缓粘结预应力钢绞线用缓凝粘合剂的快速检验方法研究

1 前言

随着我国“一带一路、京津冀协同发展、长江经济带”三大战略的推进，铁路、公路、市政、桥梁、隧道、电力、水利等与民生息息相关的基础设施正逐步成为工程建设领域的主战场。其中，预应力混凝土结构在基础建设中所占比例较大，而缓粘结预应力技术因其具有突出的技术优势在预应力混凝土领域的市场份额逐年递增。

目前国内，以环氧胶粘剂类为缓凝粘合剂、聚乙烯塑料类为护套的缓粘结预应力钢绞线产品是现阶段缓粘结预应力技术发展的主流方向。根据缓粘结的构造机理，其优异性能主要依赖于缓凝粘合剂以及缓凝粘合剂与护套共同形成的肋痕。

随着缓粘结市场的放量，大批企业涌入，对缓粘结构造机理认知有误、盲目追求利润，导致缓粘结产品良莠不齐，而缓粘结产品的检测标准亦未跟上技术的发展，为工程安全埋下了隐患。

由此，本文从缓粘结构造机理、缓粘结市场现状以及缓粘结相关产品标准着手，重点阐述缓粘结预应力工程中对缓凝粘合剂材料的进场检验，以期为工程应用提供合理、快速、有效的检测方法。

2 缓粘结构造机理

缓粘结预应力技术的核心是缓粘结预应力钢绞线产品，其是由预应力钢绞线、内外层具有一定高度与宽度的对称横肋的护套及一定厚度的填充并紧密封裹于护套和预应力钢绞

线之间的缓凝粘合剂构成。缓凝粘合剂初期具有一定流动性及对钢绞线良好的附着性，在工程施工阶段可保障预应力钢绞线自由地伸缩、变形。在工程施工完成后，缓凝粘合剂在预定时间内固化，达到一定强度并与预应力钢绞线、护套粘结为一体，通过缓凝粘合剂与护套共同的横肋与混凝土形成咬合，实现预应力钢绞线与混凝土的一体化，共同受力工作。

根据上述作用机理，缓凝粘合剂的固化周期较长，在整个工程施工阶段始终处于未固化状态、不具备强度，如何在材料进场初期即测定出缓凝粘合剂的最终固化强度，实现准确地前置预判，是当前缓粘结技术的一个重要研究内容。

图1 缓粘结预应力钢绞线

 图2  缓凝粘合剂固化后形状（剥开护套后）

                      图3  缓粘结预应力钢绞线护套剥开后内部形状（肋槽）                     图4  缓粘结预应力钢绞线与混凝土咬合状态

3 缓粘结市场现状

当前，国内缓粘结市场上出现很多环氧树脂用量低、仅在护套上有肋而缓凝粘合剂无法起肋的缓粘结预应力钢绞线产品。环氧树脂含量低，对固化后缓凝粘合剂的强度、耐久性均有影响；更为重要的一点，聚乙烯作为非极性聚合物，与极性的环氧树脂的粘结性较差，仅依靠二者间的粘结无法传递有效预应力，故而缓凝粘合剂与护套的共同肋是缓粘结预应力钢绞线与混凝土一体化受力工作的关键。在缓粘结预应力钢绞线的全寿命周期内，缓凝粘合剂、护套及混凝土紧密咬合，缓凝粘合剂始终承受剪切力的作用。为此，缓凝粘合剂的性能，尤其是固化后的剪切性能，对工程项目而言是尤为重要的。

图5  劣质缓粘结预应力钢绞线

4 缓凝粘合剂的检测方法

4.1 现行标准

住房和城乡建设部先后颁布了《缓粘结预应力钢绞线专用粘合剂》JG/T 370-2012、《缓粘结预应力钢绞线》JG/T 369-2012和 《缓粘结预应力混凝土结构技术规程》JGJ/T 387-2017 三项标准。

三项标准中对于缓凝粘合剂固化后力学性能的检测方法均是按JG/T 370-2012，而该标准仅表述为：采用对试件加热或在缓凝粘合剂中加入促进剂的方法使其快速固化后进行相应力学性能的测定。

工程中，材料进场后往往要求能够快速的检测并得出结果，以便不影响工程进度。但现行标准中对取样和检验方法（如：加热温度或促进剂种类及添加量，快速固化的时间等）并没有详细的操作指引。

鉴于缓粘结预应力钢绞线在使用的过程中，缓凝粘合剂始终受剪切力的作用，故而考虑在工程进场检验时，以拉伸剪切强度作为力学性能的评定指标。本文以此开展全面的试验研究，以确定其快速检验方法。

4.2 试验研究

4.2.1 不同温度的试验研究

试验配方：缓凝粘合剂由环氧树脂、固化剂、添加剂（稀释剂、增韧剂、触变剂、偶联剂、填充剂等）构成。其中，环氧树脂含量为35%（本文所述环氧树脂含量均为占缓凝粘合剂的质量百分含量）。

试验温度：70℃、80℃、90℃。

试验方法：分别在三个试验温度下按下述步骤及方法进行测试。

① 配制100克的缓凝粘合剂。

② 添加2,4,6，三（二甲胺基甲基）苯酚（又名DMP-30或K54）作为固化促进剂，其添加量为缓凝粘合剂中环氧树脂含量的3%。

③ 将固化促进剂与缓凝粘合剂混合均匀后制做拉伸剪切试件，每组试件数量为5片。

考虑到拉伸剪切强度试件制作的时间（促进剂在缓凝粘合剂中搅拌均匀后到在拉剪试件上涂抹缓凝粘合剂层的时间）对试件搭接的效果存在一定的影响，进而影响测试结果，令试验数据存在一定离散性。为保障试验结果的准确性、代表性，本文所述各试验均重复进行10次，表中所列拉伸剪切强度指标是将离散性较大的试验数据剔除后的算术平均值。

④ 将制好的试件在常温（25℃）下静置24小时。

⑤ 将已凝胶的试件分别放置于70℃、80℃、90℃的温度箱内。

⑥ 置于温度箱24小时后，即取出试件，恢复至室温。

⑦ 从温度箱取出的24小时内，按GB/T 7124 标准的规定对试件进行拉伸剪切强度的测试。

⑧ 测试结果以有效试件（每组有效试件数量不得少于3片）的拉伸剪切强度算数平均值表示。

试验结果见表1。

表1

试验小结：

通过本试验可以得出，相同配比的缓凝粘合剂在70℃、80℃、90℃温度下 24小时的拉伸剪切强度相接近，且均大于8 MPa。

4.2.2 不同环氧配比的试验研究

试验配方：本试验缓凝粘合剂为3类，每类缓凝粘合剂的组份与4.2.1相同，固化剂与环氧树脂的质量亦相同，但环氧树脂含量分别为18%、25%、35%。

试验温度： 80℃。

试验方法：参照4.2.1的试验方法。

试验结果见表2。

表2

试验小结：

在同一温度（80℃）、固化剂与环氧树脂的质量百分比相同的条件下，缓凝粘合剂的拉伸剪切强度随环氧树脂的含量的降低而减小，且降幅显著。

4.2.3 不同加热时间的试验研究

试验配方：同4.2.1的试验配方。

试验温度： 80℃。

加热时间：1天、3天、5天、7天、14天、21天。

试验方法：参照4.2.1的试验方法，在80℃下分别放置1天、3天、5天、7天、14天、21天后进行测试。

试验结果见表3。

表3

试验小结：

缓凝粘合剂在同一温度（80℃）下的拉伸剪切强度随加热时间的增长而增大，在达到10MPa后趋于稳定。

4.2.4 室温（25℃）环境下的试验研究

试验配方：同4.2.1的试验配方。

试验温度：25℃。

试验方法：参照4.2.1的试验方法，但缓凝粘合剂中不添加固化促进剂，待缓凝粘合剂的粘度增大到适宜的程度时制作拉伸剪切强度试件，随后定期进行拉伸剪切强度的测试。

试验结果见表4。

表4

试验小结：

未添加固化促进剂的缓凝粘合剂在室温（25℃）下的拉伸剪切强度随时间的增长而增大，在达到10MPa后趋于稳定。

4.3 快速检验方法

结合上述试验研究，并依据JG/T 370-2012的规定，以及缓凝粘合剂的特性与缓粘结预应力工程的特点，制定出缓凝粘合剂进场快速检验方法如下：

① 取样

Ⅰ 于进场的同批次材料上随机截取3根长度不小于50公分的缓粘结预应力钢绞线。

Ⅱ 从3根缓粘结预应力钢绞线的中部刮取总计为100克的缓凝粘合剂。

② 试件制作及养护

Ⅰ 为使缓凝粘合剂快速固化，选择2,4,6，三（二甲胺基甲基）苯酚（又名DMP-30或K54）作为固化促进剂。

Ⅱ 该固化促进剂的添加量不得超过所取缓凝粘合剂重量的3%。

Ⅲ 将固化促进剂与缓凝粘合剂混合均匀后制成拉伸剪切试件。试件数量为5片。

Ⅳ 将制好的试件在常温（25℃）下静置24小时。

Ⅴ 将已凝胶的试件放置于80℃的温度箱内。

③ 试件测试

Ⅰ 置于温度箱24小时后，即取出试件，恢复至室温。

Ⅱ 从温度箱取出的24小时内，按GB/T 7124 标准的规定对试件进行拉伸剪切强度的测试。

④ 测试结果

Ⅰ 测试结果以有效试件（有效试件数量不得少于3片）的拉伸剪切强度算数平均值表示。

Ⅱ 拉伸剪切强度不应小于 8 MPa。

4.4 结论

① 通过系列试验验证，本文提出的缓凝粘合剂快速检验方法是切实可行，且并便于操作的。

② 采用本文提出的检验方法测得缓凝粘合剂快速固化强度达8MPa时，即可保证缓凝粘合剂自然固化后的最终强度达10Mpa（JG/T 370-2012规定）以上。

③ 通过本文的试验得出，环氧树脂在缓凝粘合剂中的质量百分含量在35%左右时，缓凝粘合剂自然固化后的拉伸剪切强度达10MPa以上。此项亦为今后缓凝粘合剂快速检验方法提供了一个新的研究方向。