孔內濕度對植筋錨固力學性能影響試驗

梁瑞卿， 施宏侶， 王振宇， 史文華， 耿正君， 高澤宇

(1. 漯河市公路事業發展中心， 河南 漯河 462001； 2. 湖北交投智能檢測股份有限公司， 湖北 武漢 430104；3. 華中科技大學 土木與水利工程學院， 湖北 武漢 430074)

隨著結構服役期增長和各種因素導致的結構損傷，大量的結構面臨加固改造[1,2]。植筋作為一項新老結構連接錨固技術，被廣泛應用于結構改建和加固中[3～5]。工程當中的植筋錨固，其基本原理就是在既有結構相應部位，通過鉆孔、清孔、注入粘結劑，安插鋼筋(或螺桿等)，使鋼筋與混凝土牢固粘結在一起。之后再澆筑新的混凝土，實現新老鋼筋混凝土的連接，形成整體，到達共同受力。

可靠的植筋是確保新老結構連接有效的前提，而植筋可靠性來自植筋膠產生的粘接強度與機械咬合力。其錨固力學性能受混凝土基材、粘結劑性能、錨固長度、植筋孔幾何尺度、施工質量和環境因素等影響。劉啟真等[6]根據7組19根單筋約束拉拔試驗，得出植筋承載力與植筋錨固深度大致呈線性關系，且認為隨著植筋膠厚度增大，試件拉拔承載力和對應的位移值均增大。為深入探究混凝土強度、鋼筋直徑、植筋深度以及植筋孔斜度等因素對植筋性能的影響，文獻[7]針對一種高強快凝無機植筋膠，基于試驗測試得到的荷載 - 位移曲線和植筋拉拔破壞模態，分析了植筋錨固受力機理，以及錨固承載力受上述因素影響規律。袁延明等[8]研究指出，植筋錨固的承載力和破壞模態嚴重受制于植筋深度，植筋拉拔力與植筋深度成正比關系，當植筋深度介于8d～10d(d鋼筋直徑)時，拉拔破壞形態為錐體 - 粘結復合型，一旦植筋深度超過15d，植筋承載力取決于鋼筋強度，此時的破壞模態為鋼筋拉斷。文獻[9]研究認為，植筋承載力隨混凝土基材強度和鋼筋直徑增大而增加，二者成正比關系。

為盡可能降低不利因素給植筋性能造成的影響，現行植筋技術規程要求植筋實施過程確保植筋孔干燥、無灰塵[10,11]。但由于植筋應用場景非常廣泛，潮濕和水下環境植筋無法避免。正如李悅等[12]總結了植筋錨固研究成果和工程實踐后指出：諸如潮濕、異常溫度和凍融等特殊環境下的植筋錨固性能有待進一步研究。為此，許多學者和工程技術人員針對特殊環境下的植筋開展了大量研究工作，如：苗生龍等[13]對比普通水和鹽水環境下的植筋試驗，分析極限承載力和荷載-位移曲線表明，普通水環境下的植筋極限承載力、延性、粘結剛度和平均粘結應力隨時間的延長有所增加。然而，在鹽水環境下的上述性能卻相反，隨作用時間的增長而劣化。混凝土基體潮濕與否對植筋錨固性能的影響，左建新等[14]設計了三根試件，分別為基體干燥清孔、潮濕清孔和潮濕不清孔，通過分析拉拔載荷 - 位移曲線，研究認為施工工藝對混凝土基體潮濕狀態下的植筋影響較大，潮濕不清孔所獲得的拉拔力遠低于干燥狀態下的承載力，而基體是否潮濕影響不大。上述研究結論與文獻[15]明顯不同，李德[15]研究認為，通過選擇特定的植筋膠，在明水環境下的植筋雖然能滿足工程應用要求，但在有水和無水條件下的植筋承載力相差比較大。

大量的工程應用和研究促進了植筋技術發展及其理論體系的完善，尤其是常規環境下植筋所涉及的多因素影響規律得到了較為充分的探索和了解。但潮濕等特殊環境下的植筋，其力學性能還有待深入研究，既有的研究成果并不充分且還存在相左之處[14,15]。雖然水下植筋已得到較多工程實踐，但均是基于特殊的植筋膠來克服水環境影響。至于水上植筋所涉及的孔內潮濕度對常規植筋的影響效果，還有待繼續探索和大量的試驗數據支撐。

為此，本文開展了6組12根植筋拉拔試驗，通過改變植筋孔內潮濕度，基于試驗所獲得拉拔力 - 位移曲線和破壞模態，研究潮濕度對植筋效果的影響。

1 試驗研究

(1)試驗方案

澆筑一混凝土板(2100 mm×900 mm×300 mm)，養護28 d，在其上按預定位置鉆12個孔，孔深220 mm，孔徑22 mm，并對孔位進行編號(圖1)。將12個孔分為6個濕度組，植筋前將所有孔內烘干，之后每兩個孔為一組，分別對孔內進行同等噴水霧，并用濕度計分別測試三次，取其平均值作為實測孔內濕度(實測孔深和孔內濕度如表1)，確保孔內濕度達到設計預定濕度后，迅速植筋(植螺桿)。植筋養護48 h，螺桿與混凝土完全膠結后，采用液壓穿心式千斤頂對其進行分級加載拉拔。

圖1 植筋及濕度測試

(2)材料性能

混凝土基材實際配合比為水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.67∶2.52∶0.44，在TYE-2000A型壓力試驗機上，實測混凝土立方體(150 mm×150 mm×150 mm)極限抗壓強度fcu和彈性模量Ec如表2。

植筋使用4.8級M18螺桿12根，實測得其極限拉拔力為131.66 kN。

表1 各孔深度和濕度實測數據

表2 混凝土材料性能參數 MPa

(3)加載及測試

拉拔時將穿心式千斤頂套在螺桿上，用4個螺母將螺桿擰緊，借助螺母底面的鋼板與千斤頂接觸，將力傳遞至螺桿實施拉拔。

加載初期按每級5 kN提載，緩慢加載至變形稍大后再以每級2～3 kN加載，直至螺桿拉斷或被拔出為止，整個過程詳細記錄拉拔力 - 位移曲線。

2 試驗現象及討論

2.1 試驗現象

在拉拔試驗進行過程中，由于千斤頂油管接頭問題，編號為1-2和2-1的兩根植筋螺桿拉拔試驗未能取得成功，余下的10根植筋拉拔試驗現象匯總如表3。試驗破壞總體可歸結為兩類破壞模態：螺桿拉斷、螺桿拔出，破壞模態如圖2。

表3 植筋螺桿拉拔試驗現象匯總

圖2 植筋螺桿破壞模態

總結上述試驗現象可知，除了個別螺桿(編號3-1和6-2螺桿)外，植筋螺桿破壞模態受孔內濕度影響的總體趨勢是：隨著濕度增大，植筋由螺桿自身拉斷，錨固周圍混凝土不出現損傷裂縫，逐漸過渡到螺桿拉斷時，根部混凝土出現裂縫，直至最后螺桿被拔出，錨固混凝土嚴重開裂，螺桿自身完好。由此可見，孔內濕度嚴重影響植筋效果。

2.2 結果及討論

受千斤頂底部墊板約束基體混凝土的影響，以及試驗過程中墊板位置偏差等原因，編號為3-1和6-2的螺桿試驗現象存在異常。排除這兩根試件，根據拉拔試驗破壞模態，將測試得到的8根螺桿荷載 - 位移(F-δ)曲線分兩組繪制(圖3)：螺桿拉斷組和螺桿拔出組。其中螺桿拉斷組對應的試件編號分別為1-1，2-2，3-2，4-1，螺桿拔出組包括4-2，5-1，5-2，6-1。

圖3 植筋螺桿荷載-位移(F - δ)曲線

(1)對照圖3和表1可知，螺桿拉斷組對應的4根植筋螺桿孔內濕度分別為6.6%，20.4%，37.7%，53.7%，濕度平均為29.6%；螺桿拔出組對應的4根植筋螺桿孔內濕度分別為56.0%，69.4%，67.7%，90.6%，濕度平均為70.9%。試驗顯示：隨著孔內濕度增大，植筋螺桿的破壞模態由螺桿拉斷轉變成螺桿被拉出。說明孔內濕度降低了植筋錨固力，其原因是因為孔內濕度增大后，孔壁表面水分增加，降低了膠體與混凝土孔壁界面的咬合力。此外，濕度導致的植筋錨固破壞模態改變是個漸變過程，由濕度較低時錨桿拉斷、錨下混凝土無任何損傷，逐漸過渡到錨下混凝土開裂、錨桿拉斷，直至濕度較高時的錨下混凝土錐體剪切破壞而被拔出。試驗表明，轉變過程發生在4-1和4-2螺桿之間，破壞模態轉變的臨界濕度為54.85%，即約為55%。

(2)雖然兩組不同形式的破壞模態在到達拉拔力峰值前，均表現為螺桿位移δ隨拉拔力F提高而成線性增加，但孔內濕度較小組的螺桿位移整體略小于濕度較高組；拉拔力達到峰值后，兩組荷載 - 位移(F-δ)曲線發生顯著差異，其中濕度較小的螺桿拉斷組此后拉拔力雖然下降，但降幅較小(8.7%)。而濕度較高組，拉拔力急劇下降，至完全破壞前，拉拔力降幅達35.9%。由此說明，濕度顯著影響植筋的受力性能，孔內保持干燥狀態有利提高植筋參與結構受力，改善新老構件的整體性。

(3)從圖3和表2可知，螺桿拉斷組拉拔力平均峰值為135.9 kN，螺桿拔出組拉拔力平均峰值為123.9 kN，濕度由29.6%提高至70.9%時，最大拉拔力降低了8.8%。可見，孔內濕度降低了植筋錨固力，試驗所得其下降速率為0.29 kN/單位濕度，換算到螺桿孔內植筋表面，單位面積的下降程度為：0.023 N/mm2/單位濕度。

(4)從拉拔力峰值和最終破壞時對應的螺桿位移分析，螺桿拉斷組最大拉拔力時對應的平均位移為7 mm，螺桿拔出組對應的位移為9 mm，位移增加了28.6%；拉拔破壞時，螺桿拉斷組對應的位移均值為20.2 mm，螺桿拔出組對應的位移為27.2 mm，位移增加了34.6%。依此推測，隨著濕度增加，螺桿、膠體及混凝土基體界面之間的剪切變形也逐漸增大，進而導致螺桿在達到最大峰值力和破壞前，植筋整體位移隨濕度增大而提高。

3 結 論

(1)植筋效果嚴重受孔內濕度影響，隨著濕度增加，植筋破壞模態將發生改變。當孔內濕度超過破壞模態轉變臨界濕度55%之后，植筋破壞將由螺桿自身拉斷轉變為螺桿拔出破壞。

(2)隨著濕度降低，植筋拉拔力顯著提高，螺桿、膠體及混凝土基體之間的咬合力越強，到達拉拔力峰值和破壞時對應的螺桿位移也越小。

(3)隨著孔內濕度提高，螺桿、膠體及混凝土基體界面之間的剪切變形逐漸增大，拉拔力下降。根據試驗研究得出，拉拔力隨植筋孔內濕度改變的單位面積下降速率為0.023 N/mm2/單位濕度。