丁超　茍曉鋒

摘 要：為提升后錨固法混凝土植筋結(jié)構(gòu)的強度控制結(jié)果，研究分別使用現(xiàn)場試驗法和仿真試驗法，對混凝土預(yù)澆筑墻的植筋結(jié)構(gòu)強度影響因子進行研究。結(jié)果表明：樹脂結(jié)構(gòu)膠和硅酮結(jié)構(gòu)膠的數(shù)據(jù)表現(xiàn)顯著優(yōu)于環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠;仿真表明：結(jié)構(gòu)膠的固化成型質(zhì)量是影響混凝土預(yù)澆筑墻后錨固植筋結(jié)構(gòu)強度的關(guān)鍵因子，其次為錨固長度及錨固長度在植筋長度的比值。試驗系統(tǒng)測量誤差與植筋結(jié)構(gòu)的施工實現(xiàn)方式無關(guān)（P<0.05），與試驗系統(tǒng)的安裝工藝和試驗過程控制有關(guān)（P<0.01）。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)膠;后錨固法;植筋結(jié)構(gòu);混凝土抗壓試驗;試驗精度

中圖分類號：TQ436+.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）05-0023-06

Analysis and study on the accuracy test of structural adhesive on concrete compressive strength

Abstract： In order to improve the strength control results of reinforced concrete structure with post anchorage method， the field experiment method and simulation experiment method are used to study the strength influence factors of reinforced concrete structure with precast wall. The results show that the data performance of resin structural adhesive and silicone structural adhesive is significantly better than that of epoxy structural adhesive. The simulation results show that the curing quality of structural adhesive is the key factor affecting the structural strength of anchor embedded reinforcement after concrete precast wall construction， followed by the anchorage length and the ratio of anchorage length to embedded reinforcement length. The measurement error of the experimental system has no relation to the construction implementation mode of the embedded reinforcement structure （P<0.05）， but is related to the installation process and experimental process control of the experimental system （P<0.01）.

Key words：? structural adhesive;post anchoring method;planting steel bar structure;concrete compression test;

Experimental accuracy

砌塊結(jié)構(gòu)的植筋過程，需要進行后錨固抗拔試驗，確定植筋結(jié)構(gòu)的可靠性。采用結(jié)構(gòu)膠作為膠粘劑，如使用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠、硅酮結(jié)構(gòu)膠、樹脂結(jié)構(gòu)膠等，可以實現(xiàn)較短的施工周期、較低的施工成本完成植筋工藝[1-2]。

相關(guān)文獻提及的基于經(jīng)驗系數(shù)的植筋結(jié)構(gòu)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(biāo)均對植筋結(jié)構(gòu)強度有直接影響[3-4]。但實際現(xiàn)場施工質(zhì)量控制中，以及相關(guān)植筋強度試驗過程中，均發(fā)現(xiàn)單純使用這些控制因素難以實現(xiàn)對植筋結(jié)構(gòu)強度的有效控制[5]。所以有必要對植筋結(jié)構(gòu)成型過程進行全面研究，以尋找影響植筋結(jié)構(gòu)強度的敏感控制因子。相關(guān)研究多采用現(xiàn)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[6]。

該研究在現(xiàn)場試驗中考察了不同成分膠粘劑對植筋結(jié)構(gòu)強度的影響，在仿真試驗中考察了植筋結(jié)構(gòu)控制因子對植筋結(jié)構(gòu)強度的影響，研究不同成分結(jié)構(gòu)膠粘劑的混凝土抗壓強度測試精度問題，探討結(jié)構(gòu)膠粘劑錨固質(zhì)量在混凝土砌塊結(jié)構(gòu)植筋過程的試驗控制過程[7]。

1 結(jié)構(gòu)膠粘劑后錨固法現(xiàn)場測試

1.1 現(xiàn)場試驗設(shè)計

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

由圖1可知，使用液壓缸配合支撐架拉拔經(jīng)過充分錨固固化的植筋試驗結(jié)構(gòu)，通過不同壓力狀態(tài)下的破壞程度，包括鋼筋結(jié)構(gòu)拔出、錨固結(jié)構(gòu)拔出、墻體結(jié)構(gòu)破壞等。該試驗可應(yīng)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(jié)構(gòu)，而該研究重點針對混凝土砌塊墻體[10-12]。

因為該研究重點考察試驗系統(tǒng)的可靠性和試驗精度，所以專門構(gòu)建基于混凝土砌塊結(jié)構(gòu)的標(biāo)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(yù)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(huán)氧結(jié)構(gòu)膠、硅酮結(jié)構(gòu)膠、樹脂結(jié)構(gòu)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(shù)量不少于50個。試驗中每組試驗50個植筋結(jié)構(gòu)，通過6倍標(biāo)準(zhǔn)偏差率法（6σ）評價試驗系統(tǒng)精度。

數(shù)據(jù)分析方面，使用SPSS分析軟件下的雙變量t校驗結(jié)果比較數(shù)據(jù)差異，當(dāng)t<10.000時，認為存在統(tǒng)計學(xué)差異，當(dāng)P<0.01時，認為存在顯著的統(tǒng)計學(xué)意義，當(dāng)P<0.05時，認為存在可置信的統(tǒng)計學(xué)意義，且t值越小，認為數(shù)據(jù)差異性越大，當(dāng)P值越小，認為數(shù)據(jù)可置信程度越高。

1.2 現(xiàn)場試驗過程數(shù)據(jù)分析

建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)最終分析結(jié)果，一般使用結(jié)構(gòu)抗壓強度表示，如：C20級別表示結(jié)構(gòu)抗壓強度在20 MPa以上，C30級別表示結(jié)構(gòu)抗壓強度在30 MPa以上。而該試驗通過后錨固植筋結(jié)構(gòu)的抗拔試驗控制植筋結(jié)構(gòu)的抗壓強度，數(shù)據(jù)傳導(dǎo)邏輯較為復(fù)雜，中間不可控過程較多，所以，即便試驗系統(tǒng)本身的可靠性、穩(wěn)定性達到規(guī)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(shù)據(jù)傳導(dǎo)轉(zhuǎn)化過程開展數(shù)據(jù)驗證過程。因為該過程并不存在標(biāo)準(zhǔn)答案，所以，采用相關(guān)文獻中較多采用的6倍標(biāo)準(zhǔn)偏差率法（6σ）評價試驗系統(tǒng)精度[8-9]。

試驗中，對比不同結(jié)構(gòu)膠條件下分別試驗50次后的后錨固植筋結(jié)構(gòu)抗壓強度測試值與其測試精度的關(guān)系，如表1所示。

表1中，共進行6組試驗，分別針對設(shè)計目標(biāo)在C20和C30的植筋結(jié)構(gòu)，分別采用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠、樹脂結(jié)構(gòu)膠、硅酮結(jié)構(gòu)膠的試驗，每組測試50個植筋結(jié)構(gòu)，得到上述結(jié)果。系統(tǒng)測試的實測值均值中，不論設(shè)計目標(biāo)為C20級別還是C30級別，環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的最終實測均值略低，樹脂結(jié)構(gòu)膠和硅酮結(jié)構(gòu)膠略高，樹脂結(jié)構(gòu)膠較環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠分別高出14.70%和16.23%，硅酮結(jié)構(gòu)膠較環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠分別高出19.85%和14.10%，硅酮結(jié)構(gòu)膠和樹脂結(jié)構(gòu)膠的實測抗壓強度均值之間差異在±5%以內(nèi)，但使用SPSS下雙變量t校驗方法將三者數(shù)據(jù)兩兩比對，t<10.000，P<0.01，均具有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異。而6倍標(biāo)準(zhǔn)偏差率方面，三者數(shù)據(jù)兩兩比對，均得到t>10.000，P<0.05的結(jié)果，即在相同測試環(huán)境下，三者測量誤差率無統(tǒng)計學(xué)差異且比較結(jié)果數(shù)據(jù)在置信空間內(nèi)。

分析上述數(shù)據(jù)的產(chǎn)生原因，可以發(fā)現(xiàn)以下2點規(guī)律：

（1）通過拉拔試驗獲得植筋結(jié)構(gòu)的抗壓強度，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均值差異性來自植筋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)膠本身的化學(xué)力學(xué)差異性和結(jié)構(gòu)力學(xué)差異性，并非來自試驗系統(tǒng)自身的測量誤差差異性。使用同一套測量系統(tǒng)獲得的測量誤差，與實際采用的結(jié)構(gòu)膠成分和施工工藝無關(guān)。所以，植筋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)力學(xué)抗壓強度存在t<10.000且P<0.01的顯著統(tǒng)計學(xué)差異，而其測量誤差之間無統(tǒng)計學(xué)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(tǒng)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(guān)研究中均討論了植筋結(jié)構(gòu)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(xiàn)場的試驗操作中，有必要對相關(guān)試驗過程加強控制，使其更接近于試驗室操作環(huán)境，以提升試驗精度。

2 結(jié)構(gòu)膠粘劑后錨固法測試仿真試驗

2.1 試驗設(shè)計

在建筑CAE中加載相關(guān)控件，輸入混凝土、膠粘劑、鋼筋參數(shù)構(gòu)建有限元仿真模型?；炷羺?shù)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(huán)試驗、拉力循環(huán)試驗等。膠粘劑參數(shù)來自膠粘劑預(yù)固化結(jié)構(gòu)的試驗室液壓試驗，試驗項目同混凝土。鋼筋參數(shù)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(huán)試驗等。上述有限元模型如圖2所示。

由圖2可知，A×B為模型中考察的混凝土澆筑墻體面積，A=B>300 D，d為鋼筋直徑，D為鉆孔直徑，1.10 d

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(zhì)量的條件下實現(xiàn)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(shù)據(jù)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LS與植筋抗拔強度之間的仿真試驗，基于隨機數(shù)發(fā)生器，考察不同鋼筋直徑d、鉆孔直徑D、植筋深度L，每錨固長度下執(zhí)行50次仿真，求取平均值，仿真結(jié)果歸納如圖3所示。

由圖3可知，錨固長度LS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LS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(jīng)濟植筋強度，在混凝土澆筑墻體中實現(xiàn)植筋，則植筋錨固長度控制在150～250 mm。觀察仿真結(jié)果，植筋結(jié)構(gòu)的破壞形式如表2所示。

由表2可知，隨著錨固長度增加，墻體結(jié)構(gòu)破壞的概率快速增加，鋼筋結(jié)構(gòu)破壞的概率快速下降，而錨固結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形態(tài)對植筋強度的影響，求取錨固長度LS與植筋深度L之間的比值，同樣在隨機數(shù)引擎驅(qū)動下，對不同的鋼筋直徑d、鉆孔直徑D、植筋深度L、錨固長度LS條件下進行仿真結(jié)果統(tǒng)計，每種錨固長度比條件仿真測試50次，如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)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(xiàn)下降沿;當(dāng)錨固長度比達到80%以上時，植筋抗拔強度快速下降。發(fā)現(xiàn)植筋結(jié)構(gòu)中非錨固段起到不可或缺的結(jié)構(gòu)力學(xué)作用，因為錨固段的鋼筋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，造成植筋結(jié)構(gòu)破壞，從而影響植筋結(jié)構(gòu)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(jīng)驗認為，植筋結(jié)構(gòu)的鋼筋直徑增加會增加植筋結(jié)構(gòu)的抗拔強度，但前文試驗中發(fā)現(xiàn)，錨固結(jié)構(gòu)和墻體結(jié)構(gòu)的強度是植筋結(jié)構(gòu)的脆弱點。為驗證這一關(guān)系，在上述仿真環(huán)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(jié)果統(tǒng)計如圖5所示。

由圖5可知，由于限定了鉆孔直徑D與鋼筋直徑d之間的關(guān)系為1.10 d

2.2.3 膠粘劑成型質(zhì)量對植筋抗拔強度的影響。

參考上述表2，錨固結(jié)構(gòu)的破壞在植筋結(jié)構(gòu)破壞中占比較為穩(wěn)定，所以有必要考察膠粘劑固化成型質(zhì)量對植筋抗拔強度的影響。但因為膠粘劑固化成型質(zhì)量的影響因子較為復(fù)雜，為了簡化試驗，通過隨機數(shù)引擎在膠粘劑成型結(jié)構(gòu)中形成微氣泡，起泡體積占比與錨固結(jié)構(gòu)總體積之間的比值設(shè)定為膠粘劑發(fā)泡度。膠粘劑發(fā)泡度越高，則認為膠粘劑成型質(zhì)量越差。與前文仿真試驗相同的仿真環(huán)境中，測試不同膠粘劑發(fā)泡度條件下每梯度50次仿真試驗結(jié)果，統(tǒng)計得到圖6。在圖6中，當(dāng)膠粘劑發(fā)泡度在2.4%以下時，植筋結(jié)構(gòu)抗拔強度緩慢下降，可認為植筋結(jié)構(gòu)對膠粘劑發(fā)泡度的容忍上限為2.4%;膠粘劑發(fā)泡度在2.4%～7.9%時，植筋結(jié)構(gòu)抗拔強度從37.2 MPa快速下降到7.2 MPa;當(dāng)膠粘劑發(fā)泡度超過7.9%時，該下降速度放緩，逐漸收斂趨近于0 MPa?？梢娔z粘劑發(fā)泡度是影響植筋結(jié)構(gòu)抗拔強度的關(guān)鍵因子。

如前文所述，膠粘劑固化成型質(zhì)量與植筋抗拔強度之間存在直接關(guān)聯(lián)，且膠粘劑成型質(zhì)量控制因子較為復(fù)雜，單純從膠粘劑發(fā)泡度無法對膠粘劑固化成型質(zhì)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(zhì)量進行仿真，每梯度采集數(shù)據(jù)量50組，求取均值，如表3所示。

由表3可知，系統(tǒng)容忍值指因為膠粘劑成型質(zhì)量問題導(dǎo)致植筋結(jié)構(gòu)抗拔強度快速下降沿出現(xiàn)的閾值，30 MPa閾值指植筋結(jié)構(gòu)抗拔強度下降到30 MPa時的相關(guān)膠粘劑成型質(zhì)量影響因子閾值;12 MPa閾值指植筋結(jié)構(gòu)抗拔強度下降到12 MPa時的相關(guān)膠粘劑成型質(zhì)量影響因子閾值;膠粘劑發(fā)泡率指膠粘劑成型后內(nèi)部起泡體積與膠粘劑總成型體積的比值，膠粘劑結(jié)合率指膠粘劑與鉆孔內(nèi)壁和鋼筋外壁之間的有效結(jié)合面積與總面積之間的比值;膠粘劑雜質(zhì)率指膠粘劑中水、不容物、可溶物總質(zhì)量與膠粘劑成型總質(zhì)量之間的比值;膠粘劑交聯(lián)率指膠粘劑固化過程中內(nèi)部交聯(lián)化學(xué)鍵與理論最大交聯(lián)化學(xué)鍵之間的比值。可見上述試驗中考察的膠粘劑固化成型質(zhì)量影響因子均對植筋結(jié)構(gòu)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(jié)果討論

首先，膠粘劑的錨固質(zhì)量直接影響植筋結(jié)構(gòu)的抗拔強度，其影響范圍超出了常規(guī)試驗的精度容許范疇。除膠粘劑錨固質(zhì)量（發(fā)泡度、結(jié)合率、雜質(zhì)率、交聯(lián)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(jié)構(gòu)強度有較顯著影響，而植筋結(jié)構(gòu)的鋼筋直徑等因子對植筋結(jié)構(gòu)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(xiàn)更高精度植筋結(jié)構(gòu)強度試驗結(jié)果的重要技術(shù)路徑[13]。

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

最后，植筋結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中屬于后加結(jié)構(gòu)，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(xiàn)砌塊墻體結(jié)構(gòu)附加設(shè)施的施工安裝。試驗過程中，被測試植筋結(jié)構(gòu)的所有安裝工藝，應(yīng)與實際施工結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)的實測植筋結(jié)構(gòu)抗壓強度均值差異性遠大于系統(tǒng)測量誤差（6倍標(biāo)準(zhǔn)偏差率）差異性，如果試驗結(jié)構(gòu)與施工結(jié)構(gòu)存在差異，會帶來遠超過系統(tǒng)測量誤差的數(shù)據(jù)差異。

3 結(jié)語

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

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收稿日期：2021-11-26;修回日期：2022-04-23

作者簡介：丁 超（1979-），女，本科，高級工程師，研究方向：公路施工與公路養(yǎng)護管理。