火灾后无机胶植筋拉拔试验研究

李树明，陈海强，惠守江，王欣

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2.潍坊昌大建设集团有限公司，山东潍坊261031）

火灾后无机胶植筋拉拔试验研究

李树明1，陈海强1，惠守江2，王欣1

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2.潍坊昌大建设集团有限公司，山东潍坊261031）

无机胶较有机胶具有良好的耐高温性能，进行火灾后无机胶植筋的拉拔试验研究对完善后锚固技术规范具有重要的理论意义。文章研究了不同钢筋直径、不同植筋深度的构件的拉拔承载力及其破坏形态，分析了各个植筋试件拉拔极限承载力及承载力损失，阐明了植筋深度、钢筋直径与拉拔承载力的关系。结果表明：火灾后试件在植筋深度为15 d和20 d时，试件发生钢筋的滑移破坏；当植筋深度为22 d时，试件为钢筋的颈缩破坏。在钢筋直径一定时，植筋深度为15 d或20 d时，其高温后的极限拉力较常温下均折减50%以上；随着植筋深度的增加，混凝土内部温度场逐渐递减，高温后的极限拉拔承载力随二者变化呈增长趋势，高温后的极限拉力呈增长趋势，且锚固长度越长极限拉力增加愈明显。

植筋；无机胶；火灾；拉拔承载力

0 引言

随着近年来加固改造技术在建筑中的的不断发展，化学植筋技术因其独特的优点在新旧建筑物加固改造中占据越来越重要的地位，其锚固性能在国内外都有不少理论和试验方面的研究［1－4］，然而这些理论基本都是建立在常温条件下化学植筋胶的实验研究。对于较为恶劣的工况下，化学植筋胶的力学性能的实验研究还需要更加深入的探索。例如化学植筋构件因焊接或火灾等特定条件下而暴露在高温环境中，这些构件的力学性能及黏结滑移性能还有待进一步研究［5－12］。袁广林等进行了高温后植筋黏结滑移力学性能研究，并分析了加载制度、锚固长度及加热温度与黏结滑移之间的规律［5］。刘长青等进行了高温下植筋试件的拉拔承载力研究和高温下植筋黏结—滑移性能研究，分析了不同温度对不同植筋深度拉拔承载力的影响，并建立了高温下极限黏结力—滑移和本构关系模型［6－7］。黄维民等进行了高温植筋试件的拉拔试验研究，得出了高温下不同植筋试件的极限黏结应力、极限承载力和黏结滑移的不同变化规律［8］。火灾作用下的极限承载力的试验研究结果表明：植筋试件的保护层厚度和植筋深度对植筋试件的承载力有很大的影响［9－11］。文献［12］对高温下单根植筋极限承载力公式进行了推导，试验结果表明：当温度不超过200℃时，采用文中导出公式计算出的结果与试验数据能较好的吻合。

但上述研究大多数是建立在环氧树脂类有机胶植筋的基础上进行的，一般有机胶的工作环境温度在－5～40℃之间，超过此温度范围，有机胶会由于高温作用失效而导致粘结强度丧失使其极限拉拔力急剧下降。例如，文献［8］指出植筋胶温度达到60℃时植筋拉拔承载力已折减15%，温度达到120℃时，极限承载力已折减70%；当温度达到350℃时，试件承载力基本为零。文献［9］指出植筋胶的温度在80℃以下时，拉拔承载力损失小于35%，温度达到100℃时，极限承载力损失超过50%；当温度超过130℃，试件发生拔出破坏，基本无剩余承载力。文献［13］中更是指出“采用植筋的混凝土结构，其锚固区基材的长期使用温度不应高于50℃”，因此有必要研究一种耐高温的新型无机锚固材料来弥补这一缺陷。到目前为止，这方面的研究较少，王欣等进行了无机胶植筋式后锚固连接的抗火性能研究，得出了不同锚固深度和植筋胶种类对植筋构件抗火性能的影响规律。这种无机胶在满足一定锚固深度的要求下能够满足锚固强度要求［14］。王婷婷等采用无机化学植筋胶进行了高温下化学植筋的粘结性能试验，认为高温后无机植筋胶的粘结强度要高于常温下的粘结强度［15］。由于目前对高温后无机胶植筋拉拔试验承载力及黏结滑移的研究较少，特别是当温度高于350℃时拉拔承载力，还没有系统的理论和实验研究，因此有必要进行更为深入的研究。文章通过对高温后自然冷却条件下不同钢筋直径、不同植筋深度的构件进行拉拔试验，并与常温下植筋构件进行比较，探讨高温后植筋拉拔极限承载力、承载力损失和滑移规律。

1 试件设计与制作

试验采用养护好的混凝土试件，试件具体尺寸为800 m m×600 m m×550 m m。设计混凝土强度等级为C 30，实测钢筋混凝土强度为36 MPa；钢筋采用HRB 400级，直径分别为14、16和22 m m，所植钢筋与基材边缘最小距离为150 m m，钢筋之间最小间距为250 m m；植筋孔直径严格按照JGJT 271—2012《混凝土结构工程无机材料后锚固技术规程》［16］的要求施工，具体试件参数见表1。

文中试验植筋胶采用山东济南鲁东耐火材料有限公司生产的耐火无机料，其主要成分为氯氧镁水泥，使用时将M S和M C两种原料严格按照水胶比干混，干混均匀后加水搅拌至均匀泥浆。植筋胶强度随温度不同而变化，水胶比约在0.14～0.27之间，经多次试验，水胶比在0.2左右时为最佳。

表1 试件参数／m m

试验在山东建筑大学结构工程火灾试验室进行，将试件放在水平试验炉膛内进行加热，该实验炉内部净尺寸为4960 m m×3750 m m，南北各三个喷嘴。为保证试件均匀充分受火，将试件置于中间，且植筋外露端未采取任何防火隔热措施。升温通过试验室的火灾温度控制系统按照ISO—834国际标准升温曲线的标准进行升温，持续升温3 h，实测炉膛内最终温度为1100℃。待试验炉内试件完全自然冷却后，同时对火灾后及常温下植筋试件，采用穿心式千斤顶连续加载［16］，手动油泵加压，荷载通过手动泵上的压力表读数。加载装置示意图如图1所示。

图1 加载装置示意图

2 试件拉拔试验

2.1 常温试件

由于试验所植钢筋与基材边缘最小距离为150 m m，钢筋之间最小间距为250 m m，二者均满足JGJ T 145—2013《混凝土结构后锚固技术规程》［13］中关于化学锚栓群锚最小间距值与最小边距值宜不小于5 d，且宜不小于100 m m的规定，所以在常温及火灾作用下各植筋钢筋彼此之间并没有耦合作用。

2.1.1 锚固深度为15 d的试件

直径为14 m m的试件在拉拔过程中，前期荷载增长较快，当荷载达到94 k N时增长较为缓慢，继续加压，荷载达到102 k N时，压力表读数不再变化，此时可以看到钢筋根部出现明显颈缩现象，如图2（a）所示。直径为16m m试件，在荷载达到101 k N之前增长较快，随着荷载增加油泵加压越来越困难；当荷载超过101 k N后，增长减慢，此时钢筋已出现颈缩破坏，如图2（b）所示，最终荷载维持在130.2 k N。直径为22 m m的试件，在加压过程中荷载增加较快，未出现明显减慢趋势；当荷载增加到177.9 k N时，继续加压，荷载维持不变，此时钢筋表现为颈缩破坏。

2.1.2 锚固深度为20 d的试件

直径为14 m m的试件在拉拔过程中，前期荷载增加较快，且手动油泵加压比较容易。随着荷载的增加，后期荷载增加较为缓慢，手动油泵加压比较困难；当荷载增加到96.8 k N时，荷载缓慢增加，直至荷载达到101.9 k N时，荷载保持恒定。最终钢筋发生滑移破坏（如图2（a）所示），这是因为在施工过程中，施工质量较差，胶未能灌满植筋孔。直径为16 m m的试件在荷载达到101.3 k N后荷载增长变慢，在荷载达到115 k N后又开始加快，最终荷载维持在133.3 k N。可以发现钢筋发生明显的颈缩破坏（如图2（b）所示）。直径为22 m m的试件在荷载达到173.5 k N后开始缓慢增加，随油泵压力的增加，增长略有加快，最终荷载达到207 k N。通过观察可以发现混凝土发生锥形破坏，同时钢筋发生明显颈缩现象（如图2（c）所示）。

图2 常温下拉拔试验破坏形态图

2.1.3 锚固深度为22 d的试件 直径为14 m m的试件在拉拔过程中，前期荷载增长较快，荷载达到74 k N后缓慢增长，继续加载，荷载变化有所加快，当荷载达到98 k N后增长又变慢；当荷载达到101.2 k N时，钢筋被拉断。直径为16 m m的试件，最终拉拔力为134.1 k N，钢筋发生颈缩破坏。而直径为22 m m试件，前期荷载增加较快，荷载达到174.9 k N时荷载增长开始变慢，最终荷载维持在208.6 k N。最终混凝土发生锥形破坏，同时钢筋发生明显颈缩破坏。

2.2 高温后自然冷却试件

待试验炉膛内构件完全冷却后，可以看到整个构件表层混凝土已脱落，而植筋胶处局部明显变白，并未出现明显脱落现象，尚处于完好状态，如图3所示。

图3 高温后试件图

通过对所有钢筋的拉拔试验，可以发现试件发生钢筋的滑移破坏或钢筋的颈缩破坏，并没有发生钢筋的断裂破坏，符合预期试验设计要求。

2.2.1 锚固深度为15 d的试件

直径为14 m m试件在拉拔过程中，并未出现特别异常，植筋胶处未出现明显开裂；当荷载达到38.3 k N时，此后保持恒定，继续加压，钢筋出现滑移现象，如图4（a）右所示。

直径为16 m m的钢筋在拉拔过程中，随着荷载的增加，钢筋周围混凝土出现开裂，最终混凝土形成浅锥形破坏面。当荷载达到56.3 k N时，压力表读数保持恒定，继续加压，钢筋发生滑移破坏（如图4（a）所示）。

直径为22 m m的钢筋在拉拔过程中，钢筋周围混凝土出现明显的裂缝，随着荷载的增加，表层混凝土脱落，压力表读数维持在84.5 k N并保持不变，最终钢筋发生滑移破坏（如图4（b）所示）。

2.2.2 锚固深度为20 d的试件

直径为14 m m的钢筋在拉拔过程中，植筋胶周围出现裂缝，最终植筋胶表层混凝土现剥落；当荷载增加到44.5 k N时，既趋于稳定，可以看到钢筋发生滑移，如图4（a）中所示。

直径为16 m m的钢筋在拉拔过程中，植筋胶一侧出现裂缝，并出现脱落。当荷载施加到51.3 k N时，趋于稳定，随后荷载在53.1～54.7 k N增加较为缓慢，这是由于钢筋出现滑移；继续加压，荷载增加加快，这是由于带肋钢筋的肋又重新滑入植筋胶的肋槽中，导致咬合力和摩擦力加大。最终荷载维持57.5 k N保持不变，继续加压，滑移急剧增加并延伸一段距离，最终钢筋被拔出。

直径为22 m m的钢筋在拉拔过程中，植筋胶周围出现明显的裂缝，随着荷载的继续增加，混凝土慢慢脱落，最终形成锥形破坏面。当荷载达到90.9 k N时保持不变，继续加压，滑移急剧增加并延伸一段距离，直至钢筋被拔出。

2.2.3 锚固深度为22 d的试件

三种直径的钢筋在拉拔过程中，从施加压力开始均可以听到明显的“吱吱”响声，压力表读数增加较为缓慢，这是由于压力增加，反力架的作用力施加在构件表面而将表层脱落的混凝土压酥。随着压力增加，压力表的读数增加趋于加快，同时施加过程中可以听到轻微的“噼啪”响声，这主要是由于钢筋、无机胶、混凝土之间咬合力的作用。

直径为14 m m的钢筋在荷载施加到45 k N时，植筋胶处混凝土出现开裂，压力表读数暂时稳定；随着压力的继续增加，植筋胶处出现锥形破坏，压力表读数继续增加，但增加变慢，当荷载达到58.7 k N时，继续施加压力，读数维持不变，钢筋出现滑移，此时钢筋已经出现明显的拔出破坏，结构胶完全失去粘结力，且钢筋发生颈缩现象，如图4（a）所示。

直径为16 m m的钢筋随着压力的增加，荷载前期增加较快，后期增加较为缓慢；当荷载增加到73.8 k N时，读数维持不变，可以看到钢筋根部标记处明显出现滑移，钢筋出现颈缩。

直径为22 m m的钢筋同样随着油泵压力的增加荷载前期增加较快，后期增长较慢，钢筋周围出现裂缝，最终植筋胶处混凝土出现剥落；当荷载增加到131 k N时，基本趋于稳定；随后继续加压，荷载增加极为缓慢，最终荷载维持在136.9 k N。同时钢筋根部标记处出现明显滑移，最终表现为钢筋颈缩破坏， 如图4（b）所示。

图4 火灾后拉拔试验破坏形态图

3 结果与分析

图5为在加热180 min后不同深度处的混凝土温度场分布，可以看出在距混凝土外表面50 m m时混凝土内部的温度约为520℃；随着深度的递增，由于混凝土热传导系数逐渐降低，其内部温度呈显递减趋势。

图5 混凝土温度场分布图

表2为高温后及常温条件下无机胶植筋后锚固拉拔承载力试验结果。根据JGJ T 145—2013中规定［13］，假设植筋发生钢材破坏，植筋拉拔力设计值计算结果见表2，计算式（1）表示为

式中：Nl为植筋钢材破坏时拉拔力设计值，k N；fy为抗拉强度设计值，N／m m2；As为钢筋面积，m m2。

3.1 常温下无机胶植筋拉拔实验分析

常温条件下，钢筋的破坏为颈缩破坏或者颈缩破坏与混凝土的锥形复合破坏模式。

通过观察表2，三种直径的钢筋可以发现，在钢筋直径一定的情况下，植筋深度为15 d时，植筋拉拔力可以满足规范要求拉拔力设计值［16］，增加钢筋的锚固深度对植筋拉拔承载力的影响不大。因此，可以认为采用氯氧镁水泥为主要成分的无机料锚固材料植筋深度为15 d时是可靠的。这与文献［17］得出的结论基本一致。

在植筋锚固深度一定的条件下，增加钢筋直径可以明显提高钢筋的极限拉力。

3.2 高温下无机胶植筋拉拔实验分析

由表2可以看出，高温后三种钢筋直径在植筋深度为15 d和20 d时，二者的拉拔承载力基本相同，所以植筋深度为15 d和20 d时对钢筋的拉拔力影响较小，但其火灾后的拉拔承载力约为常温下拉拔力设计值的37%～48%，因此高温对钢筋的拉拔承载力影响较大。

在钢筋直径一定的情况下，植筋深度为15 d或20 d时，其高温后的极限拉力较常温下均折减50%以上，一方面是由于高温作用使表层混凝土脱落，植筋锚固长度减小；另一方面由于钢筋未做保护，导热较快，植筋胶的材性发生变化。植筋深度为22 d时，高温条件下植筋拉拔力较常温下承载力折减明显降低。因此可以通过增加植筋深度提高火灾作用 下的拉拔承载力。

表2 无机胶植筋锚固拉拔实验结果

当植筋深度为22 d时，三种直径钢筋的拉拔承载力基本能够满足规范规定的拉拔力设计值。因此，当植筋深度大于22 d时，可以认为无机胶植筋构件在高温后的拉拔承载力可以满足规范的可靠度要求。在实际工程中可以通过加大锚固深度避免火灾后无机胶植筋的承载能力下降。

在钢筋直径一定的前提下，随着植筋深度的增加，混凝土内部温度场逐渐呈梯度递减，钢筋与植筋胶之间的粘结强度越好，故高温后的极限拉力呈增长趋势，且锚固长度越大极限拉力增加愈加明显；因此，对比有机胶植筋试验文献［6－7］，无机胶植筋试件亦可通过增加锚固长度来提高火灾后的极限拉拔力。由表2可知，在钢筋直径一定的前提下，外露钢筋的伸长量随锚固长度的增加呈增长趋势；随着钢筋直径及锚固长度的增加，外露钢筋的伸长量同样呈增长趋势。这是因为锚固长度越长，钢筋的极限拉拔力越大，钢筋拉拔后颈缩现象越明显。

4 结论

通过上述研究可知：

（1）常温条件下，植筋深度大于15 d时，试件发生钢筋的颈缩破坏或者颈缩与混凝土的锥形复合破坏模式。在钢筋直径一定时，锚固深度为15 d时，植筋拉拔力满足规范要求。

（2）高温后试件在植筋深度为15 d和20 d时，破坏形式表现为钢筋的滑移破坏，植筋钢筋均未达到拉拔力设计值；当植筋深度大于22 d时，植筋钢筋均表现为钢筋颈缩破坏。

（3）在钢筋直径一定的前提下，植筋深度为15 d或20 d时，其高温后的极限拉力较常温下均折减50%以上；随着植筋深度的增加，混凝土内部温度场逐渐呈显梯度递减，高温后的极限拉拔承载力随二者的变化呈增长趋势，高温后的极限拉力呈增长趋势，且锚固长度越大极限拉力增加愈加明显。在实际工程中增大锚固深度可以减小对火灾后植筋承载力的影响。

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（学科责编：吴芹）

Experimental study on the inorganic anchorage draw ing after fire

Li Shuming1，Chen Haiqiang1，Hui Shoujiang2，et al.
（1.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University.Jinan 250101，China；2.Shandong Weifang Changda Construction Group Co.，Ltd.，Weifang 261031，China）

Inorganic adhesive with organic adhesive has good performance of high temperature resistance，and fire inorganic anchoring adhesive tensile experiment has important theoretical significance.to improve anchorage technology standard.This paper made a research on the normal temperature inorganic adhesive anchorage drawing bearing capacity，for different bar diameter（14mm，16 mm，22 mm），different anchorage depth（15 d，20 d，22 d）of themember.By summarizing its failuremode analysis and comparing each specimen drawn anchorage ultimate bearing capacity and the loss of capacity，the paper derived the relationship between anchorage depth，bar diameter and pull bearing capacity.The results show that：when the specimen after the fire with has the anchorage depth of 15d and 20d，reinforced specimen slippage occurs；when the anchorage depth is 22d，the specimen reinforced necking destruction.When the bar diameter is constant and the anchorage depth is 15d or 20d，its high temperature limit tension after reduction than the room temperaturewas above 50%；With the increase of the depth of embedded steel bars，concrete internal temperature field is gradually decreasing，after high temperature of the ultimate tensile bearing capacity an increasing trend over the two changes，and the longer the length of anchoring the more obvious the ultimate pullout capacity increases.

post-installed rebar；inorganic adhesive；fire；drawing bearing capacity

TU317

A

2015－05－21

住房和城乡建设部科学技术项目（2010－K3－53）；山东省教育厅资助项目（J10LE53）

李树明（1973－），男，工程师，学士，主要从事工程结构安全性诊断与加固改造施工等方面的研究.E-mail：13605312955＠163.com

1673－7644（2015）05－0429－06