（材料学专业论文）无机化学锚栓工程应用关键技术研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 无机化学锚栓工程应用关键技术研究 材料学 冯虎 王晓利 摘要 ( 签名) ( 签名) 易丸 多迎o q 科技的进步使得建筑物或其他建设中的后锚固技术得到了飞速发展。目前，在后锚 固工程中使用最广泛的是有机化学锚栓，其不适合目前行业发展的要求，为此，我们研 制开发了新型化学锚栓一无机化学锚栓。无机化学锚栓为世界首创环保型高性能化学锚 栓，是一项正在发展中的技术，其研究工作还需继续进行，尤其是工程应用的关键技术 需进一步研究开发。 本文主要研究了无机化学锚栓工程应用的关键技术问题，拓宽其使用范围，促进无 机化学锚栓的推广应用。对无机化学锚栓抗拔力测试标准进行了研究，在设备下附加一 支承环，避免加荷对锚栓受力状态的影响，同时控制锚栓的变形来检测无机化学锚栓的抗 拔力，使检测手段更加规范，更接近工程实际要求；对无机化学锚栓施工性能进行了研 究，主要研究外界因素对无机化学锚栓安装时间和锚固力的影响，拓宽了无机化学锚栓 在负温、有水、粉尘以及扰动等不良施工环境下的应用：通过无机化学锚栓抗渗性能研 究，得出其抗渗性能优良，当渗透压力达到4 o m p a 且持压2 4 小时时，渗水高度仅为2 1 0 n m a ，与普通混凝土相比，无机化学锚栓具有更优异的防渗水效果，可在长期水环境 下应用；对无机化学锚栓抗振动抗疲劳陛能进行了实验研究，实验表明：无机化学锚栓 经4 0 0 万次疲劳实验后，还能安全使用，能用于铁路、电梯等长期承受反复交替荷载的 工程。 最后通过无机化学锚栓在工程中的应用研究得出，与有机化学锚栓相比，使用无机 化学锚栓，安装简单快捷，迅速凝固，不影响施工进度；无机化学锚栓比有机化学锚栓 具有更高的耐高温性，实现了先固后焊技术；无机化学锚栓在冬季锚孔中有冰的环境下 使用，能提供良好的锚固强度，说明了无机化学锚栓具有优良的低温施工性能。 关键词：无机化学锚栓；无机化学锚固剂；抗渗性能；抗振动抗疲劳性能；焊接； 工程应用 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ev i t a lt e c h n i c a lr e s e a r c ho ft h ei n o r g a n i cc h e m i s t r y a n c h o rb o l t sa p p l i c a t i o n s p e c i a l t y ：m a t e r i a l s s c i e n c e n a m e ：f e n g h u i n s t r u c t o r ：w a n g x i a o l i ( s i g n a t u r e ( s i g n a t u r e a b s t r a c t s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r e s sc a u s e st h a tt h ea n c h o r a g et e c h n o l o g yi nb u i l d i n go r e l s e s i sd e v e l o p i n gs p e e d i l y a tp r e s e n t ，t h eo r g a n i cc h e m i s t r ya n c h o rb o l ti su s e de x t e n s i v e l y i nt h ea n c h o r a g ep r o j e c t ，b u ti ti sn o tf i tf o rt h ep r e s e n td e m a n d so ft r a d ei nd e v e l o p m e n t s o ， w ei n v e n t e dt h en e wc h e m i s t r ya n c h o rb o l t t h ei n o r g a n i cc h e m i s t r ya n c h o rb o l t t h e i n o r g a n i cc h e m i s t r ya n c h o rb o l ti st h ef i r s te n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dh i 曲p e r f o r m a n c e c h e m i s t r ya n c h o rb o l ti nt h ew o r l d ，a n di sat e c h n i q u ei nt h ec e n t r eo ft h ed e v e l o p m e n t ，s ot h e r e s e a r c hw o r ks t i l ln e e d st og oo n ，e s p e c i a l l yt h ev i t a lt e c h n i c a lr e s e a r c ho ft h ei n o r g a n i c c h e m i s t r ya n c h o rb o l t sa p p l i c a t i o n i nt h i st e x tw em a i n l ys t u d i e st h ev i t a lt e c h n i c a lr e s e a r c h o ft h ei n o r g a n i cc h e m i s t r y a n c h o rb o l t sa p p l i c a t i o n ，i no r d e rt ow i d e nt h er a n g eo fi t su s e s ，a n da c c e l e r a t et h ei n o r g a n i c c h e m i s t r ya n c h o rb o l tp o p u l a r i z ei nm o r ef i e l d s w es t u d i e st h et e s t i n gn o m i n a t i v eo ft h e i n o r g a n i cc h e m i s t r ya n c h o rb o l tt op u l lu pt h ef o r c e ，a t t a c h i n gah o o pu n d e rt h ei n s t a l l a t i o ni n o r d e rt or e f r a i nf r o mt h ee f f e c tt ot h ea n c h o ri nt h ef o r c ec o n d i t i o n ，a tt h es a m et i m e ， d o m i n a t i n gt h ed e f o n - n a t i o no ft h ea n c h o r , w ee x a m i n et h ei n o r g a n i cc h e m i s t r ya n c h o rb o l t ， t h u st h ee x a m i n a t i o nm e a s u r ei sm o r es t a n d a r d ，a n ds t i l li sm o r ec l o s et ot h ea c t u a ld e m a n do f t h ep r o j e c t t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h eb u i l d i n gp e r f o r m a n c e ，w em a i n l ys t u d yt h ee x t e r n a l f a c t o r so f t h ei n s t a l l a t i o nt i m ea n dt h ep o s t i n s t a l l e df a s t e n i n gf o r c eo f t h em o g a n i cc h e m i s t r y a n c h o r , h a v i n gw i d e n e dt h ea p p l i c a t i o ne x t e n to ft h ei n o r g a n i cc h e m i s t r ya n c h o rb e l o wt h e h a r m f u lb u i l d i n ge n v i r o n m e n ts u c ha sn e g a t i v et e m p e m t u r e ，i nw a t e r ，d u s ta l o n gw i t h t u r b u l e n c ea n ds oo n b ym e a n so ft h ei m p e r v i o u sp e r f o r m a n c eo ft h ei n o r g a n i cc h e m i s t r y a n c h o r , w ec a l lg e tt h a tt h ei m p e r v i o u sp e r f o r m a n c ei sg o o d ，w h e nt h eo s m o t i cp r e s s u r e r e a c h e s4 0 m p aa n ds u s t a i n i n gn e a r2 4h o u r s t h ei n f i l t r a t i n gw a t e ra l t i t u d em e r e l yi s2 10 r a m b e i n gc o n t r a s t e dt ot h eo r d i n a r yc o n c r e t e ，t h ei n o r g a n i cc h e m i s t r ya n c h o rb o l th a st h e m o r eo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c ep r o v i d i n ga g a i n s tw a t e r , s oi tc a nb eu s e df o rt h ep r o j e c ti nt h e l o n g - t e r mw a t e re n v i r o n m e n t w es t u d yt h er e s i s t a n c ec a p a c i t yt os h a k ea n df a t i g u eo ft h e i n o r g a n i cc h e m i s t r ya n c h o rb o l t ，t h et e s tp r o v e st h a tt h ei n o r g a n i cc h e m i s t r ya n c h o rb o l ts t i l l c a nb eu s e ds a f e l ya f t e r4 0 0t h o u s a n df a t i g u e dt e s t s ，b e i n gu s e di nt h ep r o j e c tt h a ts t a n d so v e r al o n gp e r i o do f t i m er e p l a c i n gt h ea c t i o nl o a d i n ga g a i na n da g a i n ，s u c ha st h er a i l r o a da n dt h e e l e v a t o ra n ds oo n f i n a l l yb ym e a n so f t h ea p p l i c a t i o ns t u d yo ft h ei n o r g a n i cc h e m i s t r ya n c h o rb o l t ，w ec a l l g e tt h a tt h ei n s t a l l a t i o n o ft h e i n o r g a n i cc h e m i s t r ya n c h o ri ss i m p l ea n dp r o m p t ，s w i f t s o l i d i f y i n gd o e sn o ta f f e c tt h eb u i l d i n gp r o g r e s s b e i n gc o n t r a s t e dt ot h eo r g a n i cc h e m i s t r y a n c h o rb o l t ，t h eh e a t - r e s i s t i n gp e r f o r m a n c eo f a n c h o rb o l to f i n o r g a n i cc h e m i s t r yi sb e t t e r , a n d i tc a nb ew e l d e da f t e rt h ea n c h o ri sf i r m e d t h ei n o r g a n i cc h e m i s t r ya n c h o rb o l tc a nb eu s e d i nt h es i t u a t i o nt h a tt h e r ei si c ei nt h ea n c h o re a ri nw i n t e la n di sa b l et os u p p l yw e l l r e s i s t a n c et ot e n s i o n ，t h a tp r o v e st h a tt h ei n o r g a n i cc h e m i s t r ya n c h o rb o l th a so u t s t a n d i n g b u i l d i n gp e r f o r m a n c ei nt h ec o n d i t i o no f t h el o w e rt e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：t h ea n c h o rb o l to fi n o r g a n i cc h e m i s t r y f i r mp h a r m a c e u t i c a lo fi n o r g a n i c c h e m i s t r ya n c h o r t h ei m p e r v i o u sp e r f o r m a n c et h er e s i s t a n c ec a p a c i t y t os h a k ea n d f a t i g u e t h ea p p l i c a t i o ni np r o j e c t t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姜错技丈誉 学位论文独剖性说明 零人郑重声明：所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 冀取荦罨疆究残暴。尽我疆袈，涂了文孛热毅搽注帮致落戆魏方终，论文中不包含 其他人残集体矗经公开发表或撰写过的研究陂巢，毪不包含为获得西安秘技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同王作的同志对本研究所 骰懿经傍羹藤筠甚程论文中骰了貉确载谖骥势轰示了嚣意。 学位论文作者签名：夕弓艇日期：2 嘲饵占母，哼 学位论文知识产权声孵书 本入完全了掰学校有关保护翘识产投静援定，浮：研究奎在校攻读学氆蘩阕 论文二作的知识产权单位属于砥安科技大学。学校裔投僳辍并囱国家有燕部门或 机构遴交论文的复印伴和电子版。本人允许论文被套暖和偻阕。学校可以将本学 霞论文瓣全部装部分蠹窭编入寄关熬据瘁避行捡索，可以粟麓影印、缭颦葳努拯 等复剑手段保存和汇编本学位论文。同时本人保迁，毕业聪结合学位论文研究课 题髯撰冀粒文章一律渲硬作者单位为薅安科技大学。 绦密论文待麓密痿适靥本声明。 学位论文作者蕊名：易彪 指鼯教师签名：旦沌汐) ：扫妒吞年r 嚣，p 嚣 1 1 后锚固技术发展现状 1 绪论 在工业及民用建筑中，经常需要进行结构构件、机器设备等的连接，而这些构件、 设备的安装往往在主体结构施工时因为种种原因无法同时进行，因此，设计上多数情况 是在设计、施工时考虑预埋钢板或钢筋。使用预埋的方法存在一些缺点：施工中容易使 预埋件偏位，造成浪费，而且，进行预埋比较费工费时，在现在的很多情况下，往往工 期很紧，无法进行预埋。另外，随着我国经济的迅猛发展，许多老的建筑需要进行加固， 或者是被赋予新的功能，需要进行改造，或是在原建筑物上添加新的建筑，在这些情况 下，需要在建筑本身建好以后再使用一些方法将新的结构、构件、设备连接到这些建筑 主体或者建筑上来，这时所采用的方法可以称之为后锚固技术i l l 。后锚固的方法有很多， 总的说来，这些方法可以分为两大类：植筋和使用锚栓锚固。植筋是用粘接剂将钢筋植 入到混凝土中，类似于预埋钢筋。锚固使用的材料是锚栓，将锚栓植入的方式很多，其 中也有使用粘接剂的。两者并没有明确的区分，目前较普遍的区分方法是材料的植入深 浅度，当植入深度小于1 0 倍的植入材料的直径时，一般认为是锚固，当植入深度大于1 0 倍的植入材料的直径时认为是植筋。这两类方法已经在实际工程中得到广泛地应用，相 应的规范也即将出台。 建国以来，我国建造了不计其数的建筑。众所周知，大多数建筑物的设计使用年限 是5 0 年，这就意味着每年有大量的建筑物面临着加固改造的问题。目前我国每年也有 大量的在建工程，工程中出现各种问题的也不少。在国外，后锚固技术的应用范围非常 广泛，但进入我国的时间却不长，2 0 世纪9 0 年代，国外公司( 主要是喜利得和慧鱼) 将 这一技术引到中国，随后国内一些科研机构私公司也对此进行了研究，总的说来，这一 技术仍是新兴产物。 近年来，后锚固技术的应用领域日趋广泛口。6 】，过去在结构施工中设置预埋件的做 法己很难满足建筑功能的需要，并造成很大的人力、财力、物力的浪费。随着建筑业的 发展，施工技术的快速提高以及建筑材料的日新月异，特别是在建筑改造、扩建、抗震 加固、设备的安装以及幕墙施工项目中，后锚固技术以其高效、灵活、经济等性能，倍 受工程界青睐。后锚固法与预埋件的比较见表1 1 。 西安科技大学硕士学位论文 表1 1 后锚固法与预埋件的比较 后锚周法预埋件法 设计、施工灵活 可用于1 1 3 房改造及加固 施工过程中可随时按修改方案埋设 可用于岩层、矿井、堤坝加固 设计、施工复杂 无法预埋 无法改变预埋结构 无法预埋 后锚固工艺无论在过去，现在，还是将来，在众多项目的结构施工阶段，均被广泛 使用，特别在改造工程，扩建工程中，以及新建采用特殊模板旌工工艺的项目，为避免 预留插筋对价格昂贵模板的破坏，后锚固工艺的应用将更为普遍。 1 2 化学锚栓研究现状 我国科技的进步使得建筑物或其他建设中的后锚固技术得到了飞速发展，适应了当 今各类建设中施工高效率、质量高水平、性能高强度、费用低价位( - - 高一低) 的新要求。 作为后锚固技术中的化学锚固及其所用的锚固胶，更因其巨大的优势而成为锚固材料的 佼佼者。 1 2 ，1 有机化学锚栓发展状况 有机化学锚栓( 图1 1 ) 由不锈钢或镀锌螺杆、有机化学胶管和垫圈及螺母组成， 其中有机化学胶管含有反应环氧树脂、硬化剂、石英砂及玻璃管。 _ _ 。r _ 一一广_ _ _ _ _ 丁 口 +_ !川i l u ：h il 目 不锈鼬掰罄社晰颦圈螺母 j ：。 ， 二 。f 。 。 。_ _ 。4 有机阮黻 图1 1 有机化学锚栓 以高分子材料为主要组份而开发成功的有机化学锚栓仅有几十年历史【1 0 。”。原联邦 德国在1 9 5 8 年开始研制化学锚固胶，次年在阿玛煤矿进行了试验，于1 9 6 1 年获得成功， 此举引起发达国家的重视进而扩展到其它国家，并逐渐发展起来。进入2 0 世纪7 0 年代， 锚固胶有了新的发展，从矿山使用走向铁道、水利及各类建设工程的施工与改造，从而 扩大了应用范围。2 0 世纪9 0 年代，发达国家的化学锚栓有了新进展，并将产品打入我 1 绪论 国。1 9 9 5 年，瑞士的喜利得胶进入我国市场，随后德国的慧鱼胶进入国内。这些锚固 胶有注射式和玻璃管式，其中注射式因使用方便而应用最广，该产品包括独立包装的两 种成份的合成树脂砂浆，砂浆在静力混合管中进行混合。这种产品使用时不需单独的混 合过程，且固化时间短，可避免由成分称重错误而引起的质量事故，因此使用方便，并 能减少浪费，缩短施工工期。由于进口锚固胶有以上诸多优点，因而目前市场需求量很 大。 我国锚固胶技术起步较晚，1 9 7 5 年中国煤炭研究院等单位开始了研制，到1 9 7 6 年 先后在淮南等煤矿的矿井中进行了工业试验，该年试验了三万条根，效果很好，并且通 过了煤炭工业部的技术鉴定。1 9 7 8 年，由法国引进的辽阳化纤总厂的一座变电所楼的 承载梁，因设计上配筋不足，楼房建成后，有几根梁多处出现裂纹，后经法方采用法国 西尔卡杜尔3 1 # 建筑结构胶，将钢板粘贴在梁底部进行补强，才达到原设计强度，恢复 正常使用功能，收到了省工、省资、可靠、安全的效果。尔后于1 9 8 0 年正式由建设部 下达了“建筑结构胶及应用”的研究课题，由中科院大连化物所与辽宁省建科所共同攻 关，于1 9 8 3 年完成了课题，研制出我国第一个实用型的建筑结构胶，填补了国内这方 面的空白，这就是目前市场上的“j g n 胶”，其主要成份是环氧树脂。j g n 胶试用之初 主要作粘钢加固用，随着锚固市场的扩大，目前j g n 胶也广泛用于锚固领域。j g n 胶 与进口胶相比突出的优点是价格便宜，但使用不方便，要在旌工现场将粘合剂的主剂和 固化剂混合在一起，容易造成胶料浪费，且固化时间长，从而影响下一步工序的进行。 近几年国内科研院所加紧了建筑结构胶的研究工作，其中可作锚固用胶的有北京的 “金草开= i ”，其主要成份也是环氧树脂。目前国内的锚固胶使用方法都类似j g n 胶。最 近市场上出现上海“汇丽牌”玻璃管锚固胶，这种包装使用起来较j g n 胶方便，但玻 璃管式包装成本较高。目前，南京市轻工研究所正着手进行“新型建筑结构锚固胶的研 制”工作，双组份合成树脂砂浆已研制成功，现着手进行施工机具的研制，有望达到与 喜利得和慧鱼胶相同的性能、类似的使用方法，而价格较便宜，这必将给锚固胶市场带 来很大变化。 目前，我国市场上所用化学锚栓的锚固材料主要是有机质类锚固材料。实践证明， 其应用可以起到较好的锚固作用，但在应用中也存在较多不足，且部分性能弱点是由基 体材料性能决定的【1 2 叫3 。，在短期内难以解决或经济代价过大。具体表现有： 有机质类锚固材料的性能与被锚固混凝土结构材料的性能不适应、不协调。锚 固材料不但要求具有比被锚固混凝土结构更好的力学性能，而且要求具有与被修补材料 相接近的弹性模量和线膨胀系数。由于混凝土的弹性模量约为( 2 4 ) 1 0 4 m p a ，而有 机质锚固材料弹性模量约为( 2 3 ) 1 0 3 m p a ，两者弹性模量不在同一数量级上，易导 致该锚固材料固化后在应力作用下的变形以及随环境变化所引起的温、湿度变形与被锚 固基体混凝土材料的相应性能变化不协调，容易造成有机质锚固材料与混凝土界面 西安科技大学硕士学位论天 粘结强度减弱甚至脱粘，成为锚固结构不稳定的隐患，这类事件在实际锚固工程中常有 发生。 有机质类锚固材料存在耐久性不良的问题。这是因为，后锚固结构主要是钢筋 混凝土结构，由于以硅酸盐水泥为主要组分的水泥石和混凝土硬化体中的液相呈高碱 性，d h 值一般在1 2 ，5 以上，在如此高碱度的环境中，有机质类锚固材料容易碱化变脆 或粘结，这不仅会直接引起该材料自身强度的下降，而且还会大幅度降低锚固材料硬化 体与锚栓之间的粘结强度，影响锚固结构传递荷载的能力，并最终影响锚固结构的安全 性。目前，尚没有有效办法克服，使现有锚固材料的老化问题成为该类材料应用中最受 关注和最令人担心的问题。 有机质类锚固材料耐热性差，与螺栓的粘结强度受施工作用影响较大。虽然有 机质类锚固材料如环氧树脂类或氨基甲酸脂类锚固材料各项指标均较理想，也具有较高 的早期强度，但有机高分子结构中的碳碳键、醚键的键能较小，高温下易降解，决定了 其耐热性相对较差，不能满足建筑物防火规定。虽然可以通过采用耐高温环氧树脂、耐 热性固化剂、高温固化、添加耐热填充剂和稳定剂等方法提高其耐热性，但作用有限。 锚固硬化结构容易因焊接作业产生的温度升高而变形或发生粘性流动，影响锚固材料与 螺栓的粘结强度，导致锚固失效。 有机质类锚固材料施工难度较大。现有有机质类锚固材料的混合过程是在一个 输送螺杆中进行和完成的，对施工设备的精度和施工人员的熟练程度要求较高。同时， 有机质类锚固材料也不适用于潮湿作业面的施工过程，且对混凝土表面的浸润性很差， 有自动脱离表面的现象。施工易受室外温度、天气变化的影响，对孔洞内外表面要求必 须干净无灰尘、无油污，孔内干燥，遇有油污必须用丙酮仔细擦干净，否则，易出现粘 流体局部不硬化或硬化性能不均匀，导致应力集中，直接影响锚固结构的安全性。 有机质类锚固材料不是目前国家提倡使用的环保型材料。有机质类锚固材料在 施工时对条件要求非常严格，必须对孑l 内的粉尘除净，否则会影响锚固力。有机质类锚 固材料在施工时，清孔过程会对环境造成污染，同时粉尘会对工人的身体造成一定的危 女 由。 从以上所述知道，有机化学锚栓的粘结剂主要是有机环氧树脂类或氨基甲酸酯类物 质，有机化学物质的特点决定了有机化学锚栓的性能。例如，有机化学锚栓不耐高温； 有机化学锚栓不可焊接，国家建设部混凝土建筑后锚固技术规程审定稿中规定有机化学 锚栓耐瞬态温度为8 0 0 c ，也就是讲不能用于防火区和建筑幕墙后置二次焊接处用；有 机化学锚栓的有机化学胶管含有有毒物质，施工时如操作不当可腐蚀工人的皮肤；有机 化学锚栓抗老化性能较差：有机化学锚栓必须在钻孔内无水时施工操作，同时钻孔内的 粉尘必须清洗干净：有机化学锚栓不是绿色环保产品，不符合目前的国际发展趋势。 鉴于上述原因，许多专家认为l l ，用无机质类材料修补、加固无机质类材料具有天 4 1 绪论 然的相容性，可以起到良好效果。化学锚栓的锚固材料由有机质类向无机质类过渡是其 不断完善和发展的必然趋势。 1 2 2 无机化学锚栓发展状况 根据目前国内外无机类胶凝材料系统的研究开发成果，以无机盐类为主要组分的无 机聚合物类胶凝材料，可望满足上述各项技术要求。该材料具有以下特点： 属于无机非金属材料，人 ：合成的这类材料与混凝土结构材料碱度相当，可以 有效保护后锚固螺栓； 在应力作用下的弹、塑性变形和随温、湿度变化引起的变形等性能与被锚固钢 筋混凝土结构的性能基本一致，有利于保持锚固硬化体与被锚固结构在应力作用下的整 体性： 具有足够高的早期和后期强度，与螺栓的粘结强度高，可以保证锚固材料与被 锚固混凝土结构界面之间高的粘结强度，达到有效、稳定传递锚固应力的作用； 硬化体具有稳定的矿物组成和很高的耐久性，可有效抵抗侵蚀介质的腐蚀作用， 为锚固结构具有良好使用性能提供技术基础； 固化时间适宜，体积稳定性好，耐热性好，锚固硬化结构不受焊接作业产生的 高温影响。 近年来，西安科技大学土木与建筑工程学院王晓利教授开发研制成功了一种新型化 学锚栓一无机化学锚栓，无机化学锚栓( 图1 2 ) 由不锈钢或镀锌螺杆、无机化学锚固 剂和垫圈及螺母组成，与传统的有机化学锚栓的区别就是锚固材料是由无机化学材料组 成的。 图1 2 无机化学锚栓 相对于有机化学锚栓，无机化学锚栓有着更优异的性能： 无机化学锚固剂主要由无机化学材料k 1 、无机化学材料k 2 组成。具有早强、快 西安n - 4 , 大学硕士学位论文 疆、毫强特点，l o m i n 藐压强凄可这2 0 1 m p a ，l 2 h 抗压强寰可达3 2 。1 m p a ，魏滚压强 度可达4 0 5 m p a ，1 天抗压强度可达7 5 7 m p a ，3 天抗压强度可达8 0 5 m p a ，且厢期强度 持续增长；固化时问为l o m i n ，固化时间适宜。 无极化学镬栓具毒旋工操搏篱馕，工人易于掌握，安装遗发加快，安装膜量易于 保证。 无机化学锚固剂耐久性能优良，强度的热稳定性与混凝土相近，能提供商碱度的 液相环境，保护钢筋性能良好。 无蔽徒学键拴是一秘绿色琢豫燮产燕，薤工辩不会对工人瓣身薅造成秘密。 无机化学锚栓的临界锚固长度受无机化学锚阐剂抗压强度、混凝土的相对保护层 厚度和锚栓净间距、锚栓的直径和外形等诸多因素的影响，但一般不超过1 0 d 1 5 d 。 无极化学锈栓的长簸静力性能可靠，其锚固失效属链国强痰失效。 无极化学锚固裁生产工艺箍单，旋工操作篱馁，其生产惑藏本魄常矮有机类锚固 材料价格低，其生产应用煎有良好技术、经济和社会效益。 无机化学锚栓为世界酋创环保型高性能化学锚检，弥补了有机化学锚栓的许多不足 之处，经过戮家建夔囊量熬謦检验孛心检验合穆，蓑各项煌戆捂舔，薅剽是蕤= 】二熬蠖宝 性和环保性能均优于有机锚栓产品，推入市场以来，得到了各使用建筑公司和黎墙装饰 单位的一致好评。该产品已广泛用于幕墙结构固定、钢结构固定、各种设备设施基座安 装以及工业与民用建筑、水利水电、邀鼹、桥梁、隧道等加固及扩建工程的钢筋锚固。 逶蔫范围冤黼1 3 。 ( 砖蘩壤支檠糍定国) 钢结稼强定 ( c ) 电梯旗座固定( d ) 设备基础固定 6 ( e ) 道路桥梁隔音板同定( f ) 广告牌、栏杆基础固定 ( g ) 防撞栏固定 ( h ) 隧道管道固定 图1 3 无机化学锚栓适用范同 1 3 本课题的提出 1 3 1 本课题研究的必要性 对于无机化学锚栓，研究人员已经做了大量的螺栓静力抗拔实验。实验证明，只要 施工人员按照无机化学锚栓技术手册实施，破坏一般都在螺栓屈服之后，并且延性较好， 而锚固胶与混凝土之间的界面以及其与螺栓的界面不发生破坏。这说明无机化学锚固胶 能提供良好的抗拉和抗剪强度以及与混凝土和螺栓的粘结强度，能达到工程使用的要 求。但是在此方面的研究工作尚不全面，主要存在以下一些问题： ( 1 ) 规范中对于无机化学锚栓的现场检测尚无明确规定 锚栓抗拔承载力现场检验，e t a g 末作规定，西方国家大多着重原材料须量检验和施 工程序控制，一般不作现场检验；但按照我国建筑工程质量验收统一标准精神，则 为必检项目。由于锚栓在我国起步较晚，性能不够稳定。目前，德国、瑞士、r 本等国 的锚栓厂商已经强占了中国大半个锚栓市场，形成国产锚栓和进口产品的激烈竞争与混 用局面，整个锚栓市场缺乏标准、规范约束，致使生产和使用严重脱节，工程事故时有 发生。为了安全可靠的使用，正确有序的引导无机化学锚栓在我国的健康发展，对无机 化学锚栓抗拔力现场检测标准进行研究，这是一项迫不及待的工作，同时为我国撰写相 西安科技大学硕士学位论文 应的规范提供依据。 ( 2 ) 对于无机化学锚栓施工性能研究尚不全面 对于无机化学锚栓的施工性能研究人员已经做了大量的工作，研究了无机化学锚栓 安装时间和锚固力的有关影响因素，但主要考虑的是水固比，材料配比的影响等内在因 素，而没考虑外在的环境因素。本课题在这方面的研究表现在两个方面：一是无机化学 锚栓安装时间的确定，以往安装时间通常以锚固剂的固化时间为准，这是不准确的，也 是不安全的。只有当锚固剂固化后并且具有一定的强度足以抵抗螺栓螺母的扭矩的时候 才可以进行锚栓的安装，同时安装时间受外界因素( 包括温度、水和粉尘) 的影响比较 大。二是无机化学锚栓的锚固力受外界因素的影响因素有待于研究，锚固力的大小提供 的是无机化学锚栓的承载时间，且大小随温度、水环境、粉尘和扰动的不同而变化。 ( 3 ) 对无机化学锚栓的抗渗性能研究尚不深入 以往的研究人员对无机化学锚栓的抗渗性做了较浅的实验，对于无机化学锚栓的孔 结构、抗渗机理以及评价无机化学锚栓抗渗性优劣的标准没有给出。抗渗性既是无机化 学锚栓的基本性能，也是无机化学锚栓耐久性的一个重要特性，因为环境中的各种侵蚀 介质只有通过渗透才能进入锚栓内部产生破坏作用，从而劣化无机化学锚栓的耐久性 能。因此有必要对无机化学锚栓的抗渗性能进行深一步的研究。 ( 4 ) 对于无机化学锚栓的抗振动抗疲劳性能尚未进行研究 研究表明，在静力作用下，无机化学锚栓提供了比较好的抗拉和抗剪强度以及与混 凝土、钢筋的粘结强度，能够达到工程使用的要求。但对于工程中所关心无机化学锚栓 在交替荷载作用下的受力和破坏情况，没有进行此方面的研究。而我国许多建筑物加固 的原因是正是为了适应建筑物在反复交替荷载作用下的需要，这就使设计人员在采用无 机化学锚栓技术的时候缺乏足够的依据，面临一定的困难。 总之，无机化学锚栓是一项正在发展中的技术，其研究工作还需要继续进行，尤其 是工程应用的关键技术需进一步研究开发。 1 3 _ 2 本课题研究的内容 ( 1 ) 无机化学锚栓抗拔力测试标准研究； ( 2 ) 无机化学锚栓施工性能研究； ( 3 ) 无机化学锚栓抗渗性能研究； ( 4 ) 无机化学锚栓抗振动抗疲劳性能研究： ( 5 ) 无机化学锚栓工程应用研究。 1 3 3 本课题研究意义 本文研究主要有以下五个方面的意义： l 绪论 ( 1 ) 通过无机化学锚栓抗拔力测试标准研究，可以安全可靠的使用，正确有序的引 导无机化学锚栓在我国的健康发展，同时为我国撰写相应的规范提供依据； ( 2 ) 对无机化学锚栓的施工性能进行研究，能拓宽无机化学锚栓在负温、有水、粉 尘以及扰动等不良施工环境下的应用： ( 3 ) 通过无机化学锚栓抗渗性能研究，能保证无机化学锚栓在水环境中具有良好的 耐久性能，可以长期在水环境下应用： ( 4 ) 通过无机化学锚栓抗振动抗疲劳性能实验的研究，可以解决无机化学锚栓在复 杂受力条件下工作的可靠性，能够用于铁路、电梯等长期承受反复交替荷载的工程； ( 5 ) 由于无机化学锚栓具有不怕水，不怕火，可焊接，耐高温，抗疲劳等特性，可 以针对这些特性进行研究，使无机化学锚栓在满足工程的要求下发挥其具有的特性。 西安科技大学硕士学位论文 2 1 概述 2 无机化学锚栓抗拔力测试标准研究 随着城市建设步伐的加快，高层和超高层建筑在大中城市都己屡见不鲜，幕墙装饰 将建筑外围护墙的防风、遮雨、保温、隔噪声、防空气渗透等使用功能与建筑装饰功能 有机地融为一体己成为现代城市高层建筑的一种标志。但由于施工质量问题或材质差， 以及遭遇台风、地震等自然灾害，而致使玻璃幕墙破裂或脱落伤人的事件也时有发生， 因此玻璃幕墙的使用安全越来越受到人们的重视【l 1 。 在玻璃幕墙与建筑主体结构的连接中，主要承受的荷载有：玻璃的重力荷载、风荷 载、地震作用和温度作用，不均匀沉降导致大面积幕墙产生内应力，要满足这些荷载的 要求，保证结构安全，控制影响因素主要有以下两个方面： ( 1 ) 原材料的质量 玻璃幕墙的主要原材料包括铝合金型材、玻璃、粘结密封材料等，如果铝合金型材 和玻璃的强度不足，或以小代大，这对玻璃幕墙的整体变形有直接的影响，将会给玻璃 幕墙的结构上埋下严重隐患，影响公共安全。 ( 2 ) 固定玻璃幕墙与主体结构锚栓的连接质量 玻璃幕墙是按围护结构来设计的，其主要构件悬挂在主体结构上，幕墙构件与混凝 土结构的连接通过预埋或后置锚栓来实现。幕墙上的各种荷载主要由锚栓来承受，锚栓 的受力大小与螺栓的直径、埋入深度、构件的混凝土强度、对螺母的扭力大小等因素有 关。在幕墙结构设计上要求连接件与主体结构的锚固强度应大于连接件本身承载力的设 计值，与连接件直接相连的主体结构构件，其承载力应大于连接件承载力。因此如果锚 栓连接件本身强度不足、主体结构的混凝土强度达不到设计要求，或施工安装等环节出 现锚栓紧固不牢等问题，极易造成玻璃幕墙与主体结构的固定不牢靠，易给玻璃幕墙的 结构安全留下隐患。 2 2 当前建筑幕墙锚栓拔力检测的方法及其缺陷 针对上述原因，玻璃幕墙工程质量的检测，除检测原材料本身质量外，检测幕墙节 点锚栓的抗拔力，以确定其实际综合承载力显得更为重要。固定幕墙的后置式连接件主 要有两类，一类是机械膨胀固定锚栓，另一类是化学粘结固定锚栓。锚栓拔力检测方法 有多种，目前较为先进的检测方法是便携式数显锚栓拔力检测仪，其主要检测原理是： 由电阻应变荷重传感器、放大电路、液晶显示器三部分组成，被测力作用于粘贴有电阻 应变片的应变筒上，并配以平衡电桥，在液晶显示屏上以力的参数数字显示( 见图2 1 ) 。 0 2 无机化学锚栓抗拔力测试标准研究 图2 1 锚栓拔力检测原理示意图 目前检测锚栓拔力的破坏标志主要做法有： ( 1 ) 检测时以锚栓的抗拔力达到或超过设计部门提供的荷载乘以一定的安全系数时 锚栓未出现滑移或混凝土未破坏作为标志。 ( 2 ) 将锚栓拔至破坏前的最大荷载作为极限荷载。 但在实际工程检测中，我们发现大多数锚栓，在受力后，其紧固用的螺母产生一定 位移，但其力值不断提高，以某市某幕墙工程为例，现场检测装置见图2 2 。 ( a ) 受力状态前( b ) 受力状态后 图2 2 现场检测装置示意图 该工程幕墙的节点锚栓设计直径为1 2 m m ，其设计荷载单根力值为1 2 6 k n ，通过现 场检测，发现锚栓在受力后，其力值在达到设计值1 2 6 k n 后仍然在提高，但是其紧固 用螺母的弹簧垫圈己有明显松动现象，这说明仪器所测量的数值与锚栓保证节点支座固 定的实际受力荷载有差异，如果锚栓的变形在允许的范围内，不会影响其正常使用；如 果受力后由于锚栓变形过大，将引起玻璃幕墙的节点支座失去作用，从而使幕墙玻璃的 内应力过大，而造成的玻璃易碎，直接影响玻璃幕墙的结构安全。 西安科技大学硕士学位论文 因此，目前检测锚栓抗拔力的判断标志存在着以下两种缺陷： ( 1 ) 当以锚栓受力后到破坏前的荷载作为极限荷载而未考虑节点锚栓的变形，而此 时幕墙结构的整体变形己大大超过设计所允许的变形。如果以这种破坏特征作为检测结 果，已经不能满足设计的要求。 ( 2 ) 在玻璃幕墙节点中，由于各个锚栓的材料以及安装施工等差异，其应力和应变 就不一样。在实际工作中，如果有一个锚栓失去紧固时的工作状态而破坏时，此时该节 点的荷载将由其它的锚栓来承担。如果以上述的破坏特征作为检测结果来评判幕墙节点 支座的实际受力荷载，因其未考虑变形的要求，这种检测结果容易造成误判，从而给玻 璃幕墙的使用结构安全带来许多不利因素。 2 3 本文提出的锚栓拔力检测方法 在固定幕墙的后置式连接件中，各种不同的锚栓有着不同的破坏特征，对机械膨胀 固定锚栓，受力后其力值不断提高并产生变形，但是当其变形超过弹簧垫圈的弹性变形 后，如果此时卸荷，幕墙节点松动，锚栓失去紧固作用；而对于化学粘接型固定锚栓， 在安装固定后，经过受力，如产生变形，即失去锚固作用。 玻璃幕墙构件由玻璃和铝合金框组成，变形能力很小，据玻璃幕墙工程技术规范 j g 儿0 2 9 6 第4 2 ，8 条明确提出，玻璃幕墙在设计允许的相对位移范围内不应破坏；建 筑幕墙j g 3 0 3 5 - - 1 9 9 6 规范具体提出了幕墙与建筑物的允许相对位移值以r 来表示，其 数值详见表2 1 。 表2 1 幕墙与建筑的允许相对位移值 注：r = a h ，其中为层问位移，h 为层高 针对上述检测方法存在的缺陷，为保证幕墙节点支座的安全和不同等级玻璃幕墙在 所允许的相对位移的范围内不破坏，在检测锚栓的抗拔力时，应考虑锚栓的锚固失效变 形。由于无机化学锚栓属粘结型锚拴，在安装固定后，经过受力，如产生变形，就失去 锚固作用。 5 3 夕1 ，在检测过程中，大多数现场工程师对检测数量和试验荷载的大小都不能确定。 2 无机化学锚栓抗拔力测试标准研究 由于相应的国家标准还未出台，这给工程质量检测造成了一定困难。经过近几年的现场 检测，发现化学锚栓的强度高，质量稳定，而且m 1 4 以下螺栓的破坏特征大多都是螺 杆拉断。因此检测数量可比建筑基坑支护技术规程的要求( 试验数量为总数的5 ) 适当放宽。 有些检测中也存在另外的缺陷。由于抗拔仪大多是手动控制，所以检测抗拔力时的 速度很难精确控制，但速度过快、不匀都会导致抗拔力失真。在现场检测时对应变速率 较难监控，所以可以采用连续加载或者分级加载，见下文。 试验的设备也会对抗拔力产生影响。因为当混凝土的强度不高，而螺栓强度很高时， 混凝土将形成锥体破坏。研究表明，常见的锚栓受拉破坏一般有三种情况，锚栓拉断破 坏；拔出破坏和混合破坏( 见图2 _ 3 ) ( a ) 拉断破坏( b ) 混合破坏( c ) 拔出破坏 图2 3 锚栓破坏形式 据资料介绍【l ”。拉断破坏主要在h 。d 9 时发生，或者混凝土强度过高或锚固区钢 筋密集，或螺杆材质强度较低或有效截面偏小时，此种破坏一般有明显的塑性变形，破 坏荷载离散性较小；当锚深很浅( 9 ) h 。，d 5 ) 时，形成以基材表面混凝土锥体及深部 粘结拔出之混合破坏，这种破坏锥体一般较小，锥颈约1 h 锥顶位于约h 。，3 处，其 余2 h 。，3 为粘结拔出；h 。，d ( 5 时为拔出破坏( h 。，为锚栓的有效埋深，d 为螺栓直径) 。 而在锥体范围内有一很大的压力时，将约束锥体破坏的形成，这种检测的方法与锚 栓的实际受力有明显的区别。由前述已经知道，锚栓混合型破坏时混凝土锥体直径约为 l h ，因此，拉拔仪的支径应l h ，才不致使锚栓受力状态人为改变。否则，支环会 抵住砼上移变形，甚至混合型破坏消失，显著提高抗拔力。目前大量使用的z y 拉拔仪 无支环，不符合要求。 对此，如何测定玻璃