专题植筋粘贴钢板加固技术 34页

一、粘接技术概述 1 、粘接 现代工程技术种类繁多数不胜数，归结起来有三种功能：成型、连接、改性。连接包括：焊接连接、机械连接、粘接连接。 粘接：使用粘接剂将两种被粘接材料连接成整体的连接方式。 在粘接剂固化成型过程中，胶液和被粘接材料之间经过复杂的物理化学反应形成一个与粘接剂固化物、被粘接材料结构与性能完全不同的界面层。 界面层不仅使粘接剂固化物、被粘接材料结合成一个牢固的整体共同发挥作用，而且还能发挥被粘接材料的潜在能力，获得被粘接材料所没有的性能。 2 、粘接的作用机理 （ 1 ）表面能：粘接剂两组份在被粘接物表面充分浸润，粘接剂在高能表面上的物理吸附所提供的范德华力形成粘接强度。 （ 2 ）化学键：与被粘接物表面形成化学键、离键、氢键。 （ 3 ）机械铰合：粘接剂大分子进入被粘接物表面的孔隙、凹凸不平中，固化后形成机械铰合。上述三种作用使两个被粘接物形成牢固的连接。 3 、影响粘接接头的因素 粘接接头的强度 = 粘附力 - 内应力 粘附力：表面能、化学键、机械铰合的总和。 内应力：固化收缩引起的附加应力、粘附力在被 粘材料表面不均匀分布引起的附加应力、被粘材 料表面的应力集中引起的附加应力总和。 要获得较高强度的粘接接头必须提高粘附力，减小内应力。 （ 1 ）表面处理工艺的影响 粘接前必须对被粘接材料进行严格的表面处理，才能获得高能表面、充分发挥被粘接材料的表面能、增大粘接面积，形成机械铰合。 （ 2 ）胶液与被粘材料的相容性（亲和性）、胶液流动性（黏度）影响 胶液必须在表面张力的作用下充分润湿或浸润被粘材料表面，使用胶液与被粘材料紧密接触靠近才能出现范德华力形成物理吸附、生成化学键。胶液的这种性能就是相容性（亲和性）。 润湿或浸润是一种物理现象，当液体的表面张力小于固体物的表面张力时液体就能润湿或浸润固体物的表面。 表面张力低同时流动性（黏度）也低。胶液与被粘材料的相容性（亲和性）、胶液流动性（黏度）是可以通过调整配方设计与表面处理方法来改善的。 流动性高施工简便，同时灌注是能充满钢板与混凝土的空间形成密实胶层。 加溶剂可以提高流动性但形成的固化物性能相当差，所以在桥梁维修与加固中严格禁止在粘接中加溶剂。 水的流动性（黏度）比胶液小得多，因此水与混凝土、钢板的相容性（亲和性）高。 （ 3 ）环境温度与湿度的影响 由于水与混凝土、钢板、纤维的相容性（亲和性）比胶液高，所以水对混凝土、钢板、纤维表面润湿或浸润能力也高。 在一定温度与湿度情况下，混凝土、钢板表面将被吸附水覆盖，影响胶液对润湿或浸润。 （ 4 ）流变性的影响 流变性是环氧树脂在凝固前内部形成的临时三维网络结构，在剪切作用下恢复流动性的一种工作性能。 它对环氧树脂形成密实胶层起到非常大的作用。 在涂抹法粘贴钢板、粘贴碳纤维、涂装、植筋时流变性的好坏直接影响施工质量。 涂装时流变性差的涂料要流挂，涂抹法粘贴钢板、植筋时流变性差的粘接剂要漏掉。 （ 5 ）固化物结构与性能的影响 桥梁所处的环境温度一般是在 -30 ℃~ 50 ℃ 。因此桥梁维修与加固中使用的粘接剂大都是环氧树脂与多胺固化剂。 （ 1 ）环氧树脂的固化反应过程 第一步：首先是伯胺中的活性氢与环氧基反应，生成仲胺。第二步：仲胺中的活性氢与环氧基反应，生成叔胺。第三步：剩余的胺基、反应物中的羟基与环氧基继续反应，直至生成高度交联三维网络结构的体形大分子。 （ 2 ） 固化过程的形态变化 胶液低聚物凝胶化生成凝胶化物质；接着玻璃化；最后形成 高度交联三维网络结构固化物。 研究发现，环氧固化物的性能主要是以 T g （玻璃态转化温度）为转折点而发生变化。反应温度低 T g 为 玻璃态，反应温度在 T g 过度区时， 环氧固化物的性能发生突变，弹性模量约下降三个数量级、抗拉强度和抗剪强度下降一个数量级。 通常使用的是固化物玻璃态的性能。 玻璃态转化温度 T g 可以通过选择、调整树脂与固化剂结构、交联密度来控制。 当 玻璃态转化温度 T g 温降至室温以下时，就能得到柔性环氧固化物，其冲击韧性、剥强度、伸长率都比较高，内应力比较小，对环境抵抗能力强。性能优越的固化物。但耐热性低。 （ 6 ）界面层的影响 前面讲过：在粘接剂固化成型过程中，胶液和被粘接材料之间经过复杂的物理化学反应形成一个与粘接剂固化物、被粘接材料结构与性能完全不同的界面层。界面层不仅使粘接剂固化物、被粘接材料结合成一个牢固的整体共同发挥作用，而且还能发挥被粘接材料的潜在能力，获得被粘接材料所没有的性能。 界面层的功能： a 、 传递应力 在外荷载作用时界面把外力传递到并分布在整个构件上，如果界面不能有效传递外力，就会产生“脱粘”导致接头破坏。 b 、 阻断裂纹 适合的界面强度与冲击韧性，胶层中的疲劳裂纹扩展到界面上受阻而停止继续扩展。 c 、减少与消除内应力 界面层强度与弹性模量介于胶层与被粘材料之间，减缓了胶层与被粘材料之间的力学性能梯度，从而减少了在应力传递过程中产生的内应力。 d 、吸收与散射作用 光波、声波、热弹性波、冲击波、震动波等在界面层上会产生散射与吸收。 提高界面层性的途径 a 、表面处理 b 、优化环氧固化体系 （ 7 ）内应力的影响 内应力越大接头强度越低。控制内应力是提高接头强度有效方法。 控制内应力有效途径： 降低 玻璃态转化温度 T g 会降低 玻璃态收缩从而降低内应力。 降低 玻璃态线膨胀系数。降低玻璃态弹性模量。 （ 8 ）胶层厚度的影响 在保证贴合的情况下胶层厚度应是越薄越好。因为胶层越厚应力分布越复杂；胶层越厚缺陷也越多。 综上所述，作好粘接接头应注意以下几点： a 、严格的表面处理工艺是作好粘接接头的基本保证。（在施工中往往忽视表面处理工艺的重要性。） b 、选择一个历史悠久的国际品牌粘接剂是作好粘接接头重要保证。 c 、在保证贴合的情况下控制胶层厚度。 4 、粘接接头的破坏机理与接头设计 实验证明对各种不同形式作用力的承受能力是不同的。在一般情况下，胶粘剂承受剪切和均匀扯离的作用能力比承受不均匀扯离和剥离作用的能力大得多。 （1）剪切：理想的情况，是使粘接面承受剪切力，当外力平行于粘接面时，胶层所受的力就是剪切力。这种受力形式的接头最常用，因为它不但粘接效果好而且简单易行，易于推广应用。 （2）不均匀扯离：不均匀扯离是指粘接接头经受着扯力的作用，应力虽然配置在整个粘接面上，但应力的分配是极不均匀的。应力集中比较严重，主要集中在边缘的一个小区域内，这种类型的接头，其承载能力很低，一般只有理想的均匀扯离强度的1/10 左右。 (3）均匀扯离：均匀扯离，有时也称为拉伸。 在桥梁维修与加固中不论是植筋、粘贴钢板、粘贴纤维主要是运用剪切。设计单位应引起重视。 二、桥梁维修与加固中的粘接技术 桥梁维修与加固中运用的粘接技术主要有：混凝土涂装、裂缝修复、植筋、粘贴钢板、粘贴碳纤维布（板）。 1 、 混凝土涂装 由于以前未建立高性能混凝土概念，混凝土施工时 ，没有科学掺用矿物细料，没有科学使用减水剂，施工性能是用大量掺水来实现的。因此混凝土凝固后界面层很脆弱、混凝土内部存在大量空隙。为水、气、其它有害物质进入混凝土内部提供了通道。混凝土会发生碳化（中性化）、碱 — 集料反应、盐雾腐蚀、冻融循环。 混凝土涂装是采用低黏度的环氧封闭胶（底漆），润湿或浸润混凝土表面，渗透至混凝土内部阻塞水、气、其它有害物质进入通道。保护混凝土与钢筋同时由于渗透作用使混凝土表面形成由混凝土与环氧树脂相结合的复合材料，改善了混凝土表面的性能（改性）。为了提高环氧封闭胶（底漆）耐候性（抵抗紫外线的能力）加涂两层丙稀酸聚胺脂面漆。 2 、裂缝修复 对小于 0.20㎜ 的裂缝一般认为深度没有到达主筋位置，因此采用环氧胶泥封闭。对大于 0.20㎜ 的裂缝一般认为深度到达主筋位置。必须采用压力灌注修复裂缝。 采用 日本 SHO-BOND“ 壁可”法注入化学材料充填裂缝工法处理，这种方法是通过橡胶管自动完成材料注入，在材料凝固前始终保持 0.3Mpa 衡定压力，并有效地解决了其它工法不克服的“气阻”问题，能将修复材料注入到仅 0.02m 宽的裂缝末端。 3 、植筋 植筋：是钢筋混凝土没有缺陷时，采用粘接剂锚固钢筋的技术。 （ 1 ）植筋的钻孔深度与钻孔直径要求 植筋的钻孔深度即锚固深度与粘接剂的性能有关，一般规范要求为 10d ，不同的生产厂家要求不一样应仔细阅读什么书。 当 植筋直径 ≤ 12mm 时，制孔直径为钢筋直径 +3mm 。当 12mm ＜ 钢筋 直径 ≤ 18mm 时，制孔直径为钢筋直径 +4mm 。当钢筋 直径 =20mm 时，制孔直径为钢筋直径 +5mm 。当钢筋 直径 =25mm 时，制孔直径为钢筋直径 +6mm 。当钢筋 直径 =28mm 时，制孔直径为钢筋直径 +7mm 。当钢筋 直径 =32mm 时，制孔直径为钢筋直径 +8mm 。 （ 2 ）植筋的钻孔直径要求 （ 3 ）植筋工艺流程（分机注入与粘接剂管装式） （ A ）放样 根据设计放线； 钢筋探测仪探测钢筋位置； 标注制孔位置。 （ B ）制孔：使用电锤在混凝土上打眼； （ C ）清孔：使用高压风，试管刷清洁孔内壁、钢筋棒毛巾进行脱脂处理孔内。 （ D ）钢筋处理； 钢筋下料； 采用喷砂除锈或机械动力除锈对钢筋进行表面处理。 （ E ）向孔内 注入结构胶或插入管装式结构胶至孔深 2/3 处。 （ F ）植筋：为避免空气进入将钢筋旋转植入孔内。植入时当空气排完时有明显的钢筋制度进入孔感。 （ G ）实例 探测钢筋位置 制孔 钢筋植入 钢筋原位拉拔试验 4 、粘贴钢板 粘贴钢板主要有两种工法，涂抹法、贯注法。当钢板厚度 ≤ 5mm 或宽度 ≤ 300mm 时采用 涂抹法粘贴钢板。当钢板厚度 > 5mm 或宽度 > 300mm 时采用 贯注法粘贴钢板。 涂抹法粘贴钢板工艺 （ 1 ）钢板加工 钢板放样 钢板号料 钢板下料切割 钢板制孔 钢板表面处理： 喷砂、抛丸、机械动力除锈、脱脂。喷砂、抛丸、机械动力除锈能清洁与糙化钢板表面，提高表面能形成强大的机械铰合力。较合力是一种微剪切，凹凸不平的表面在粘接剂固化后能使固化物与被粘接材料表面相互铰合。 （ 2 ）混凝土制孔 根据设计放线； 钢筋探测仪探测钢筋位置； 标注制孔位置 使用电锤在混凝土上打眼 安装锚栓 （ 3 ）混凝土表面处理 机械动力打磨、脱脂。机械动力打磨能清洁与混凝土表面，提高表面能通过渗透形成强大的机械铰合力。 脱脂：油脂是阻碍物体发挥表面能的最大障碍，因此必须清除。脱脂工艺是用丙酮进行清洗。 （ 4 ）钢板贴合 将粘接剂涂抹在混凝土表面与钢板表面，拧紧螺栓挤压粘接剂使其密实。 贯注法粘贴钢板工艺 （ 1 ）钢板加工 钢板放样 钢板号料 钢板下料切割 钢板制孔 钢板表面处理： （ 2 ）混凝土制孔 根据设计放线； 钢筋探测仪探测钢筋位置； 标注制孔位置 使用电锤在混凝土上打眼 安装锚栓 （ 3 ）安装钢板 （ 4 ）安装注入嘴与封边 （ 5 ）灌注粘接剂 （ 6 ）实例 渝宜高速原寺沟四号大桥粘贴钢板加固 T 型梁 西藏林芝地区八一大桥粘贴加固盖梁 济南黄河公路大桥主桥斜拉桥边跨钢筋混凝土箱梁斜腹板内侧粘贴钢板加固