植筋过程是将带肋钢筋放入已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。由于植筋胶的工艺涵盖粘接、锁键和摩擦等原理[17-18],胶/混凝土界面、胶/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[19]。欧洲标准ETAG 001[20]的全部试验方法均基于实际使用状态:在混凝土中钻孔、注胶及植入钢筋,以基材混凝土C25和C60上的拉拔粘接强度作为基础,将其他试验的结论与这两项试验进行比较,形成完整系统。JGJ 145—2013标准关于耐久性的检测方法即借鉴了欧洲的相关标准(对于标准条件和冻融环境下的拉伸承载力的考察,都是采用在混凝土中钻孔、注胶和植入钢筋或锚栓法制样的)。
2.4 比较与分析
综上所述,对于碳纤维胶和粘钢胶,行标的技术要求相当于国标B级的要求;而对于植筋胶,不同的标准对于检测项目和检测方法存在较大的差异。GB 50728—2011标准因为检测项目更全面、技术指标更高而成为目前行业内普遍使用的标准,但也使得相关产品的行标难以执行,这也是对标准资源的浪费。
3. 关于检测项目的讨论
目前在加固胶行业中,普遍执行的检测标准为GB 50367—2006,2014 年6 月修订后,将会执行GB50367—2013标准。由于GB 50367—2013中只保留了对快凝型锚固胶的要求,故对其他加固胶的检测仍依据GB 50728—2011 标准。工程复检主要执行GB 50550—2010标准,其区别于GB 50728—2011标准之处在于前者采用快速湿热老化代替90 d湿热老化(以节省时间),但如果不通过,仍以90 d湿热老化为准,故GB 50728—2011几乎是检测项目要求最全面的规范,预计也是未来加固行业普遍采用的规范。作为标准的执行机构,本课题组发现制样工艺对加固胶的检测起着非常重要的作用,制样工艺的差异会在很大程度上影响结构胶性能指标的评判。因此,本研究结合在执行标准过程中所遇到的问题,对规范中所规定的某些检测项目进行探讨。
3.1 模具对胶体性能的影响
加固胶的胶体性能通常参照GB/T 2567—2008标准[21],其规定可采用钢模具和硅橡胶模具浇铸试样。研究结果表明:钢模具的优点是制成的样条几何尺寸规整,而缺点是脱模(词条“脱模”由行业大百科提供)较困难(即使采用脱模剂,脱模时也应非常小心,否则会损伤试样);硅橡胶模具的优点是制样便捷、脱模容易且制样效率高,缺点是由于硅橡胶具有弹性,故样条的几何尺寸不规整。此外,由钢模具浇铸而成的试样之胶体性能略优于由硅橡胶模具浇铸而成的试样(这是因为胶粘剂在固化过程中EP和固化剂因化学反应而交联,钢模具变形量小,使得反应过程中的交联更充分、分子链结构更密实,从而有利于胶体性能的提高)。
3.2 钢-钢拉伸剪切强度
GB 50367—2013、GB 50550—2010和GB 50728—2011 标准中钢-钢拉伸剪切强度的参照标准均为GB/T 7124—2008标准[22]。
研究结果表明:①钢片强度越大、钢片越厚,拉伸剪切强度也就越大。②钢片的表面处理采用机械打磨时,粗砂轮的处理要优于细砂轮,打磨后钢片表面的平整度和打磨方向也会影响到粘接效果;钢片表面采用喷砂处理时,金刚砂颗粒的目数和喷枪(词条“喷枪”由行业大百科提供)的压力会直接影响到粘接面积,从而影响到检测结果。③不同配方加固胶的适用期并不相同,混合好的胶样在涂敷到钢片之前的放置时间也会影响其粘接性能。④制样环境温度和养护温度对结构胶粘接性能也有影响,主要表现为当环境温度和养护温度较低时(如低于20 ℃),胶粘剂的粘接性能检测结果普遍偏低,故必须保证制样和养护时的温度[23-24]。
GB/T 7124—2008 标准相对于GB 50367—2006标准而言,前者将钢片厚度由原来的2 mm 减小到1.6 mm,致使同等条件下的拉伸剪切强度下降,但GB 50367—2013 和GB 50728—2011 标准中的该项技术指标没变,从而对加固胶的该项性能提出了更高的要求。
综上所述,对于钢-钢拉伸剪切强度的检测,由于制样环节中影响因素较多,需对检测方法进行细化(或者由经验丰富的试验人员进行操作),否则检测结果会有很大的差异。
3.3 钢-钢冲击剥离长度
GB 50728—2011 的附录F.4.3 中提出了对钢片表面进行机械喷砂处理的要求,但对砂的材质、粒径及喷砂时的压力均未作出具体要求,而这对碳钢表面的粘接面积会产生直接影响。附录F.4.4中对制样工艺提出“按结构胶使用说明书规定的胶接工艺及设计要求的胶层厚度进行”,而在实际操作过程中,结构胶配制完成后是否充分搅拌、搅拌时间长短均会对粘接后的试片性能产生影响。同时针对F.4.4中提到“若有关各方同意,允许采用快速固化养护法”(即将试片在高温下进行养护以缩短时间),但有关研究结果表明,加热处理(词条“热处理”由行业大百科提供)后的试片粘接效果要优于常温固化后的试片。
由于相关标准中对具体的试验环节规定不够详尽,致使人为因素对样品制备乃至最终结果的判定产生不容忽视的影响,故针对该项指标的检测方法有必要进行修订。
3.4 热变形温度
热变形温度是高分子材料(或聚合物)达到规定形变时所对应的温度(施加一定的负荷,并以一定的速率升温),也是衡量材料耐热性优劣的指标之一。对加固胶热变形温度的测试方法,参照的标准为GB/T 1634.2—2004 标准[25]。GB 50728—2011规定加固胶的固化、养护时间为21 d,试样尺寸参照GB/T 1634.2—2004 为80 mm×10 mm×4 mm;JG/T166—2004 规定的固化及养护条件为“(23±2)℃固化7 d→60 ℃固化2 h”,试样尺寸为120 mm×15 mm×10 mm。不同标准对热变形温度的固化、养护条件及尺寸要求存在较大的差异。GB 50728—2011 由于没有对固化、养护条件作出具体规定,原则上在(23±2)℃时进行养护,但(23±2)℃养护时,热变形温度普遍为50~60 ℃,达不到GB 50728—2011的要求(A级≥65 ℃,B级≥60 ℃);若按“(23±2)℃固化7 d→60 ℃/固化2 h”进行养护时,多数样品的热变形温度会相应提升。
因此,热变形温度的固化和养护条件从一定程度上会影响最终的测试结果。研究结果表明:按照(23±2)℃条件进行养护,则GB 50728—2011 通过指标设定过高;按照“(23±2)℃固化7 d→60 ℃固化2 h”条件进行养护,则JG/T 166—2004 规定的指标过低。因此,建议对相关标准进行协调和统一,并使检测方法能够一致,以有利于标准的运用和执行。
3.5 耐疲劳应力作用能力
GB 50728—2011 标准中对耐疲劳应力作用能力的检测条件作出“室温时,经频率为5 Hz、应力比(词条“应力比”由行业大百科提供)为5∶1.5 和最大应力为4.0 MPa 的疲劳荷载作用后进行钢-钢拉伸剪切试验”的规定,而其测定次数为2 000 000次,附录M.3.2规定试件数目至少为25个,检验周期为116 d。此外,附录M.1.2规定“采用本方法测定胶粘剂拉伸剪切疲劳强度时,其频率可根据用户的要求确定”(可以理解为如果用户要求提高频率,检测周期可以相应缩短),但该方法的前提是针对大量厂家的胶粘剂分别进行不同频率的疲劳试验,并且能得到很好的测试结果。另外,由于采用的钢-钢拉伸剪切试片在制样过程中,制样工艺对测试结果影响过大,故该测试方法值得商榷。
3.6 设计使用年限
GB 50728—2011附录4.2.2中有“对设计使用年限为30 a的结构胶,应通过耐湿热老化能力的检验;对设计使用年限为50 a的结构胶,应通过耐湿热老化能力和耐长期应力作用能力的检验”的规定。在制订说明4.1.3 中有“目前加固常用的结构胶,一般是按30 a使用年限设计的”和“为了保证新建工程使用结构胶的安全,凡通过该专项鉴定的结构胶,在供应时均应出具可安全工作50 a的质量保证书,并承担相应的法律责任”规定。
以EP为主剂的加固胶是高分子链结构中含有2个(或2个以上)环氧基团的高分子化合物,属于热固性树脂。在服役过程中,高分子链结构不可避免受光、热、水、氧、各种介质(盐雾、碱等)和微生物等多种因素的影响与作用,致使材料发生劣化,造成其力学性能下降,甚至发生破坏,进而造成材料的功能性失效[26-27]。高分子材料的耐久性一直是科学研究领域的热点和难点,老化机制的不确定性与使用环境的复杂性决定了建立实验室与自然环境下老化时间的关联性非常困难。
本研究认为,检验耐湿热老化能力和耐长期应力作用能力对于评价加固胶的耐久性很有必要;然而,以此来判定结构胶的设计使用年限则违背了高分子材料本身的特性规律,进而以此来要求生产企业提供“可安全工作50年”的质量保证书更缺乏合理性。
4. 结语
(1)现行加固胶的国标与行标之间缺乏协调,表现为检验项目不统一,行标的技术指标普遍相当于国标B级的要求,这种现象不利于行标的执行,并且有悖于标准编制的基本原则。
(2)对碳纤维胶的粘接性能评价过多选择钢-钢的粘接性能,以此来考察碳纤维胶的粘接性能与实际应用不符。针对粘钢胶,国标和行标对冻融循环的检测规定条件差异较大。针对锚固胶,行标未对胶体性能提出要求,在疲劳试验的试验方法上,国标和行标试验方法完全不同。
(3)相较于橡胶模具,钢模具更有利于胶体性能的提高;钢片表面处理方式、喷砂的目数、压力、胶样搅拌时间和环境温湿度等,都会对测试结果产生影响;现行标准中钢-钢冲击剥离长度、热变形温度、耐疲劳应力作用能力和使用年限等项目,在检测过程中发现存在问题。
(4)现行结构加固胶的标准在检测方法上的不细致、检测项目选择上的不统一以及技术参数上的不合理,给生产厂家、设计单位及检测机构都带来了极大困惑。针对现行结构加固胶的测试技术进行了评价,并结合日常检测工作提出了相应看法,供行业内专家进行探讨,旨在提升标准制定的科学性和合理性,促进加固胶行业的健康发展。