锥体与拔出混合型破坏，但混凝土 锥体破坏没有发生。浅锥体面积不大，深度不深，约为3～6mm。 §2.3 探索性试验分析结果 2.3.1 胶体强度分析 水泥基无机粘结材料胶体平均抗压强度可达到47.1Mpa。从图2.4可以看出，水泥基胶体抗压强度在龄期为1d的时候强度可达到60%左右，在7d可达到90%左右，早期强度较大，能有效的利用在植筋工程中，满足施工的要求，提前工期。 表2.1 胶体材性试验表 天数(d) 试 件 养护方式 胶体抗折 (N) 胶体抗压(kN) 抗折强度(Mpa) 抗压强度(Mpa) 1 2 1 1 同等条件 900 64 71 5.79 26.2 2 同等条件 2600 65 64 3 同等条件 2350 68 65 7 1 标准养护 5080 101 96 12.71 41.7 2 标准养护 5740 109 107 3 标准养护 5480 109 100 28 1 标准养护 6490 109 120 16.36 47.1 2 标准养护 6800 119 110 3 标准养护 7680 122 133 图2.4 水泥基无机粘结材料胶体抗压强度随龄期的变化 2.3.2 与钢筋拉拔强度标准值相比较 比较结果见表2.2 表2.2 水泥基无机粘结材料植筋工程适用锚固长度探索表 试验编号 钢筋直径（mm） 混凝土设计强度 植筋孔径D(mm) 锚固长度(mm) 设计拉拔力 极限拉拔力 备注 1 6 C30 10 60 6.7 8.0 20.1 胶混破坏 2 6 C30 10 60 6.7 8.0 20.1 胶混破坏 3 6 C30 10 60 6.7 9.4 40.6 胶混破坏 4 8 C30 12 80 11.8 21.6 82.7 胶混破坏 5 8 C30 12 80 11.8 22.5 90.3 胶混破坏 6 8 C30 12 80 11.8 18.4 55.9 胶混破坏 7 10 C30 14 100 18.4 23.9 29.4 胶混破坏 8 10 C30 14 100 18.4 22.5 22.0 胶混破坏 9 10 C30 14 100 18.4 23.4 27.0 胶混破坏 10 12 C30 16 120 37.9 42.9 13.3 混合破坏 11 12 C30 16 120 37.9 45.2 19.3 混合破坏 12 12 C30 16 120 37.9 49.7 31.3 混合破坏 13 14 C30 18 140 51.6 70.2 36.1 混合破坏 14 14 C30 18 140 51.6 72.4 40.5 混合破坏 15 14 C30 18 140 51.6 72.4 40.5 混合破坏 16 16 C30 20 160 67.4 81.5 21.0 混合破坏 17 16 C30 20 160 67.4 81.5 21.0 混合破坏 18 16 C30 20 160 67.4 88.3 31.1 混合破坏 19 18 C30 22 180 85.3 108.7 27.5 混合破坏 20 18 C30 22 180 85.3 104.2 22.2 混合破坏 21 18 C30 22 180 85.3 95.1 11.6 混合破坏 22 20 C30 25 200 105.3 140.5 33.5 混合破坏 23 20 C30 25 200 105.3 149.6 42.1 混合破坏 24 20 C30 25 200 105.3 154.1 46.4 混合破坏 25 22 C30 28 220 127.3 176.8 38.8 混合破坏 26 22 C30 28 220 127.3 204.0 60.2 混合破坏 27 22 C30 28 220 127.3 190.4 49.5 混合破坏 28 25 C30 32 250 164.5 235.8 43.4 混合破坏 29 25 C30 32 250 164.5 235.8 43.4 混合破坏 30 25 C30 32 250 164.5 226.7 37.9 混合破坏 31 8 C30 12 120 11.8 18.4 55.8 胶混破坏 32 8 C30 12 120 11.8 18.9 59.7 胶混破坏 33 8 C30 12 120 11.8 15.7 32.8 胶混破坏 34 25 C30 32 375 164.5 204.0 24.1 混合破坏 35 25 C30 32 375 164.5 231.3 40.6 混合破坏 36 25 C30 32 375 164.5 222.2 35.1 混合破坏 37 22 C30 28 330 127.3 136.0 6.8 混合破坏 38 22 C30 28 330 127.3 140.5 10.3 混合破坏 39 22 C30 28 330 127.3 167.7 31.7 混合破坏 40 20 C30 25 300 105.3 131.4 24.9 混合破坏 41 20 C30 25 300 105.3 122.3 16.2 混合破坏 42 20 C30 25 300 105.3 122.3 16.2 混合破坏 43 6 C30 10 90 6.7 8.0 20.1 胶混破坏 44 6 C30 10 90 6.7 — — 失败 45 6 C30 10 90 6.7 — — 失败 46 10 C30 14 150 18.4 24.8 34.3 胶混破坏 47 10 C30 14 150 18.4 22.5 22.0 胶混破坏 48 10 C30 14 150 18.4 24.8 34.3 胶混破坏 49 12 C30 16 180 37.9 — — 原来拉断 50 12 C30 16 180 37.9 45.2 19.3 混合破坏 51 12 C30 16 180 37.9 49.7 31.3 混合破坏 52 14 C30 18 210 51.6 63.4 22.9 钢筋拉断 53 14 C30 18 210 51.6 86.0 66.9 钢筋拉断 54 14 C30 18 210 51.6 67.9 31.7 钢筋拉断 55 16 C30 20 240 67.4 86.0 27.7 钢筋拉断 56 16 C30 20 240 67.4 86.0 27.7 钢筋拉断 57 16 C30 20 240 67.4 86.0 27.7 钢筋拉断 58 18 C30 22 270 85.3 108.7 27.5 钢筋拉断 59 18 C30 22 270 85.3 104.2 22.2 钢筋拉断 60 18 C30 22 270 85.3 104.2 22.2 钢筋拉断 由表2.2可以看出，在水泥基无机粘结材料植筋的锚固长度为10d及15d时，钢筋在拉拔试验下都能够达到屈服强度的标准值，并且极限拉拔力都相对较高，平均提高33.2%；在锚固长度为10d时，光圆钢筋拔出，变形钢筋破坏形态为混合破坏，且都能达到设计要求，并提高较多；在锚固长度为15d时，光圆钢筋发生混合破坏，变形钢筋有部分被拉断，完全满足设计要求，并且有较大的安全储备。 2.3.2 与预埋钢筋拉拔力进行比较 预埋钢筋在锚固长度较小的情况下，基本发生粘结锚固破坏，一般不能使钢筋屈服，在分析植筋能否代替预埋钢筋应用在施工中，进行了9组试件进行试验，数据见表2.3； 试验试件数量虽然较少，但从表2.3中能看出植筋较预埋钢筋极限拉拔力均有较大提高。 表2.3 预埋与植筋极限拉拔力比较 试验编号 水泥基无机粘结 材料植筋 预埋 S114-140-18 1 70.0 52.0 24.5 2 72.0 61.1 3 72.0 58.8 S116-160-20 1 82.0 77.0 13.6 2 82.0 7