混凝土结构植筋技术应用研究

王玉冰

（太原王孝雄建筑设计院（有限公司），山西 太原 030024）

0 前言

植筋技术是建筑施工中的一种连接技术，它是利用锚固胶将钢筋和基底连接在一起时的结构黏结力。它需要在混凝土或墙壁的岩石上钻孔，并插入高强度锚固黏合剂，然后插入钢筋或型材。植筋技术随着建筑结构胶的发展而发展，但其发展过程中仍然存在一些问题，值得我们研究思考。

1 混凝土结构植筋技术的概况

1.1 混凝土结构植筋的力学性能

混凝土结构中植入的钢筋作为整个结构的受力部分，必须保证钢筋的质量符合使用标准，有良好承压能力，力学性能良好。抗外力拉扯是测试力学性能是否符合要求的重要标准，是植入钢筋的重要测试部分，是否具有良好的抗外力拉扯能力是植筋技术是否发挥其应有效果的前提条件，只有当拉力达到所要求的标准值时，混凝土结构的质量才符合要求，影响混凝土结构稳定性的因素有很多，植入钢筋的质量，植入钢筋的长度，混凝土本身的材料、混凝土的保存、植入钢筋的技术手法以及黏合胶的配比是否符合要求都会影响到混凝土结构的稳定。为了保障混凝土结构植入钢筋的性能稳定，要对钢筋进行一系列的测试，根据钢筋的极限外力拉扯能力以及混凝土平面的极限黏合度实验结果可以得出，钢筋的极限外力拉扯能力和混凝土平面的极限黏合度随着混凝土质量强度的增加而增加，且增加的幅度很大。但是，随着埋深深度的加深，钢筋的极限外力拉扯能力和混凝土平面的极限黏合度增加的幅度越来越小，如果埋深深度相同的话，钢筋的极限外力拉扯能力和混凝土平面的极限黏合度随着植入钢筋的直径的增大而增强。当混凝土的质量不变时，植入钢筋的直径越大，钢筋的极限外力拉扯能力越大。随着埋深深度的不断增加，植入钢筋的各个节点受到混凝土的黏合力是不同的，呈不均匀分布，但整体上来说，随着钢筋植入深度的增加，钢筋收到的混凝土的黏合度呈减小趋势。一般来说，在选择混凝土以及钢筋时，严格按照方案要求选取，且操作没有异常的情况下，深入如果达到了15d，植入的钢筋不会出现任何异常现象。

1.2 混凝土结构植筋技术存在的问题

虽然制造商提供的最小锚固长度可以满足工程要求，有些选择钢筋断裂时的抗拉强度作为锚固长度，但这是相当不合理的。钢筋和混凝土之间的结合强度可以共同发挥作用。植筋是一种后装式锚固技术，与传统锚固状态相比，植筋与混凝土之间的夹持力在以下一些方面存在不足，植筋时对钻孔周围的混凝土造成伤害、如果孔不完全倾斜，边界强度会显著下降、如果插入的黏合剂不够，实际长度会减小、温度、湿度和振动会对结构的耐久性产生不良影响以及结构胶本身可能存在质量问题。混凝土结构构件中钢筋的氯化物腐蚀是一个世界性的大问题。氯化物通常通过除冰盐或海水引入混凝土，这导致钝化和点蚀的局部破坏。钢筋混凝土柱不够坚固，这可归因于以下原因：由于在循环荷载下薄保护层混凝土的侧向约束不足，钢筋容易发生屈曲；转角出现大的塑性应变，导致其断裂；由于拱效应，方形截面钢筋笼的有效约束仅施加在角部附近，其中约束效率小于圆形约束。

1.3 混凝土结构植筋技术结构胶

结构胶是植筋技术中一定会使用到的黏合部分的重要材料，是不可替代不可省略的，而黏合过程是否能够顺利进行直接影响到植筋技术能否成功，进而影响到混凝土结构的稳定性，结构胶的质量是否符合要求与混凝土结构植筋技术能否顺利进行相关联。结构胶是树脂和无机物混合制成的混合物，数脂的作用在于提高结构胶的黏性以及黏合速度，无机质则能提高结构胶的坚韧性以及黏度。在国外，植筋技术从1960—1970 年起就广泛应用于隧道和矿山的建设，到了1980 年，应用就更加广泛了，逐渐发展为建筑行业必不可缺的一项重要技术。在之后的一段时间里，研究人员还针对植筋技术进行了一系列各种各样的研究实验，结果表明，混凝土植筋的抗外力拉扯能力、抗压能力以及其他力学性能都有了大幅的提升，植筋技术确实能够增强混凝土结构的稳定性。这些结果更加重了混凝土结构植筋技术在建筑行业地位，为混凝土结构植筋技术提供了理论基石，极大程度上促进了植筋技术在国内外的发展速度。在我国，植筋技术是在1980 年开始兴起的，短短几十年，植筋技术在我国做出了突出贡献，应用十分广泛，结构胶的应用也引起了一部分研发人员的注意，植筋技术的顺利开展离不开结构胶的应用，结构胶是连接混凝土各个结构的必须材料。传统的结构胶已经可以满足绝大多数混凝土结构植筋技术的需要，但是，为了提高植筋技术的使用效果，使钢筋更好地发挥出其使用价值，有部分研发人员致力于研发效果更好、性能更加多样的结构胶，如耐高温、耐低温、时间消耗小的结构胶。

2 混凝土结构植筋技术的前景

2.1 混凝土结构植筋技术的现状

混凝土结构植筋技术在近二三十年间广泛使用，几乎所有的新兴建筑等都应用了混凝土结构植筋技术，但是对于一些老旧建筑由于建成时并没有应用到植筋技术，结构稳定性不如新型建筑坚固，所以，很大一部人老旧建筑在不能满足坚固性要求的前提下都会被翻新重造，通过混凝土结构植筋技术就行二次加固，确保建筑的使用稳定性。这是混凝土植筋技术在现代的主要应用现状。利用新型结构胶来加固原有钢筋的老旧建筑也可以对其起到加固的作用，我国对于植筋技术虽然应用广泛，但植筋技术仍然有很多可以改良的技术要点，植筋技术还需要进一步的研究。

2.2 混凝土结构植筋技术改进方案

根据相关的政策规定，混凝土结构所使用的钢筋只有在经过检验后才可以正式投入使用，结构胶在使用时应该现配现用，要保证数量足够使用以及使用的结构胶没有彻底凝固。结构胶使用过程中要保证用量充足，不掺杂杂质以及空气等，植筋的钢筋表面应清洁无污渍，并保持干燥。强化混凝土修补，即在修补的周边将电镀阳极连接到钢上，现在在英国已经成为一种常见的做法，这一过程很快被接受为全球修补工程的一个重要组成部分。阳极对于处理初期阳极形成现象或环效应是必要的，在这种情况下，腐蚀会迅速转移到修复周围的原始混凝土中。阳极是有意“阴极保护”的一种基本形式，因此相邻的钢保持阴极状态，防止腐蚀开始。电偶阳极是在20 世纪90 年代后期开发的，由锌金属制成，包裹在一种特殊配制的多孔水泥砂浆中，该砂浆用氢氧化锂饱和。这种环境中，过量的氢氧化锂保持恒定的高酸碱度，可使锌保持在活性状态，同时产生可溶性锌腐蚀产物，这些产物可通过砂浆迁移，而不会阻碍金属的腐蚀过程。类似的离散阳极，但具有更高的电流输出能力，已被开发用于安装在网格结构中，以保护更大的易受腐蚀区域。还有一种是分布式阳极系统开发，用于覆盖、装箱或大型维修，其中钢筋留在含氯混凝土中，大部分覆盖混凝土被新混凝土替代，或需要额外覆盖。在过去的20年里，英国和美国都进行了一些试验，作为修复结构元件的一部分。根据应用类型，钢表面0.3～10mA/m2数量级的电流密度可保持15～20 年。根据在英国莱斯特的一座桥上进行的最古老的现场试验，当时使用的阳极设计寿命为10 年，其结果被视为一个里程碑。从这些原型阳极的局限性中吸取的经验教训使得开发具有更长使用寿命的阳极成为可能。例如，活化砂浆中高达7 倍质量的额外氢氧化锂似乎降低了孔隙堵塞的效果，因为由于氢氧化锂的溶解，孔隙率的增加似乎抵消了锌腐蚀产物体积的增加。此外，金属部件表面积的增加加上较短的阳极间距在这方面也有所帮助，因为阳极以低于最大速率的速率运行，允许锌酸盐离子在沉淀为氧化锌之前有更多的时间迁移到活化灰浆的主体中。随着时间的推移，牺牲阳极不能提供固定的电流输出，必须考虑阳极老化。包含阳极“老化系数”的方案设计将更好地预测阳极的长期性能，并可用于确保在整个设计使用寿命内达到特定的性能水平。

2.3 混凝土结构植筋技术的应用

为了提高钢筋混凝土柱的抗震能力和延伸性能，发展了新型钢筋混凝土钢筋结构—螺旋钢筋混凝土柱。螺旋钢筋混凝土柱的稳定性要比传统的混凝土植筋结构要更好一些。螺旋杆增加了对混凝土柱的约束，提高了混凝土柱的稳定性以及可延伸性。螺旋钢筋混凝土柱由于具有良好的抗震性能，在高层建筑和大跨度结构中得到了广泛的应用。普通混凝土纲纪结构受到的混凝土约束贡献不大，对受短轴弯曲的工字钢柱甚至不能形成有效的约束。相反，单个的钢筋与横向钢筋或板条焊接在一起，就像一个笼子，以收集更多的围压应力，具有更好的约束效果。其次，在螺旋钢筋混凝土柱的各个节点处，钢筋可以很容易地通过各截面的柱，而不会遭到各部分截面的阻拦。大量实验可以证明，螺旋钢筋侧向约束被认为是提高柱延性的最有效手段之一。螺旋钢筋混凝土柱对核心混凝土施加均匀压力，没有在某一点形成拱起，在循环模式的作用下更加稳定。螺旋钢筋混凝土柱在循环模式作用下还具有良好的伸展和耗能能力。因此，为了增加曲线柱的侧向约束，在钢筋笼内的截面中心放置一根螺旋钢筋，这种创新的螺旋约束角钢混凝土柱，能很好地提高混凝土建筑的稳定性。即使在恶劣的天气情况下，如地震龙卷风，即使外在钢筋发生弯曲，内里的螺旋钢筋混凝土柱也会减少受到的外力，对建筑起到保护作用。

3 结语

混凝土植筋技术的应用很大程度上增加了混凝土结构的稳定性，延长了建筑物的使用寿命。所以，在保持原来建筑结构不变且稳定的情况下，植入钢筋，能增强原来建筑结构的载重能力。在实际应用过程中，植筋技术有诸多优势，值得大家推广。