粘鋼加固及其應用

1、粘鋼加固及其應用粘鋼加固及其應用顧燕飛摘要：本文論述了我國結構膠的發(fā)展，闡述了建筑結構膠的粘接機理及粘結界面的破壞機理和影響粘接強度的因素，以江蘇太湖地區(qū)蠡河水利樞紐加固工程為實例，詳細論述了粘鋼加固的施工方法。關鍵詞：結構膠粘接機理破壞機理船閘加固施工方法StructureMemberStrengtheningWithExternallyBondedSteelandApplicationGuYanFei(TongJiUniversity,Shanghai.200092)ABSTRACTJhedevelopmentofstructuraladhesivesinchinaisdescribed.

2、Bondingmechanismofstructuraladhesives,failuremechanismofbondinginterfaceandinfluencingfactorsofcompressionstrengthhavebeenanalyzed.ThroughanexampleofirrigationworksofstructurestrengtheningprojectinLiriverofTaihuLakedistrict.jiangsuprovince,theconstructionmethodofstructurememberstrengtheningwithexter

3、nallybondedsteelisdiscussed.KEYWORDSstructuraladhesivesbondingmechanismfailuremechanismlockstrengtheningconstructionmethod一、概述隨著時間的推移，建于50-60年代的建筑物，至今已風燭殘年，經(jīng)濟飛躍發(fā)展的步伐，使許多橋梁、水閘、船閘面臨超負荷工作，危情不斷發(fā)生，國力不允許把這些建筑物全部拆除重建，除險加固工程與日俱增。著名建筑家朱伯龍先生早在95年提出“21世紀將是建筑改造加固的世紀”。科技的發(fā)展使加固技術得到了升華，傳統(tǒng)的加固方法已不能滿足現(xiàn)代化的要求，新材料的發(fā)明應用使

4、傳統(tǒng)加固法望塵莫及，20世紀八十年代結構膠的發(fā)明，使工業(yè)與民用建筑加固進入粘鋼時代，20世紀90年代碳纖維的引進又使加固進入纖維時代。近年來，這些先進的加固方法在交通水利工程中得到應用，尤其是粘鋼加固法在水利工程中的應用，已得到進一步的發(fā)展。二、粘鋼及其發(fā)展應用粘鋼是以結構膠作為粘接劑，將補強用的鋼板或型材牢固地粘接在各種鋼筋混凝土的構件上與鋼筋混凝土共同受力，滿足結構承載力的要求。粘鋼技術的關鍵在于作為粘接劑的結構膠，20世紀60年代一些西方發(fā)達國家已廣泛將建筑結構膠用于公路、公路橋、機場、水利工程、軍事設施的加固中。1978年，法國援助我國建造的遼陽化纖總廠一座變電所，因設計上配筋不足，造

5、成大梁多處出現(xiàn)裂縫，法方采用法國西卡杜爾31#建筑結構膠進行粘鋼加固，收到了省工、省資安全可靠的效果，被“神奇”驚呆了的中國工程界立即回過神來，次年建設部下達了“建筑結構膠研制及應用”的課題，83年，我國建筑結構膠研制成功并開始廣泛應用，粘鋼技術得到迅速發(fā)展，1990年，粘鋼加固技術正式編入CESC2590規(guī)范中。23年來，全國建筑結構膠的用量從1983年的5噸增加到2004年的15000噸，并且已走出國門，其性能、質量、品種、數(shù)量為世界之首。三、結構膠粘鋼加固技術是通過結構膠使鋼與其它結構構件成為整體，所以，粘鋼加固的核心技術是建筑結構膠，其強度要求高，綜合性能好，本文以同濟大學研制的TJ結

6、構膠（適用大于216mmi鋼板的粘貼）為例，闡述結構膠的組成，粘結機理，破壞機理及影響粘接強度的因素。（一）結構膠的組成建筑結構膠不同于原始的建筑膠粘劑，膠粘劑用于非結構間粘接，它們可以是大然膠粘物或一般單組份合成高分子材料，結構膠需要將多個組分及材料進行混合反應來制成一種多元組合物，在使用過程中，經(jīng)過一定的物理化學作用，達到結構中的使用要求.TJ結構膠由主體粘料及與其相匹配的固化劑，增韌劑，助劑和填料等材料組成。1、粘料：結構膠性能的優(yōu)劣主要由主體粘料來決定，國內外結構膠所用粘料均為熱固性高分子材料，如各種型號的環(huán)氧樹脂、各類丙烯酸樹脂、不飽和聚脂樹脂、有機硅樹脂及化合物、聚氨基甲酸酯、帶極

7、性基團的高分子彈性體等。TJ結構膠的主體粘料是以環(huán)氧樹脂為主料，加入其它熱固性樹脂及高彈體經(jīng)反應而得，膠體具有極性，它們在交聯(lián)前，具有較高的流動度，能很好地潤濕被粘物表面，確保粘接強度。它們交聯(lián)后，具有堅實的體型結構和較高的機械強度及粘附性能。2、固化劑：固化劑是結構膠的重要組成，它是直接參與樹脂進行化學反應的物質，在一定外界條件下，使粘料由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)，其性能和用量直接影響固化物的性能，TJ結構膠的固化劑是根據(jù)需要形成膠層的性能要求配制的，以確保體型（網(wǎng)狀）結構具有足夠的硬度、強度、韌性。3、增韌劑為提高熱固性樹脂固化物結構抗沖擊性能，TJ結構膠中加入了與主樹脂相容的具有極性和活性的增韌劑

8、一一液態(tài)聚硫橡膠。液態(tài)聚硫橡膠是一種低分子量的稠液體，分子量一般不高于3000,硫化后具有優(yōu)異的耐水性，耐油性，耐化學介質性，耐老化性，在很寬的溫度范圍內能保持很好的彈性和粘附性，與環(huán)氧樹脂混合后，未端的硫醇基（-SH）可以和環(huán)氧基發(fā)生化學作用，從而參加到固化后的環(huán)氧樹脂結構中，賦于交聯(lián)后的環(huán)氧樹脂較好的柔韌性。同時聚硫橡膠又是一種極性材料，與水不溶，其憎水基團具有排水功能，與主樹脂反應后生成物在水中對極性材料（鋼板、混凝土都是極性材料）具有優(yōu)異的粘附力和穩(wěn)定性。所以，TJ結構膠又是水下粘接膠，可在水工建筑中發(fā)揮作用。4、填料：填料不參與主粘料的化學反應，但能改變其性能、提高粘接強度、膠體機械

9、性能、表面硬度，降低固化體積的收縮率、熱膨脹系數(shù)，并能增加膠液的粘度，提高抗磨性、耐熱性和耐介質性。TJ結構膠中就配有碳酸鈣、三氧化二睇，硅酸培等20多種填料。5、助劑：TJ結構膠中加入了3%禺聯(lián)劑，從而提高了耐水性和耐潮濕性及耐熱性，同時強度提高了10%除偶聯(lián)劑外，TJ結構膠中還加入了防老化劑（N-苯基-1-蔡胺）和促進劑DMP-30（二）粘鋼加固的粘結機理粘鋼的粘結機理十分復雜，機械理論認為，結構膠必須滲入被粘物表面的空隙內，并排除其界面上吸附的空氣。結構膠粘接經(jīng)表面打磨的鋼板及混凝土的效果比表面光滑的要好。打磨造成的人工粗糙形成機械鑲嵌，增加表面積，達到粘接目的。弱邊界層理論認為鋼板、混

10、凝土表面的灰塵、油污、氧化層、碳化層、浮漿層等的存在會使界面形成弱邊界層，當破壞發(fā)生時，看起來發(fā)生在結構膠與鋼板、混凝土界面，但實際上是弱邊界層的破壞。吸附理論認為，粘接是兩種材料界面問分子接觸和界面力產生的，粘接力的主要來源是分子間作用力，包括氫鍵力，但主要來自范德華力的貢獻。同時結構膠的表面張力必須小于鋼板、混凝土的表面張力，只有這樣才能使膠體潤濕鋼板、混凝土表面及表面上的凹陷與空隙中。良好的潤濕使膠粘劑與被粘物緊密接觸，在粘附力和內聚力的作用下，達到完美粘接的目的。這就是粘鋼加固的粘結機理。這也是粘鋼加固的基本原理。所以粘鋼加固必須滿足以下條件：1、由于鋼與混凝土都是極性、剛性材料，所以

11、結構膠必須具有強極性與強高韌性的特點。2、鋼板及混凝土表面的油污、灰塵、氧化層、碳化層會造成弱邊界層的存在。所以，粘接界面必須打磨清潔處理。3、結構膠對效鋼板、混凝土表面必須具有良好的潤濕性。粘鋼只有在同時滿足這些條件下進行，才能獲得良好的果。（三）粘鋼加固的破壞機理了解破壞機理是為了防止、阻止破壞的發(fā)生，破壞的形式有四種：1、混凝土破壞，破壞發(fā)生在混凝土內。2、內聚破壞，破壞發(fā)生結構膠。3、界面破壞，破壞發(fā)生在結構膠與鋼板或混凝土界面上。4、混合破壞是內聚破壞、粘附破壞和混凝土材料破壞的混合，理想的破壞形式是100%勺內聚破壞，這種破壞能獲得最大的強度。這些破壞的原因一方面由于結構膠沒有完全

12、潤濕基體的表面，另一方面粘結過程中結構膠固化時的收縮及結構膠與被粘物性質上的差異而導致界面層產生的內應力。這些原因形成了粘接面先天的缺陷，在內外力綜合作用下，這些固有缺陷的周圍會發(fā)生應力集中并造成微細裂縫，這種裂縫被稱作為原始裂縫，原始裂縫不斷擴展并增加到它臨界長度時，即在裂縫端部造成的應力集中超過它的裂縫增長力時，裂縫即快速擴展，造成粘結界面的破壞。這就是粘鋼粘結破壞的機理。防止、阻止粘接破壞的要點在于（1）結構膠潤濕性好，施工得當。（2）縮小結構膠與被粘膠物質差異，盡可能使結構膠與被粘構物膨脹系數(shù)相近。（3）結構膠中添加活性彈性物質。（四）影響粘接強度的因素影響粘鋼加固粘結強度的因素有物理

13、的也有化學的，與選用的膠種、使用的環(huán)境和施工的質量有著密切的關系。1、表面處理對粘接強度的影響粘接前鋼板、混凝土的表面處理是粘接成功的關鍵。由于鋼板表面存在氧化層，混凝土表面存在脫膜劑殘留物及風化粉塵，形成“弱邊界層”。對被粘物表面處理，可使表面粗糙化，創(chuàng)造機械鑲嵌環(huán)境，有利于結構膠對被粘材料的浸潤，從而有利提高粘接強度。2、粘接面施壓對粘接強度的影響粘貼鋼板時，應向鋼板給予垂直壓力，使結構膠充滿粘接面上的坑、槽、洞，在壓力的作用下，膠體甚至深入深孔和毛細管中形成根系。當膠的粘度較小時，施壓會導致過度流淌，造成缺膠，影響粘接強度。施工時適時地調整膠的粘度是十分必要的。3、膠層厚度對粘接強度的影

14、響從某種程度上來講，粘接強度與布膠量有關，但絕不是膠層越厚粘接強度越高，膠層過厚，易產生氣泡缺陷，受熱后的熱膨脹在界面區(qū)造成的熱應力也較大，容易引起早期斷裂。4、內應力對粘接強度的影響內應力包括收縮應力和熱應力0當結構膠交聯(lián)固化時，聚合物的內聚強度隨交聯(lián)（五）TJ結構膠的性能拉伸強度壓縮強度拉伸剪切強度正接粘結強度12Mpa2.9Mpa密度的增加而增大，當交聯(lián)過度時，聚合物變硬變脆，當收縮力超過粘附力時，表面強度顯著降低，聚合物耐沖擊性明顯下降；當鋼板受熱膨脹時，粘接界面由于粘接的約束而產生應力，當應力超過粘附力時，粘接強度顯著降低。結構膠在高于60c時，膠體分子有降解的可能、有繼續(xù)交聯(lián)的可能

15、、有可遷移物逸出的可能，這些因素都將影響粘接強度。膠體中加入適量的填料能大大減小熱膨脹系數(shù)差而引起的應力。56Mpa標準伯3089Mpa標準伯70標準伯10標準伯2.5四、粘鋼加固在水利工程中的應用粘鋼加固在建筑工程上的運用已有20多年的歷史，主要用于承重結構的補強加固.由于水利工程的特殊性，粘鋼加固技術在水工建筑上的運用發(fā)展相對遲后.近十年來，在經(jīng)濟發(fā)展與國力的綜合作用下，該技術在水利工程上得到了廣泛的運用和發(fā)展.本文以江蘇太湖地區(qū)蠡河水利樞紐墩墻加固工程為例，闡述粘鋼技術的施工方法.蠡河水利樞紐墩墻加固實例（一）工程概況蠡河水利樞紐位于蘇州湘城區(qū)望亭鎮(zhèn)西側望虞河立交工程下游，主要溝通望虞河

16、與大運河的航運.工程包括8米凈寬通航節(jié)制閘和8（12）*135*2.0米船閘各一座.由于通過樞紐工程的船舶大大提高，在通行超設計標準的船舶時，不可避免地對結構產生碰撞、擠壓和摩擦，在沒有防護設施的情況下，樞紐工程的墩墻結構在水位變幅區(qū)及其以上一定范圍內遭到嚴重破壞，已經(jīng)危及工程自身結構安全，經(jīng)專家鑒定三個閘首的墩墻、漸變段閘及上下游翼墻等需要加固修復.工程破損情況如圖：（二）加固設計本工程由江蘇省太湖水利規(guī)劃設計研究院有限公司設計。加固設計需同時解決二個問題，一方面應對破損部位進行恢復加固，保證原結構的完好和安全；另一方面,應確保加固恢復后的結構不再被破壞，加固設計應重點解決墩墻結構表面防撞、

17、耐磨問題。設計方會同上海宏強、同周等多家加固單位進行研討，確定采用上海同周結構工程有限公司提供的粘鋼加固技術，并結合比較成熟的植筋錨固技術，將護面鋼板粘貼、錨固在墩墻表面，以達到對墩墻結構長久和有效防護的目的，增強樞紐工程抗撞耐磨能力，改善樞紐工程結構通航防護條件，確保結構安全、完好。（三）粘鋼工程施工方案1、碎表面處理粘鋼加固對硅基面的要求十分嚴格，是關鍵的工序，它不適合對強度低于C10碎的加固，表面不能存在敗壞層，油污，否則會直接影響粘結強度，不能使鋼板與碎共同受力。本工程所處的河道，機動船只往返頻繁，水面油污染相對嚴重，水住升降區(qū)碎長期受油污侵襲且滲入碎內的深度大。又因加固后不影響閘首凈

18、寬，故設計變更對閘首兩側碎墩墻各鑿除2cm,所以施工前要對碎表面進行鑿除處理，方法如下：用裝有金剛石割片的角各電動機,對碎進行拉槽，用人工鑿除2cm碎表層，并用吹灰機吹除粉塵，后用高壓水清洗，干燥后涂一層TG結構膠作為底涂.2、鋼板表面處理鋼板粘接面應進行除銹和粗糙處理，如鋼板未生銹或輕微銹蝕，可用砂布或平砂輪打磨，直至出現(xiàn)金屬光澤，打磨粗糙度越大越好，后用脫脂棉沾丙酮擦拭干凈，本工程不得使用銹蝕較嚴重的鋼板.3、結構膠的選用考慮到本工程碎表面比較潮濕有的可能完全浸濕，所以選用特種粘合膠GL環(huán)氧水下粘結膠TJ-3結構膠進行加固。4、粘貼鋼板粘鋼膠應隨用隨配，配制時每個配制容器內不得多于1Kg,配制后，用抹刀同時涂在已處理好的碎表面（涂布置為1Kg/m2）和鋼板表面（涂布置為2Kg/m2）,厚度1-3mm中間厚邊緣薄，然后將鋼板預留孔對準預先植好的螺栓，擰緊膨脹螺栓后，對鋼板加壓至膠液剛從鋼板邊緣擠出，粘好鋼板，用木錘沿粘貼面輕敲鋼板，如無空洞聲，表示已粘貼密實，否則應剝下鋼板，補膠重貼,GL環(huán)氧粘鋼膠一般在常溫下固