建筑结构胶检测的干扰因素分析与消除

2018-07-31李明吉小伟

新型建筑材料 2018年6期

李明，吉小伟

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东广州 510530）

0 概述

建筑结构胶施工便捷、强度高，胶体破坏迟于结构破坏，有良好的工程价值。为保证工程质量，住房和城乡建设部发布了GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》、GB 50550—2010《建筑结构加固工程施工质量验收规范》、GB 50728—2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》，并将这3个标准中涉及建筑结构胶的全部条目都规定成为强制性条文，必须严格执行，强制建筑结构胶进场施工前检测、鉴定。这3个标准规定了检测项目、检测方法，但建筑结构胶生产厂众多，成分及比例复杂多变，导致相同的步骤中可能出现不同的问题。而检测方法只规定了操作步骤，未指出这些步骤中可能遇到的问题及应对方案。例如：（1）方法规定了实验室的温度，而未指出部分胶粘剂单次搅拌超过一定容量时，迅速放热固化，根本来不及成型；只有每次少量搅拌，或者使用气动泵、自动混合器，才能成型（此时不考虑抽不抽真空对结果的影响）。（2）方法对搅拌机的扭矩、容器的旋紧定位、搅拌的速率、时间没有统一规定，粘稠胶低速下无法搅拌均匀，稀薄胶高速下搅入大量气泡。（3）方法对抽真空的时间、防溢出措施未作规定，未提及部分胶抽真空过程中可能膨胀10倍、溢出、污染设备，也未提及高粘度的胶即使抽真空，内部也会留下蜂窝等。

1 涉及的检测项目

本文主要涉及 GB 50367—2013、GB 50550—2010、GB 50728—2011等标准规定的拉伸、抗弯、抗压、劈裂、钢-钢粘结抗拉、钢-混凝土正拉粘结、拉伸抗剪等检测项目。

拉伸强度表征胶体内聚强度，若胶体内聚强度低于构件内聚强度，则破坏时胶体先破坏，不足以保障结构安全。抗弯强度表征脆性，凡抗弯破坏为脆性破坏，则后续检测无意义。脆性破坏的特征是[1]：胶体或断成多节，或沿试件纵向很长裂口，无论是2种特征中的哪种，破坏碎片难以拼合成原状。抗压强度对植筋胶特别重要，抗压强度高，植筋胶锚固效果好；但抗压强度高，韧性就低。劈裂强度表征胶体承受集中荷载的能力，胶体承受集中荷载的常见情形有：（1）植筋；（2）外粘型钢时用加厚钢板。钢-钢粘结抗拉一方面表征胶液对钢的浸润能力；另一方面表征胶对钢的粘附力能否高于胶的内聚力。无论是浸润能力不佳，还是粘附力低于内聚力，都不足以保障结构安全。钢-混凝土正拉粘结表征胶与混凝土粘附强度、混凝土内聚强度的关系。前者远大于后者，因此钢-混凝土正拉粘结检测必须是混凝土内聚破坏，且钢-混凝土正拉粘结强度不应低于混凝土轴心抗拉强度标准值，以保安全。拉伸抗剪表征胶体受拉伸和剪切复合荷载时的性能。

2 干扰因素分析

2.1 温度带来干扰

建筑结构胶检测中的制样、养护温度是（23±2）℃，但此过程中，非环境调节因素也会引起胶液温度变化。经笔者和同事测试，存在以下现象：（1）真空脱泡2 min后，胶液温度普遍下降1～2℃，该结果也与真空泵的功率、真空桶的容积有关；（2）单次搅拌超过500 mL并晾置10 min，胶液温度普遍上升3～10℃，该结果在标准玻璃烧杯中测得，如果以15 cm培养皿摊薄，胶液温度上升不超过3℃；（3）个别品种如桥梁专用粘钢胶反应异常迅速，单次搅拌超过500 mL晾置2～3 min可达该升温效果。

因此，同一样品若2次试验的脱泡、晾置操作不同，则2次检验结果会有偏差。

2.2 搅拌带来干扰

（1）搅拌时间对结果有干扰。①搅拌时间短，成分分散不均匀，性能偏低。②搅拌时间长，胶液已反应至发粘起丝，浇铸体有应力集中，而粘结体则不但有应力集中，还有浸润能力下降。

（2）搅拌速率对结果有干扰。①搅拌速率低，需要更长时间才能使成分分散均匀。②搅拌速率高，大量空气混入，需要更长时间才能脱泡。更重要的是过于激烈的机械作用会导致凝胶、破乳。③建筑结构胶通常含触变剂，触变后的胶液粘度暂时降低。

因此，同一样品若2次试验的搅拌时间、搅拌速率不同，则2次检验的结果会有偏差。

参考胶粘剂研发过程中的分散环节[2]，当使用真空搅拌机搅拌建筑结构胶时，搅拌速率为90～120 r/min，以使成分分散均匀。当使用非真空搅拌机时，对速率不作要求。

2.3 脱泡方式带来干扰

气泡集中处应力集中，试件受力时首先从最薄弱处也就是气泡集中处破坏，性能偏低。脱泡方式对结果有干扰。静置脱泡、振动脱泡不可取。由于胶液粘度和流动阻力，肉眼不可见的微小气泡所受到的浮力不足以使之浮到液气界面。因此以真空脱泡为佳。但用于测定固体含量的胶液不得使用真空脱泡。如能以真空搅拌机边搅拌边脱泡，则搅拌过程无新空气混入，可使用高速搅拌（不得超过120 r/min），使成分分散更均匀。

根据笔者和同事的经验，建筑结构胶抽真空时，胶液至少膨胀5倍，部分厂商的个别型号可膨胀10倍，因此，单次抽真空的建筑结构胶宜限定在真空桶容积的1/10。

2.4 操作时间带来干扰

建筑结构胶成型的操作时间分布于下述环节：搅拌、脱泡、浇铸或粘结、夹持及刮去溢胶。其中，浇铸或粘结所占时间最长：小粘度胶需缓慢倒入模具以免混入气泡，大粘度胶需以工具缓慢压入模具以免缺失长条棱角；粘结性能试件需撒布玻璃珠控制胶层厚度，避免粘结层过薄缺胶，也避免粘结层过厚引起应力集中。

上述环节自身需要时间，而且上述环节还有附加的时间消耗，即：在胶液固化前及时清洁受溢胶污染的设备、工具。在上述操作过程中，成型1个检测项目所需的5～15个试件普遍需要10～15 min。有可能首个试件和末个试件的胶液状态已经不同，足以影响检测结果的变化。因此，应对各个步骤限定时间。

2.5 模具带来干扰

钢模具脱模较困难（即使使用脱模剂）、沉重不易操作，常常在拆模时把样条拆碎，被迫重新成型；硅橡胶模具有弹性，浇铸的样条尺寸不规整，且不是刚性模具，胶液中的分子交联不密实，因此两者皆不佳。近年来笔者和同事自行开发了一套模具（见图1），配合薄膜使用，兼有钢模具和硅橡胶模具的优点而无两者缺点。图2为自制模具浇铸的样条。

此外，自制模具还可用于钢套筒法测试拉伸抗剪性能（见图 3、图 4）。

图1 自制模具

图2 自制模具浇铸的样条

图3 自制模具插入套筒和钢筋前

图4 自制模具中钢筋外表面和套筒内表面的平行度较好

2.6 基材带来干扰

基材干扰包括粗糙度干扰和材质干扰。

（1）粗糙度干扰：胶粘面的粗糙度对建筑结构胶的浸润性有影响。而浸润性在某些检测项目中对检测结果有高达33%和34%的影响[3]，经笔者和同事测试[4]，某品牌型号粘钢胶拉伸抗剪的检测中，钢片打磨时，一组试件的破坏荷载最大值和最小值相差可达500 N。钢片喷砂时，一组试件的破坏荷载最大值和最小值相差70 N。如果使用喷砂打磨，打磨后应当用丙酮棉签擦拭表面，并且在打磨后20 min内完成胶粘和固定，以免基材表面形成氧化膜。喷砂机宜配置特大气缸的空气压缩机，确保能以0.4 MPa持续喷砂5～10 min。

（2）材质干扰：现行GB/T 7124—2008规定拉伸抗剪的基材为刚性材料，但未规定具体材料。为在检测中与施工条件一致，可使用钢片45#碳钢；不需要与施工条件一致时，可使用锰钢。但锰钢硬度高，对锰钢喷砂不使用棕刚玉，而使用钢砂。但钢片模量越大，钢片越厚，相同的胶层面积下，抗剪强度越大[5]。这是高弹性模量金属对胶层的拘束强化作用引起的。根据笔者和同事检测经验，符合GB/T 7124—2008所规定厚度的45#碳钢拉伸剪切之后必定变形，不宜重复使用。

（3）胶粘面积干扰：影响拉伸抗剪不确定度的最大因素是粘结面积[6]。

2.7 胶粘面厚度控制方法造成干扰

标准规定拉伸抗剪等试件，用直径0.20 mm的金属丝或玻璃微珠控制胶粘面厚度。笔者习惯采用实心玻璃微珠。玻璃微珠的干扰分以下2点讨论：

（1）玻璃微珠的粒径是否均匀以及玻璃微珠在粘结面是否撒布均匀对检测结果有干扰。粒径大小不一或撒布不均匀都会造成粘结体翘曲，上机测试时产生剥离力。

（2）撒布玻璃微珠的数量对建筑结构胶检测结果是否有干扰，以及干扰程度目前学术界尚无论证。这是因为直接在建筑结构胶中撒布玻璃珠而没有进行液-珠界面改性，与在环氧树脂中撒布玻璃珠，并进行液-珠界面改性的结果是完全不同的。

对玻璃微珠增强环氧树脂复合材料的研究表明，添加Φ0.20 mm玻璃微珠并对胶液-玻璃微珠界面进行改性后，胶体受拉时，裂纹不以二维平面扩展，且玻璃珠的比表面积大，提高了界面破坏能量，因此随着玻璃微珠用量的增多，拉伸强度、剪切强度等性能呈现先升后降的特点。这方面的具体成果较多，本文不赘述。

但是，无论有无论据表明撒布玻璃珠对检测结果是否有干扰，也应防止可能造成的干扰。因此，笔者和同事只撒布满足最小必需量的玻璃珠，建议严禁撒布过量玻璃珠。检测结果表明，胶粘层面积为A时，撒布（10%～15%）A颗的实心玻璃微珠已经足够保证胶粘层均匀、试件不翘曲。因此，我们建议：检测建筑结构胶时，撒布玻璃珠的数量宜为（10%～15%）A颗。

2.8 未作预加载造成干扰

凡是试件上机夹持时可能受弯的试验，例如钢绞线、建筑结构胶拉伸强度浇铸体都必须进行预加载。预加载是为了测量变形，一般对力值没有影响。拉伸性能的试件不做预加载，对伸长率有干扰。预加的荷载通常是估计破坏荷载的5%左右。

2.9 接触式引伸计造成干扰

引伸计是万能力学试验机的附件，它以传感器测量试件上的2点间距离的变化。由于接触式引伸计需要将引伸计固定在试件上，造成应力；而试件破坏时从薄弱处和应力集中处破坏，因此，接触式引伸计对试验结果有一定影响。进行拉伸性能上机时，是两段式上机：试件带引伸计受拉，得到平直曲线，足以测出拉伸弹模时，迅速取下引伸计，以免试件拉断时的振动损坏引伸计（测试的前半段）。取引伸计的过程试验不中断，胶体继续受拉（测试的后半段）。拉断后，测量伸长量。

虽然后半段试验中，试件不带引伸计，但是胶体表面缺陷和应力集中已经造成，因此测得的断裂伸长率离散较大，笔者的经验是，一组试件断裂伸长率最大值和最小值相差可达5倍。由于非接触式引伸计的价格足以购买一台万能试验机，笔者和同事外审时，发现部分检测站仍使用接触式引伸计。

2.10 统计干扰

一组试件测出单个值之后，需要统计其标准值，对有置信水平和保证率的计算而言，在使用Excel软件进行计算时，容易误用函数。以植筋胶的拉伸抗剪为例，GB 50367—2013中4.4.2规定：承重结构用的胶粘剂，必须进行拉伸抗剪强度检验。检测时，其拉伸抗剪强度标准值应根据置信水平为0.90、保证率为95%的要求确定。

由于GB 50367—2013规定植筋胶的试件不少于15个，当恰好为15个时，从GB/T 50728—2011附录B中查“材料强度标准值计算系数 k值表”，查得：α=0.05、C=0.90、n=15时，k=2.329。此时，fk=mf-ks=mf-2.329s，其中mf为强度平均值，s为强度标准差。由于15个试件是小样品，故其Excel函数是STDEV，而不是用于大样品标准差计算的函数STDE。因此，fk=mf-2.329*STDEV。

3 消除上述干扰因素的方案

（1）混合A、B组分时，应先取小粘度组分，再以漏斗添加大粘度组分。优先选择数显调速、计时的真空搅拌机搅拌。当使用真空搅拌机时，胶液体积不超过真空搅拌杯容量的1/10，搅拌速率为90～120 r/min。搅拌、脱泡后，完成整组试件浇铸或胶粘前，胶液应在培养皿摊薄。

（2）成型1组5～15个试件的时间分配宜为：搅拌1～2min、脱泡1～2 min、胶粘或浇铸5～10 min、夹持≤1 min。当使用真空搅拌机时，搅拌2～4 min，不需另行脱泡。上述时间越短越好。

（3）搅拌、脱泡、胶粘或浇铸、夹持过程中，推荐2人操作，但不作强制，助手负责清理设备、工具上的溢胶。胶粘前，应大致估计涂胶量，避免溢胶较多。粘结体试件溢胶较少时，不需要刮除溢胶。当溢胶较多时，如果是拉伸抗剪试件，则要求刮除溢胶，但应该快速、小心操作，避免扰动。刮除溢胶时，只需大致刮除，不需要彻底刮除。固化后严禁刮除。

（4）浇铸体成型不得使用弹性模具。

（5）钢片打磨后应当用丙酮棉签擦拭表面，并且在打磨后20 min内完成胶粘和固定；45#碳钢拉伸剪切之后不宜重复使用。胶粘和固定时必须使用夹具，严格控制胶粘面积。

（6）胶层厚度可用实心玻璃微珠控制，微珠应预先筛分。胶粘层面积为A时，撒布玻璃珠数量宜为（10%～15%）A颗。

（7）拉伸性能的试件上机时应预加载，推荐使用非接触式引伸计。

（8）计算结果时，应注意大样本和小样本计算公式的区别。

此外，笔者顺便提及对建筑结构胶行业统一包装的必要性：在幕墙用胶粘剂行业，幕墙硅酮胶（幕墙耐候胶、幕墙结构胶）使用统一的条状软包装，以枪式手动注射器施工。实验室所测得的力值与施工实践的力值接近。而在建筑结构胶行业，当前建筑结构胶的包装并无统一规定，有25 L大铁罐，也有仿硅酮胶的条状软包装，也有仿注射器式包装。其中，枪式或注射器式包装（A、B组分分开）在出厂前先经过抽真空步骤，在使用时，提供专用的枪、混合器，一经注射，A、B组分已经自行混合均匀且无气泡。这种做法使实验室所测得的力值与施工实践的力值接近，检测结果对工程实践更具指导意义。而散装胶（大铁罐装）由于实验室的工艺普遍优于工地的工艺，例如实验室对温度、搅拌、脱泡、操作实践、厚度控制等环节的工艺控制，使得实验室所测得的力值普遍高于施工实践的力值。因此，建筑结构胶行业有必要统一包装、枪、混合器。