混凝土结构无机料植筋粘结锚固性能分析

高天宝 史文利

植筋技术即是在原有混凝土结构上通过钻孔、注胶、植筋与新增结构相连。其工艺简单、操作方便、锚固力大、安全可靠,因而广泛应用于建筑物的加固改造工程中。当前,化学植筋技术已被广泛应用,虽然有机胶的力学性能较好,但其防火性能较差。文献[1]指出:作为一种有机材料,环氧树脂在36℃以上强度开始下降,300℃以上完全损坏,显然这种材料不宜作为钢筋锚固灌浆材料使用。植筋锚固施工中也曾有这样的反映,采用环氧树脂锚固植筋在锚筋根部焊接时,硬化后的环氧树脂砂浆受热后由水平锚孔内软化流出。无机锚固料则弥补了这一缺陷,且其价格较低,因而具有良好的应用前景。

1 试验概况

1.1 试件设计

考虑到基体混凝土强度对无机料植筋拉拔力的影响,本试验共做强度等级为C20,C30,C40的混凝土试件3组。试件采用边长为150 mm的立方体试件及正常配筋的钢筋混凝土梁。试验采用HRB335钢筋,钢筋直径分别为12,14,16,钢筋的植入深度分别为3d,5d,7d。

1.2 加载、测试系统

本试验采用的拉拔试验装置如图1所示。

试验直接测得的数据是钢筋拉力及钢筋与混凝土之间的相对滑移,平均粘结强度按式(1)计算:

加载时,试件的加载端混凝土会受到局部挤压,与结构中钢筋端部附近的应力状态差别较大,影响试验结果的真实性。因此,试件加载端的局部钢筋应该与周围混凝土脱空。本试验在植筋时,利用细钢丝掏空了加载端10 mm范围内的胶体。加载制度:采用分级加载。在加载初期,每级加载值为预计破坏荷载的10%～20%;在加载到预计荷载的80%后,每级加载值减小为预计破坏荷载的5%～10%;试件破坏后,每级加载值为破坏荷载的10%～20%,当加载值减小到破坏荷载的1/4～1/3时,终止加载。

2 试验结果及分析

2.1 植筋的基体为立方体试块且植入深度为3d时的试验分析

开始加荷时,在加荷端即可测得钢筋与混凝土的相对滑移,在0.5倍～0.6倍的极限荷载以前,滑动量与粘结应力近乎直线关系,如图2所示。当荷载达到0.5倍～0.6倍的极限荷载以后,滑移量明显呈曲线增长。荷载达到0.8倍～0.9倍的极限荷载以后,滑移量迅速增大,当滑移量达到1.0 mm～2.0 mm时,粘结应力达到极限值τu。此后,粘结应力随滑移的增大而较快的减小,形成τ—s曲线的下降段。最终,钢筋从混凝土中被徐徐拔出,表面上带有少量胶体或磨碎的胶体粉渣。

2.2 植筋的基体为立方体试块且植入深度为5d和7d时的试验分析

加载初期,τ—s曲线与植入深度为3d时相同,也是先呈线性关系,然后为较明显的非线性关系,如图3所示。但是,当加载至极限荷载时并未出现滑移量随荷载迅速增大的现象,荷载却出现了急剧减小,同时,混凝土试块发生竖向劈裂,一般为2块～3块。

2.3 植筋的基体为有横向配筋梁时的试验分析

加载初期,τ—s曲线与以上两种情况相同,也是先呈线性关系,然后为较明显的非线性关系。所不同的是,当达到极限荷载后,曲线的下降段下降比较平缓。这是因为当试件混凝土内出现裂缝后,试件的横向配筋约束了裂缝的开展,提高了摩阻力。

3 影响粘结锚固性能的因素

1)混凝土强度。通过对短埋长试件试验结果的分析,植筋的极限粘结应力随基体混凝土强度的增大而增大。

2)保护层厚度。当钢筋植在边长为150 mm的立方体试块上且植入深度为5d和7d时,拉拔破坏现象为立方体试块出现竖向劈裂,此时的相对保护层厚度c/d=4.2～5.8,这一结果与文献[2][3]中提到的传统钢筋混凝土的结果非常吻合。增加保护层混凝土厚度,可以提高外围混凝土的劈裂抗力,因而使开裂粘结应力和极限粘结强度均有相应地提高。与传统钢筋混凝土相同,植筋试件的保护层厚度c/d＞5～6后,试件不再是劈裂破坏,而是钢筋的拔出破坏,植筋的极限粘结强度不再随保护层厚度的增大而增大。

3)横向配筋。有横向配筋的极限粘结强度比无横向配筋的极限粘结强度有一定程度的提高。达到极限粘结强度后,有横向配筋试件表现了较好的粘结延性,在粘结应力降低不多的情况下,容许有较大的相对滑动出现,τ—s曲线下降平缓。

4)钢筋直径。钢筋直径对植筋粘结强度的影响较小,但是对滑移值有影响,即钢筋直径较大时,达到极限粘结强度时的滑移量也较大。由文献[4]可知,钢筋直径的影响主要表现在破坏形态上,即植入深度较小(10d)时,直径较小(如直径为12 mm)的钢筋都进入了其屈服强度,而且大部分达到了极限强度,甚至被拉断;直径较大(如直径为20 mm,22 mm)的钢筋被拔出或混凝土出现锥形体破坏,没有明显的预兆,呈脆性破坏。

5)加载方式。由前面的试验结果和动力特性分析可知,加载方式对植筋的极限拉拔力具有较大影响,重复荷载下,植筋的极限拉拔力约为直接拔出钢筋的80%,而且在这种情况下,极限粘结强度对应的滑移量减小。

6)其他影响因素。横向压应力:可使胶与混凝土界面和胶与钢筋界面的摩阻力增大,有利于粘结锚固;钢筋的植入深度:植入深度越大,则受力后的粘结应力分布越不均匀,试件破坏时的平均粘结强度与实际最大粘结应力的比值越小,故试验粘结强度随植入深度的增加而降低;影响因素还有试验钢筋反向压力作用、基体混凝土质量。

4 结语

鉴于植筋在拉拔力作用下会发生滑移,结合本文的试验结果,植筋检验宜采用双控。

1)用专用拉拔设备检验植筋抗拔力是否达到设计要求,如设计人员无明确要求,则检验荷载为钢筋的设计值,以加荷至控制荷载时所植钢筋不被拔出为合格。2)检验植筋拉拔力时同时测量其加载端的滑移量,测量时应在钢筋两边对称布置两块百分表,以消除因钢筋倾斜而造成的量测误差。以达到钢筋设计强度值的80%时,滑移量小于0.3 mm为合格。

[1] 孙金墀.混凝土结构植筋锚固刍议[J].建筑结构,2002,32(1):26-30.

[2] 王传志,滕智明.钢筋混凝土结构理论[M].北京:中国建筑工业出版社,1985.

[3] 过镇海.钢筋混凝土原理[M].北京:清华大学出版社,1999.

[4] 高天宝,史文利,杨树标,等.混凝土无机料植筋拉拔试验研究[J].河北建筑科技学院学报(自然科学版),2005(1):36-38.

[5] 周新刚.混凝土植筋锚固性能分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(7):1169-1173.