混凝土結構無機料植筋粘結錨固性能分析

高天寶 史文利

植筋技術即是在原有混凝土結構上通過鉆孔、注膠、植筋與新增結構相連。其工藝簡單、操作方便、錨固力大、安全可靠,因而廣泛應用于建筑物的加固改造工程中。當前,化學植筋技術已被廣泛應用,雖然有機膠的力學性能較好,但其防火性能較差。文獻[1]指出:作為一種有機材料,環氧樹脂在36℃以上強度開始下降,300℃以上完全損壞,顯然這種材料不宜作為鋼筋錨固灌漿材料使用。植筋錨固施工中也曾有這樣的反映,采用環氧樹脂錨固植筋在錨筋根部焊接時,硬化后的環氧樹脂砂漿受熱后由水平錨孔內軟化流出。無機錨固料則彌補了這一缺陷,且其價格較低,因而具有良好的應用前景。

1 試驗概況

1.1 試件設計

考慮到基體混凝土強度對無機料植筋拉拔力的影響,本試驗共做強度等級為C20,C30,C40的混凝土試件3組。試件采用邊長為150 mm的立方體試件及正常配筋的鋼筋混凝土梁。試驗采用HRB335鋼筋,鋼筋直徑分別為12,14,16,鋼筋的植入深度分別為3d,5d,7d。

1.2 加載、測試系統

本試驗采用的拉拔試驗裝置如圖1所示。

試驗直接測得的數據是鋼筋拉力及鋼筋與混凝土之間的相對滑移,平均粘結強度按式(1)計算:

加載時,試件的加載端混凝土會受到局部擠壓,與結構中鋼筋端部附近的應力狀態差別較大,影響試驗結果的真實性。因此,試件加載端的局部鋼筋應該與周圍混凝土脫空。本試驗在植筋時,利用細鋼絲掏空了加載端10 mm范圍內的膠體。加載制度:采用分級加載。在加載初期,每級加載值為預計破壞荷載的10%～20%;在加載到預計荷載的80%后,每級加載值減小為預計破壞荷載的5%～10%;試件破壞后,每級加載值為破壞荷載的10%～20%,當加載值減小到破壞荷載的1/4～1/3時,終止加載。

2 試驗結果及分析

2.1 植筋的基體為立方體試塊且植入深度為3d時的試驗分析

開始加荷時,在加荷端即可測得鋼筋與混凝土的相對滑移,在0.5倍～0.6倍的極限荷載以前,滑動量與粘結應力近乎直線關系,如圖2所示。當荷載達到0.5倍～0.6倍的極限荷載以后,滑移量明顯呈曲線增長。荷載達到0.8倍～0.9倍的極限荷載以后,滑移量迅速增大,當滑移量達到1.0 mm～2.0 mm時,粘結應力達到極限值τu。此后,粘結應力隨滑移的增大而較快的減小,形成τ—s曲線的下降段。最終,鋼筋從混凝土中被徐徐拔出,表面上帶有少量膠體或磨碎的膠體粉渣。

2.2 植筋的基體為立方體試塊且植入深度為5d和7d時的試驗分析

加載初期,τ—s曲線與植入深度為3d時相同,也是先呈線性關系,然后為較明顯的非線性關系,如圖3所示。但是,當加載至極限荷載時并未出現滑移量隨荷載迅速增大的現象,荷載卻出現了急劇減小,同時,混凝土試塊發生豎向劈裂,一般為2塊～3塊。

2.3 植筋的基體為有橫向配筋梁時的試驗分析

加載初期,τ—s曲線與以上兩種情況相同,也是先呈線性關系,然后為較明顯的非線性關系。所不同的是,當達到極限荷載后,曲線的下降段下降比較平緩。這是因為當試件混凝土內出現裂縫后,試件的橫向配筋約束了裂縫的開展,提高了摩阻力。

3 影響粘結錨固性能的因素

1)混凝土強度。通過對短埋長試件試驗結果的分析,植筋的極限粘結應力隨基體混凝土強度的增大而增大。

2)保護層厚度。當鋼筋植在邊長為150 mm的立方體試塊上且植入深度為5d和7d時,拉拔破壞現象為立方體試塊出現豎向劈裂,此時的相對保護層厚度c/d=4.2～5.8,這一結果與文獻[2][3]中提到的傳統鋼筋混凝土的結果非常吻合。增加保護層混凝土厚度,可以提高外圍混凝土的劈裂抗力,因而使開裂粘結應力和極限粘結強度均有相應地提高。與傳統鋼筋混凝土相同,植筋試件的保護層厚度c/d＞5～6后,試件不再是劈裂破壞,而是鋼筋的拔出破壞,植筋的極限粘結強度不再隨保護層厚度的增大而增大。

3)橫向配筋。有橫向配筋的極限粘結強度比無橫向配筋的極限粘結強度有一定程度的提高。達到極限粘結強度后,有橫向配筋試件表現了較好的粘結延性,在粘結應力降低不多的情況下,容許有較大的相對滑動出現,τ—s曲線下降平緩。

4)鋼筋直徑。鋼筋直徑對植筋粘結強度的影響較小,但是對滑移值有影響,即鋼筋直徑較大時,達到極限粘結強度時的滑移量也較大。由文獻[4]可知,鋼筋直徑的影響主要表現在破壞形態上,即植入深度較小(10d)時,直徑較小(如直徑為12 mm)的鋼筋都進入了其屈服強度,而且大部分達到了極限強度,甚至被拉斷;直徑較大(如直徑為20 mm,22 mm)的鋼筋被拔出或混凝土出現錐形體破壞,沒有明顯的預兆,呈脆性破壞。

5)加載方式。由前面的試驗結果和動力特性分析可知,加載方式對植筋的極限拉拔力具有較大影響,重復荷載下,植筋的極限拉拔力約為直接拔出鋼筋的80%,而且在這種情況下,極限粘結強度對應的滑移量減小。

6)其他影響因素。橫向壓應力:可使膠與混凝土界面和膠與鋼筋界面的摩阻力增大,有利于粘結錨固;鋼筋的植入深度:植入深度越大,則受力后的粘結應力分布越不均勻,試件破壞時的平均粘結強度與實際最大粘結應力的比值越小,故試驗粘結強度隨植入深度的增加而降低;影響因素還有試驗鋼筋反向壓力作用、基體混凝土質量。

4 結語

鑒于植筋在拉拔力作用下會發生滑移,結合本文的試驗結果,植筋檢驗宜采用雙控。

1)用專用拉拔設備檢驗植筋抗拔力是否達到設計要求,如設計人員無明確要求,則檢驗荷載為鋼筋的設計值,以加荷至控制荷載時所植鋼筋不被拔出為合格。2)檢驗植筋拉拔力時同時測量其加載端的滑移量,測量時應在鋼筋兩邊對稱布置兩塊百分表,以消除因鋼筋傾斜而造成的量測誤差。以達到鋼筋設計強度值的80%時,滑移量小于0.3 mm為合格。

[1] 孫金墀.混凝土結構植筋錨固芻議[J].建筑結構,2002,32(1):26-30.

[2] 王傳志,滕智明.鋼筋混凝土結構理論[M].北京:中國建筑工業出版社,1985.

[3] 過鎮海.鋼筋混凝土原理[M].北京:清華大學出版社,1999.

[4] 高天寶,史文利,楊樹標,等.混凝土無機料植筋拉拔試驗研究[J].河北建筑科技學院學報(自然科學版),2005(1):36-38.

[5] 周新剛.混凝土植筋錨固性能分析[J].巖石力學與工程學報,2003,22(7):1169-1173.