混凝土構件植筋握裹力的影響因素

馬濤

吉林燃料乙醇有限責任公司 吉林吉林 220200

1 因素概念分析

1.1 植筋開孔直徑

在植筋之前，需要先用水鉆等工具提前開孔，然后注入粘接劑。加固規范中規定12 鋼筋，即開孔大小為15mm。若施工中孔徑小于該數值，由于植筋鋼筋有肋，容易造成施工困難，而且粘接劑一般流動性不是很強，所以也會造成一定空隙率，使粘接強度降低。若孔徑大于該數值，接觸面積增加，提高了粘接強度，但同時也改變了粘接劑與鋼筋混凝土共同作用時的受力情況。現以孔徑增加1mm 為例定性概算，12 鋼筋截面積約為113mm2，設計孔徑D=15mm，則孔面積約為177mm2，實際施工孔徑D=16mm，則孔面積約為201mm2。粘接面積增加引起的理論強度增加（201-177）/（177-113）=0.375，即37.5%。從結構計算概念來看，由于鋼筋與粘接劑的彈性模量不同，鋼筋彈性模量為E=2.0X105N/mm2，植筋膠在加固材料技術規范中并未給出限制數值，參考粘鋼膠的彈性模量A 級E=3.2X103N/mm2，所以說粘接劑的應變是遠遠滯后于鋼筋的。而實際施工時鋼筋在孔洞內微觀受力情況也有類似杠桿原理的情況。也就是說，當考慮鋼筋與粘接劑彈性模量比例差值時，粘接劑引起的滯后應是被放大。由于確切數值需要精密試驗及選用相應算法來準確計算，本文僅粗略估算其可能出現的數值范圍。在力學計算上，粘接劑的增加空間考慮杠桿性能時，要使用兩次，故上限假設為基礎增量的平方。對比鋼筋，粘接劑可近似看作柔性材料，假定孔徑15mm 為標準1，則孔徑16mm 為1.375，空隙距離分別為1.5mm 與2mm，以孔徑16mm 為最終效果計算，孔徑15mm 的差值比為33%。理論增值上限P=0.375+（1.3752-1.375）×0.25=0.5 即50%。上述計算可知，實際應變滯后增加上限為50%。則植筋用在受彎構件時，考慮裂縫及撓度，孔徑16mm 較15mm 應變滯后理論強度折減大致在P=50-37.5=12.5%之內。也就是說植筋作為受彎構件時，孔徑的增大對構件承載性能有所削弱。再者粘接劑一般為環氧類樹脂，在其固化過程存在一定收縮率，若孔徑增大收縮增加，孔徑16mm 與15mm 相比，收縮量增加（2-1.5）/1.5=0.33，即33%，而且環氧樹脂的膨脹系數約為鋼筋混凝土的2-4 倍，孔徑的增大無疑使粘接的可靠性降低。

1.2 植筋深度

植筋深度是保證加固構件滿足使用條件的重要因素，鋼筋周圍混凝土的應力及變形狀態比較復雜，握裹力使鋼筋應力隨著鋼筋握裹長度而變化。在既有鋼筋混凝土上進行植筋作業時，受彎構件鋼筋握裹強度隨著植筋深度的增加而逐漸減弱。因為鋼筋在混凝土中受力是由形變產生應變，深度的增加應變會逐漸降低，無限延伸后，鋼筋應力趨近于無。以往的國內試驗表明，植筋深度在15d以上時，植筋與混凝土產生滑移，植筋發生混合截面拉拔破壞，鋼筋屈服，受彎構件產生塑性破壞。植筋深度小于25d 時,植筋深度的增加能有效提高植筋梁的受力性能,植筋深度大于25d 時,植筋梁的受力性能趨于穩定,不再受植筋深度影響。不過，在實際工程中，尤其是當植筋技術用于結構加固、改造等情況時，其基材混凝土往往是結構節點等復雜受力區域，在這里植筋的粘接錨固性能顯然會降低，所以說在15d、25d 的實驗室結果在工程中是要被放大。熊學玉等結合某高層住宅植筋加固工程進行了拉拔試驗。試驗鋼筋采用二級螺紋鋼筋，直徑分別是10、12、14、16、18、20、22 七組，混凝土等級C30，植筋深度分別為10d、15d、20d 三種。其結論顯示，當粘接處于彈性階段，相應的滑移量為1mm-1.4mm，埋深15d、20d 的植筋粘接強度接近。進入粘接塑性階段時，在一定范圍內，隨著深度增加，植筋的極限承載能力有提高趨勢，超過一定深度埋深則影響不大。該實驗佐證了，植筋深度大于25d 后，埋深對承載力逐漸不再給予有力影響。在植筋進入塑性破壞后，由鋼筋徑縮引起的應力變化與粘接劑的性能關系緊密，彈性模量高形變敏感，有效長度內提供的抗力更高，收縮率低可以減輕徑縮帶來的抗力削弱。選用C30 混凝土，直徑25 三級鋼的混凝土受彎構件試驗中，植筋深度23d 時鋼筋屈服，但梁體呈現脆性破壞，植筋深度25d 時，梁頂部受壓混凝土破碎，發生彎曲破壞。在梁體彈性受力階段，15d 以上植筋效果基本呈線性分布，既有結構采用20-25 直徑植筋加固時，考慮卸荷及節點應力等因素時，若在設計深度的基礎上提高L=25-23=2d，可大致提高P=（25-23）/20=0.1，即上限10%的可靠強度。混凝土強度等級越高，抗拉強度與抗壓強度比值越低，高等級混凝土在同樣狀態下，損失的可靠強度更多。

1.3 孔洞的潔凈度及鋼筋銹蝕

鋼筋在混凝土中形成的拉力影響為近似斜向上45o 角，同樣混凝土對鋼筋產生的握裹力大小基本由混凝土抗拉強度來決定，孔洞及鋼筋的潔凈度是保證受力有效的基本前提。以C30 混凝土、直徑25 二級鋼為例，植筋深度為23d 時，鋼筋出現屈服，此時達到鋼筋屈服強度標準值335N/mm2。概算混凝土滿足鋼筋應力比為，P=335/2.01=166.7，屈服直徑25 鋼筋所需混凝土圓錐側面積則為S=3.14×12.52×166.7=6543mm2，混凝土應力450 圓臺側面積等于圓錐側面積，S=3.14×（12.5+h）-3.14×12.52，h=155.8mm。實際工程中，孔洞中潔凈度不能滿足施工要求時，必然導致局部粘貼面積變小，從而使混凝土孔洞附近的應力增高。假設C30 混凝土、直徑25 二級鋼植筋，粘接時有5%的空隙率，埋植深度需增加L=（1/0.95-1）×155.8=8.2mm 才能滿足應力。鋼筋的銹蝕對握裹力的影響會涉及長期與短期兩個階段，根據國內試驗鋼筋混凝土結果顯示，當輕微銹蝕（重量損失5%以下）時，握裹強度反而有所增加，表面局部銹蝕的鋼筋比全表面銹蝕的鋼筋握裹強度增加15%。在施工中，鋼筋的表面氧化幾乎是不可避免的，單純從短期植筋情況來看，在鋼筋輕微銹蝕情況下難以察覺銹蝕對于植筋握裹力的影響，不過從長期來看隨著混凝土碳化加深，自然界中水汽滲透，鋼筋逐漸因電離作用導致銹蝕膨脹，從而喪失握裹力。也就是說，鋼筋若存在銹蝕情況，在初始植筋力學檢測中，未必會有明顯的反應，結構受力隱患將會在長期使用中逐漸顯示。

2 結語

①孔徑增大并不能有效提高植筋握裹力，反而使安全性降低。②鋼筋直徑越大及混凝土等級越高，對鋼筋埋植深度d 倍的要求越高，C30 混凝土構件在15d 以下，埋深影響明顯，超出25d 以后，影響不大。③孔洞潔凈度不滿足要求時，會造成握裹應力增加，可通過增加埋深保證其可靠度。鋼筋輕微銹蝕對短期植筋效果影響不明顯，長期上存在隱患。