粘钢加固及其应用

1、粘钢加固及其应用粘钢加固及其应用顾燕飞摘要：本文论述了我国结构胶的发展，阐述了建筑结构胶的粘接机理及粘结界面的破坏机理和影响粘接强度的因素，以江苏太湖地区蠡河水利枢纽加固工程为实例，详细论述了粘钢加固的施工方法。关键词：结构胶粘接机理破坏机理船闸加固施工方法StructureMemberStrengtheningWithExternallyBondedSteelandApplicationGuYanFei(TongJiUniversity,Shanghai.200092)ABSTRACTJhedevelopmentofstructuraladhesivesinchinaisdescribed.

2、Bondingmechanismofstructuraladhesives,failuremechanismofbondinginterfaceandinfluencingfactorsofcompressionstrengthhavebeenanalyzed.ThroughanexampleofirrigationworksofstructurestrengtheningprojectinLiriverofTaihuLakedistrict.jiangsuprovince,theconstructionmethodofstructurememberstrengtheningwithexter

3、nallybondedsteelisdiscussed.KEYWORDSstructuraladhesivesbondingmechanismfailuremechanismlockstrengtheningconstructionmethod一、概述随着时间的推移，建于50-60年代的建筑物，至今已风烛残年，经济飞跃发展的步伐，使许多桥梁、水闸、船闸面临超负荷工作，危情不断发生，国力不允许把这些建筑物全部拆除重建，除险加固工程与日俱增。著名建筑家朱伯龙先生早在95年提出“21世纪将是建筑改造加固的世纪”。科技的发展使加固技术得到了升华，传统的加固方法已不能满足现代化的要求，新材料的发明应用使

4、传统加固法望尘莫及，20世纪八十年代结构胶的发明，使工业与民用建筑加固进入粘钢时代，20世纪90年代碳纤维的引进又使加固进入纤维时代。近年来，这些先进的加固方法在交通水利工程中得到应用，尤其是粘钢加固法在水利工程中的应用，已得到进一步的发展。二、粘钢及其发展应用粘钢是以结构胶作为粘接剂，将补强用的钢板或型材牢固地粘接在各种钢筋混凝土的构件上与钢筋混凝土共同受力，满足结构承载力的要求。粘钢技术的关键在于作为粘接剂的结构胶，20世纪60年代一些西方发达国家已广泛将建筑结构胶用于公路、公路桥、机场、水利工程、军事设施的加固中。1978年，法国援助我国建造的辽阳化纤总厂一座变电所，因设计上配筋不足，造

5、成大梁多处出现裂缝，法方采用法国西卡杜尔31#建筑结构胶进行粘钢加固，收到了省工、省资安全可靠的效果，被“神奇”惊呆了的中国工程界立即回过神来，次年建设部下达了“建筑结构胶研制及应用”的课题，83年，我国建筑结构胶研制成功并开始广泛应用，粘钢技术得到迅速发展，1990年，粘钢加固技术正式编入CESC2590规范中。23年来，全国建筑结构胶的用量从1983年的5吨增加到2004年的15000吨，并且已走出国门，其性能、质量、品种、数量为世界之首。三、结构胶粘钢加固技术是通过结构胶使钢与其它结构构件成为整体，所以，粘钢加固的核心技术是建筑结构胶，其强度要求高，综合性能好，本文以同济大学研制的TJ结

6、构胶（适用大于216mmi钢板的粘贴）为例，阐述结构胶的组成，粘结机理，破坏机理及影响粘接强度的因素。（一）结构胶的组成建筑结构胶不同于原始的建筑胶粘剂，胶粘剂用于非结构间粘接，它们可以是大然胶粘物或一般单组份合成高分子材料，结构胶需要将多个组分及材料进行混合反应来制成一种多元组合物，在使用过程中，经过一定的物理化学作用，达到结构中的使用要求.TJ结构胶由主体粘料及与其相匹配的固化剂，增韧剂，助剂和填料等材料组成。1、粘料：结构胶性能的优劣主要由主体粘料来决定，国内外结构胶所用粘料均为热固性高分子材料，如各种型号的环氧树脂、各类丙烯酸树脂、不饱和聚脂树脂、有机硅树脂及化合物、聚氨基甲酸酯、带极

7、性基团的高分子弹性体等。TJ结构胶的主体粘料是以环氧树脂为主料，加入其它热固性树脂及高弹体经反应而得，胶体具有极性，它们在交联前，具有较高的流动度，能很好地润湿被粘物表面，确保粘接强度。它们交联后，具有坚实的体型结构和较高的机械强度及粘附性能。2、固化剂：固化剂是结构胶的重要组成，它是直接参与树脂进行化学反应的物质，在一定外界条件下，使粘料由液态转变为固态，其性能和用量直接影响固化物的性能，TJ结构胶的固化剂是根据需要形成胶层的性能要求配制的，以确保体型（网状）结构具有足够的硬度、强度、韧性。3、增韧剂为提高热固性树脂固化物结构抗冲击性能，TJ结构胶中加入了与主树脂相容的具有极性和活性的增韧剂

8、一一液态聚硫橡胶。液态聚硫橡胶是一种低分子量的稠液体，分子量一般不高于3000,硫化后具有优异的耐水性，耐油性，耐化学介质性，耐老化性，在很宽的温度范围内能保持很好的弹性和粘附性，与环氧树脂混合后，未端的硫醇基（-SH）可以和环氧基发生化学作用，从而参加到固化后的环氧树脂结构中，赋于交联后的环氧树脂较好的柔韧性。同时聚硫橡胶又是一种极性材料，与水不溶，其憎水基团具有排水功能，与主树脂反应后生成物在水中对极性材料（钢板、混凝土都是极性材料）具有优异的粘附力和稳定性。所以，TJ结构胶又是水下粘接胶，可在水工建筑中发挥作用。4、填料：填料不参与主粘料的化学反应，但能改变其性能、提高粘接强度、胶体机械

9、性能、表面硬度，降低固化体积的收缩率、热膨胀系数，并能增加胶液的粘度，提高抗磨性、耐热性和耐介质性。TJ结构胶中就配有碳酸钙、三氧化二睇，硅酸培等20多种填料。5、助剂：TJ结构胶中加入了3%禺联剂，从而提高了耐水性和耐潮湿性及耐热性，同时强度提高了10%除偶联剂外，TJ结构胶中还加入了防老化剂（N-苯基-1-蔡胺）和促进剂DMP-30（二）粘钢加固的粘结机理粘钢的粘结机理十分复杂，机械理论认为，结构胶必须渗入被粘物表面的空隙内，并排除其界面上吸附的空气。结构胶粘接经表面打磨的钢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机械镶嵌，增加表面积，达到粘接目的。弱边界层理论认为钢板、混

10、凝土表面的灰尘、油污、氧化层、碳化层、浮浆层等的存在会使界面形成弱边界层，当破坏发生时，看起来发生在结构胶与钢板、混凝土界面，但实际上是弱边界层的破坏。吸附理论认为，粘接是两种材料界面问分子接触和界面力产生的，粘接力的主要来源是分子间作用力，包括氢键力，但主要来自范德华力的贡献。同时结构胶的表面张力必须小于钢板、混凝土的表面张力，只有这样才能使胶体润湿钢板、混凝土表面及表面上的凹陷与空隙中。良好的润湿使胶粘剂与被粘物紧密接触，在粘附力和内聚力的作用下，达到完美粘接的目的。这就是粘钢加固的粘结机理。这也是粘钢加固的基本原理。所以粘钢加固必须满足以下条件：1、由于钢与混凝土都是极性、刚性材料，所以

11、结构胶必须具有强极性与强高韧性的特点。2、钢板及混凝土表面的油污、灰尘、氧化层、碳化层会造成弱边界层的存在。所以，粘接界面必须打磨清洁处理。3、结构胶对效钢板、混凝土表面必须具有良好的润湿性。粘钢只有在同时满足这些条件下进行，才能获得良好的果。（三）粘钢加固的破坏机理了解破坏机理是为了防止、阻止破坏的发生，破坏的形式有四种：1、混凝土破坏，破坏发生在混凝土内。2、内聚破坏，破坏发生结构胶。3、界面破坏，破坏发生在结构胶与钢板或混凝土界面上。4、混合破坏是内聚破坏、粘附破坏和混凝土材料破坏的混合，理想的破坏形式是100%勺内聚破坏，这种破坏能获得最大的强度。这些破坏的原因一方面由于结构胶没有完全

12、润湿基体的表面，另一方面粘结过程中结构胶固化时的收缩及结构胶与被粘物性质上的差异而导致界面层产生的内应力。这些原因形成了粘接面先天的缺陷，在内外力综合作用下，这些固有缺陷的周围会发生应力集中并造成微细裂缝，这种裂缝被称作为原始裂缝，原始裂缝不断扩展并增加到它临界长度时，即在裂缝端部造成的应力集中超过它的裂缝增长力时，裂缝即快速扩展，造成粘结界面的破坏。这就是粘钢粘结破坏的机理。防止、阻止粘接破坏的要点在于（1）结构胶润湿性好，施工得当。（2）缩小结构胶与被粘胶物质差异，尽可能使结构胶与被粘构物膨胀系数相近。（3）结构胶中添加活性弹性物质。（四）影响粘接强度的因素影响粘钢加固粘结强度的因素有物理

13、的也有化学的，与选用的胶种、使用的环境和施工的质量有着密切的关系。1、表面处理对粘接强度的影响粘接前钢板、混凝土的表面处理是粘接成功的关键。由于钢板表面存在氧化层，混凝土表面存在脱膜剂残留物及风化粉尘，形成“弱边界层”。对被粘物表面处理，可使表面粗糙化，创造机械镶嵌环境，有利于结构胶对被粘材料的浸润，从而有利提高粘接强度。2、粘接面施压对粘接强度的影响粘贴钢板时，应向钢板给予垂直压力，使结构胶充满粘接面上的坑、槽、洞，在压力的作用下，胶体甚至深入深孔和毛细管中形成根系。当胶的粘度较小时，施压会导致过度流淌，造成缺胶，影响粘接强度。施工时适时地调整胶的粘度是十分必要的。3、胶层厚度对粘接强度的影

14、响从某种程度上来讲，粘接强度与布胶量有关，但绝不是胶层越厚粘接强度越高，胶层过厚，易产生气泡缺陷，受热后的热膨胀在界面区造成的热应力也较大，容易引起早期断裂。4、内应力对粘接强度的影响内应力包括收缩应力和热应力0当结构胶交联固化时，聚合物的内聚强度随交联（五）TJ结构胶的性能拉伸强度压缩强度拉伸剪切强度正接粘结强度12Mpa2.9Mpa密度的增加而增大，当交联过度时，聚合物变硬变脆，当收缩力超过粘附力时，表面强度显著降低，聚合物耐冲击性明显下降；当钢板受热膨胀时，粘接界面由于粘接的约束而产生应力，当应力超过粘附力时，粘接强度显著降低。结构胶在高于60c时，胶体分子有降解的可能、有继续交联的可能

15、、有可迁移物逸出的可能，这些因素都将影响粘接强度。胶体中加入适量的填料能大大减小热膨胀系数差而引起的应力。56Mpa标准伯3089Mpa标准伯70标准伯10标准伯2.5四、粘钢加固在水利工程中的应用粘钢加固在建筑工程上的运用已有20多年的历史，主要用于承重结构的补强加固.由于水利工程的特殊性，粘钢加固技术在水工建筑上的运用发展相对迟后.近十年来，在经济发展与国力的综合作用下，该技术在水利工程上得到了广泛的运用和发展.本文以江苏太湖地区蠡河水利枢纽墩墙加固工程为例，阐述粘钢技术的施工方法.蠡河水利枢纽墩墙加固实例（一）工程概况蠡河水利枢纽位于苏州湘城区望亭镇西侧望虞河立交工程下游，主要沟通望虞河

16、与大运河的航运.工程包括8米净宽通航节制闸和8（12）*135*2.0米船闸各一座.由于通过枢纽工程的船舶大大提高，在通行超设计标准的船舶时，不可避免地对结构产生碰撞、挤压和摩擦，在没有防护设施的情况下，枢纽工程的墩墙结构在水位变幅区及其以上一定范围内遭到严重破坏，已经危及工程自身结构安全，经专家鉴定三个闸首的墩墙、渐变段闸及上下游翼墙等需要加固修复.工程破损情况如图：（二）加固设计本工程由江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司设计。加固设计需同时解决二个问题，一方面应对破损部位进行恢复加固，保证原结构的完好和安全；另一方面,应确保加固恢复后的结构不再被破坏，加固设计应重点解决墩墙结构表面防撞、

17、耐磨问题。设计方会同上海宏强、同周等多家加固单位进行研讨，确定采用上海同周结构工程有限公司提供的粘钢加固技术，并结合比较成熟的植筋锚固技术，将护面钢板粘贴、锚固在墩墙表面，以达到对墩墙结构长久和有效防护的目的，增强枢纽工程抗撞耐磨能力，改善枢纽工程结构通航防护条件，确保结构安全、完好。（三）粘钢工程施工方案1、碎表面处理粘钢加固对硅基面的要求十分严格，是关键的工序，它不适合对强度低于C10碎的加固，表面不能存在败坏层，油污，否则会直接影响粘结强度，不能使钢板与碎共同受力。本工程所处的河道，机动船只往返频繁，水面油污染相对严重，水住升降区碎长期受油污侵袭且渗入碎内的深度大。又因加固后不影响闸首净

18、宽，故设计变更对闸首两侧碎墩墙各凿除2cm,所以施工前要对碎表面进行凿除处理，方法如下：用装有金刚石割片的角各电动机,对碎进行拉槽，用人工凿除2cm碎表层，并用吹灰机吹除粉尘，后用高压水清洗，干燥后涂一层TG结构胶作为底涂.2、钢板表面处理钢板粘接面应进行除锈和粗糙处理，如钢板未生锈或轻微锈蚀，可用砂布或平砂轮打磨，直至出现金属光泽，打磨粗糙度越大越好，后用脱脂棉沾丙酮擦拭干净，本工程不得使用锈蚀较严重的钢板.3、结构胶的选用考虑到本工程碎表面比较潮湿有的可能完全浸湿，所以选用特种粘合胶GL环氧水下粘结胶TJ-3结构胶进行加固。4、粘贴钢板粘钢胶应随用随配，配制时每个配制容器内不得多于1Kg,配制后，用抹刀同时涂在已处理好的碎表面（涂布置为1Kg/m2）和钢板表面（涂布置为2Kg/m2）,厚度1-3mm中间厚边缘薄，然后将钢板预留孔对准预先植好的螺栓，拧紧膨胀螺栓后，对钢板加压至胶液刚从钢板边缘挤出，粘好钢板，用木锤沿粘贴面轻敲钢板，如无空洞声，表示已粘贴密实，否则应剥下钢板，补胶重贴,GL环氧粘钢胶一般在常温下固