加固规范中粘钢胶和植筋胶试验方法的分析和探讨

　　日前，国家标准《建筑结构加固工程施工质量验收规范》已经报批，建筑物鉴定与加固规范管理委员会网站公布了规范报批稿内容，同时，正在修编中的《混凝土结构加固设计规范》GB50367也对加固工程中常用的植筋胶试验方法进行了规定，其金属间拉伸剪切试验，由钢板对钢板代替了钢套筒试验方法，引起了各方广泛的讨论。
　　“没有比照就没有试验”，本文主旨在于：通过试验结论的比对，分析试验方法是否科学。比照试验选取了市场上知名公司的植筋胶产品。比照结论认为，采用与实际使用状态不相关的试验方法不能证实产品质量的优劣。
　　另外，对比我国和欧洲的试验要求，我国规范中偏重物理化学指标，但又没有给出理化指标和实际使用效果的相关性，并且没有对实际使用状态中可能出现的各种情况进行试验。所以，植筋胶具有很好的试验结论并不代表其在建筑结构中具有很好的使用效果，可能存在质量隐患。因此，理化指标和实际使用效果相关性研究以及模拟真实使用状态试验方法研究非常重要。建筑类规范中此类问题多有存在，应当引起重视。加固规范中粘钢胶和植筋胶试验方法的分析和探讨。
　　 1、建筑结构胶发展状况
　　1980年，建设部下达了“建筑结构胶粘剂研制及应用技术推广”的课题，中科院大连化物所与辽宁建科院于1983年完成了课题，研制出我国第一个实用型——JGN型建筑结构胶粘剂，首先用于粘钢工程。上世纪80年代末至今，多家企业和研究机构投入建筑结构胶（粘剂）的研究，目前产品已超过60种，包括粘钢胶、植筋胶、粘碳纤维胶、裂缝修补胶等。2008年统计资料显示，国内有三百余家注册生产并销售建筑结构胶的企业，还有几十家外资与合资企业在国内生产或销售建筑结构胶，其中环氧建筑结构胶约占80％左右。
　　2008年5•12汶川地震以后，除了日常的加固改造项目之外，抗震加固项目也大量增加。对建筑结构胶粘剂的产品质量提出了新的要求。目前，我国尚缺乏完善的建筑结构胶产品标准，因此，制定合理、统一的检验标准和试验方法非常紧迫。据了解，粘钢胶、粘碳纤维胶的标准已经制定或正在制定之中，而植筋胶产品标准尚未制定，但相关规范多有涉及。
　　2、国内涉及植筋胶试验方法的标准、规范简介
　　2.1涉及标准名称 
　　如前述及，涉及植筋胶性能要求的规范在出版、报批和汇总稿阶段的均存在，某些规范对植筋胶性能要求存在重叠和矛盾之处。已经出版实施的规范有：《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006，《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2004。正在报批的规范有：国标《建筑结构加固工程施工质量验收规范》(报批稿，以下简称“加固施工验收规范报批稿”)，其中粘钢胶和植筋胶的主要试验方法与送审中的行业标准《粘钢加固用建筑结构胶》相似。正在编写的规范有：国标《建筑结构加固材料安全性鉴定技术规范》。
　　2.2标准中植筋胶试验方法简介 
　　GB50367强制性条文4.5.6和4.5.7对试验主项，即承载能力的规定为：钢套筒法检测拉伸抗剪强度以及建立在此基础之上的90d湿热老化试验和冻融循环试验，对于重要结构采用的A级胶，强度标准值不得小于16MPa，湿热老化试验强度下降不得大于10%，冻融循环试验强度下降不得大于5％。
　　JGJ145条文3.3.2和3.3.3规定锚固胶按使用形态分为管装式、机械注入式和现场配制式，并仅对环氧基锚固胶的性能进行了规定，试验主项规定钢板间拉伸抗剪强度标准值不得小于14MPa（试验方法为《胶粘剂拉伸剪切强度测定方法（金属对金属）》GB/T7124-86）。同时在条文说明中指出“对于无机锚固胶和进口胶，其性能应由厂家通过专门的试验确定和认证”，说明规范出版阶段对于无机植筋胶和进口胶的性能尚在研究之中。主编人在两年后发表的题为《建筑结构胶应用中的若干问题及建议》的文章中阐明“粘结型锚栓的锚固力与粘钢加固完全不同，胶与混凝土界面以及胶与钢筋界面的锁键或剪切摩擦作用在一定情况下可能起主导作用，应对胶的作用和性能（包括骨料、填料的组成）、基材性状、锚固参数、相应的破坏形态进行综合分析”。
　　“加固施工验收规范报批稿”条文4.4.2规定，结构胶粘剂（包括植筋胶）安全性能复验采用的测定方法应符合下列规定：①钢板间拉伸抗剪强度应按现行国家标准《胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）》GB/T7124-2008测定，强度标准值不得小于16MPa；②钢板与混凝土正拉粘结强度不得小于2.5MPa，并为混凝土内聚破坏。
　　《粘钢加固用建筑结构胶》（送审稿）对于粘钢胶的规定可以作为比照，钢板间拉伸抗剪强度不得小于14MPa，钢板与混凝土正拉粘结强度的要求与“加固施工验收规范报批稿”一致，即不小于2.5MPa且破坏发生在混凝土中。
　　国标《建筑结构加固材料安全性鉴定技术规范》处于汇总稿阶段，其对植筋胶试验方法的规定尚未成文。
　　值得注意的是，由于我国目前缺乏产品标准和认证体系，即市场准入制度，所以，设计、施工和技术规范都采用大篇幅条款，对产品的指标、性能甚至试验方法加以规定，由于规范制定中认识程度的不同，导致矛盾条款发生。
　　3、植筋胶和粘钢胶在实际使用中的受力状态和适宜的试验方法分析
　　3.1植筋胶和粘钢胶实际使用状态的区别 
　　根据建设部建标[1998]58号文的要求，我国第一本与后锚固植筋胶相关的行业标准开始由中国建科院和大连化物所等编写，自此，开始了植筋胶试验方法的探讨，多个认识循环之后，业内更加认同采用与实际使用状态相同或相近的试验方法，用来检测钢筋通过植筋胶与混凝土之间的传力性能和建立在此基础之上的老化性能。实验室普遍采用与实际情况相同或接近的方式进行模拟试验，国标GB50367规定的钢套筒法模拟了这一过程。植筋过程即是将带肋钢筋放到已经注入植筋胶的粗糙混凝土孔壁的钻孔中，胶的两侧分别是弧形带肋钢筋/螺杆和粗糙的混凝土弧面，植筋胶的工作原理包括粘结、锁键、摩擦原理，有些植筋胶通过锁键和摩擦原理对承载能力贡献率占绝对优势。GB50367条款12.1.4规定：种植用的钢筋需采用带肋钢筋，“加固施工验收规范报批稿”条款19.1.1的条文说明“不得采用光圆钢筋”都说明了锁键和摩擦原理的重要作用。
　　随着植筋埋深的增加，植筋破坏形式由混凝土锥体、钢筋拔出、钢筋拉断、混凝土整体破坏渐次发生，而非钢板粘结钢板之间的拉伸剪切破坏。钢板间的粘结试验标准GB/T7124-2008中条款5.3的规定是：“胶粘剂的应用和固化应按其制造厂商的要求或其他适当的材料标准进行”，金属片表面的处理以及涂胶操作与植筋胶施工安装不同，尚无植筋胶材料标准，无法按照“厂商要求和材料标准”进行，且已有试验表明，采用金属钢片进行检测拉伸抗剪强度时，人为因素会造成试验结果的离散性有很大的差异，很难体现检测的公正性和准确性。
　　3.2使用粘钢胶试验方法检验植筋胶不合理 
　　基于上述原因，“加固施工验收规范报批稿”条款4.4.5以强制性条文限制使用植筋-粘钢两用胶，但使用同一试验方法以及相近的主控指标检验植筋胶和粘钢胶，似有矛盾之嫌。钢板和钢板之间的拉伸抗剪试验（包括钢板对混凝土的正拉粘结试验），适用于粘结能力的检测，无法检测锁键、摩擦能力，胶的两侧均是光滑的钢板，与植筋胶实际工作原理相背离，和植筋胶质量与安全的相关性无法判别，试验指标的高和低，都不能反映植筋胶在结构中的使用情况和承载能力，以此用来检验植筋胶有试验模型错误之嫌，所以建立在此模型基础之上的90d或7d老化性能试验也因此失去了意义。施载时，粘钢应力和植筋应力状态不同（见图1、2）。
　　
　　4、实验室试件制备过程中存在的问题
　　4.1依据国标GB/T7124制备试件 
　　化学实验室认为，试验方法GB/T7124，即钢板和钢板之间的拉伸抗剪试验（也包括钢板对混凝土的正拉粘结试验）适用于无固体不溶性填料的“剂”类，该方法等效采用了ISO4587-1979,ISO组织在2003年出版了该标准第三版，内容略有变化。若将此试验外延至“胶”类，需要考虑固体颗粒的影响。植筋胶、尤其非环氧基植筋胶，为了增大承载能力，即增大锁键和摩擦力，填入了一定粒径和级配的固体材料，因此植筋胶被归纳到“富填料”胶类之中。由于固体颗粒的存在，无法在钢板间形成连续均质的胶体抹平层；如果假定抹平层均质，由于粒径不一，仍无法规定统一厚度；固体颗粒占位后，抹平层无法与钢板全面粘结，导致“剂”薄厚不均。2008年12月实施的GB/T7124-2008比1986年版增加了胶层厚度控制方法，但植筋胶在此试验操作上无法统一技术要求，以上因素将直接影响试验结果的真实性和公正性。
　　4.2依据国标GB50367制备试件 
　　GB50367附录J规定：“钢套筒法适用于以富填料结构胶粘剂为粘结材料粘合带肋钢筋与钢套筒的拉伸抗剪强度测定，也可用于高强聚合物砂浆粘合钢丝绳与钢套筒的拉伸抗剪强度测定；为富填料粘结材料的专用方法，不得用于测定其他用途胶粘剂的拉伸抗剪强度”。图3为钢套筒的试验设备器件。规范编写过程中，为了真实模拟混凝土钻孔孔壁的粗糙度，将混凝土钻孔剖面作为比对物，最终将钢套筒内壁定义为螺距4mm、深度0.4mm的梯形螺纹，如图4所示；规范讨论过程中，曾经试验的深度为0.2mm的梯形螺纹（放大镜下照片）如图5所示。直径12mm的钢筋，在浅埋深并有约束的状态下，避免了钢筋被拉断和锥体破坏形式，拔出破坏真实有效的模拟了实际状态下植筋胶的强度水平。
　　
　　试验表明，某些高强聚合物砂浆也可以在钢套筒试验中获得不错的试验效果，但是无法通过GB50367强制条文4.5.6规定的劈裂抗拉、抗弯和抗压强度试验，这些指标相互制约，可以将植筋胶分成不同质量等级。
　　5、比照试验结果分析
　　5.1依据GB50367的试验结果 
　　比照试验是科学研究常用的一种试验方法，常言“没有比照就没有试验”。一般地，试验方法应使质量可靠、受到市场认可的知名产品得以保留，否则应该调整和改进试验方法。自GB50367于2006年6月颁布到2009年6月三年间，建设部建筑物鉴定与加固规范管理委员会网站上公布的A级植筋胶企业国内共有8家，国际共有3家，将这3家产品分别简称为500xxx、680xxx、360xxx。将使用质量较好的500xxx、360xxx两种植筋胶产品进行比较，依据GB50367的主要试验要求，在成都四川省级建筑工程实验室检验钢套筒法拉伸抗剪强度标准值和90d湿热老化后强度降低百分率，可知，其数据分别为22.2MPa,3.5%和19.7MPa,4.3%，均优于A级胶标准16MPa和10%。
　　5.2依据“加固施工验收规范报批稿”的试验结果 
　　依照“加固施工验收规范报批稿”的试验要求，500xxx和680xxx在北京国家级化学建筑材料实验室得到的钢板间拉伸抗剪强度标准值分别为17.9MPa和9.6MPa，500xxx满足此试验方法A级胶不小于16MPa的要求，680xxx不满足要求，而其他几家实验室给出的360xxx的试验结果则远低于此要求。GB50367条款4.5.6规定“种植锚固件的胶粘剂，必须采用专门配置的改性环氧树脂或改性乙烯基酯类（包括改性氨基甲酸酯胶粘剂）”。500xxx属于改性环氧类植筋胶（慢凝型），360xxx属于改性乙烯基酯类植筋胶（快凝型），680xxx居中；其中，360xxx不溶性固体填料的比例高于500xxx。
　　5.33种知名国际产品的比较结果 
　　比较结论见表1（其中“加固施工验收规范报批稿”简称“报批稿”）。
　　
　　由表1可知，“剂”类产品，即改性环氧类、不溶性固体填料少的产品较易通过钢板间拉伸抗剪试验。而改性乙烯基酯类（包括改性氨基甲酸酯胶粘剂）远低于指标要求，无法通过这项试验，与改性环氧类处于不同数量级。实际工程中粘钢工艺需要对钢板表面和混凝土表面进行打光处理，涂胶施工时需要避开风沙天气；而植筋工艺要求混凝土孔壁粗糙。因此钢套筒试验方法模拟了植筋胶实际使用状态，钢板间拉伸抗剪试验方法模拟了粘钢胶实际使用状态。
　　6、我国和欧洲植筋胶试验标准的比较
　　国际上关于植筋胶的试验要求已经成熟，比如欧洲技术批准机构EOTA2006年11月颁发的技术文件TR23“后锚固植筋连接评述”，给出了植筋胶的性能评价要求，其中部分试验方法引用了其在2002年3月颁布的“技术批准指南”ETAG001第5部分粘结型锚栓的一些内容。
　　关于植筋胶试验规定，我国设计规范GB50367有8项，施工规范“加固施工验收规范报批稿”有7项，共计15项；欧洲标准共有7项设计规定（16~22项）和4项施工规定（23~26项），共计11项。
　　欧洲标准的全部试验方法均基于实际使用状态，在混凝土中钻孔、注胶、植入钢筋，以基材混凝土C25和C60上的拉拔粘结强度作为基础（16，17项），将其他试验的结论与这两项试验进行比照，形成完整系统，其比照关系、因果关联较为清晰。
　　我国标准除了设计规范以钢套筒模拟混凝土基材之外，仅有C30和C60混凝土上拉拔粘结强度试验共2项基于植筋的实际使用状态，但是，并不以此作为比照试验的基础，而是选择了与实际使用状态不同的钢板间（包括钢板混凝土间）试验作为比照试验的基础，进行湿热老化试验。同时将大量试验建立在无混凝土基材、无钢筋参与的理化指标试验之上。理化指标、混凝土C30/C60基材和钢-钢试验结论的比照关系、因果关系不明确。比如，理化指标较好的植筋胶，可能在实际使用状态下即混凝土基材上的性能低劣，因此，尚需大量试验确认两者的相关性。也存在质量较好的植筋胶胶体缺乏正确注胶工具，导致实际使用效果较差的现象。
　　欧洲标准从设计角度强调了潮湿混凝土基材影响、高低温下持续荷载作用、酸碱环境下耐久性，电化学腐蚀作用的试验要求，从施工角度强调了不利状态的最大埋深、最高温度、向上注胶、注胶充盈度、清孔程度等的试验要求。
　　尽管我国标准试验项目很多，但是缺乏针对上述关键项目的要求。
　　7、结论和建议
　　1）植筋系统是将固定物——混凝土、被固定物——钢筋，通过粘结剂——植筋胶连接在一起。产品试验应包括这三个重要因素，不应替换为关联度不可知的其他因素。
　　2）安装过程和钻孔方向、注胶设备、清孔状态相关，加固施工验收规范应考虑这些因素。
　　3）建议降低理化指标试验的比重，并研究理化指标和实际使用状态的相关性。
　　4）增加与实际使用状态相关的重要试验项目，尤其是增加混凝土承重结构与设计施工相关的试验项目。
　　5）按照实际使用状态或者模拟使用状态的试验方法是科学合理的。移植粘钢胶试验方法检验植筋胶，与植筋胶实际使用状态不符，试验结论与植筋胶使用性能的关联度无法判定。
　　6）建议尽早编制产品标准《植筋用建筑结构胶》，提高后锚固结构的安全水平。
　　参考文献：
　　[1]GB503657-2006混凝土结构加固设计规范.
　　[2]JGJ145-2004混凝土结构后锚固技术规程.
　　[3]建筑结构加固工程施工质量验收规范（报批稿）.
　　[4]GB/T7124-2008胶粘剂拉伸剪切强度的测定.
　　[5]EOTATR023EditionNovember2006“Assessmentofpost-installedrebarconnections”.
　　[6]EOTAETAG001Part5EditionMarch2002“BONDEDANCHORS”.
　　[7]李蔚萍，王聪慧，张宇.我国后锚固规范体系探讨.建筑结构技术通讯，2008，(3).
　　[8]万墨林.建筑结构胶应用中的若干问题及建议.建筑结构，2006，(9).