植筋在水环境和盐水环境下力学性能试验研究

苗生龙,张 翊

(1.中国矿业大学徐海学院，江苏 徐州 221008；2.青岛腾远设计事务所有限公司结构1所，山东 青岛 266100)

植筋法是一种重要的建筑物、构筑物加固方法，国内外学者对植筋性能，包括静力拉拔[1-4]、焊接、高温[5-7]、冻融及施工环境等特殊环境下植筋的锚固粘结性能[8-13]及植筋锚固多根钢筋拉拔性能进行了相关研究[14-15]。然而在实际工程中，不少建筑物或构筑物处于普通水环境和盐水环境中，如地下工程、蓄水池和码头工程等。在这些环境中植筋时，植筋锚固及其材料的力学性能对结构安全产生的影响，目前尚未有相关的规范及规定可供参考。因此开展普通水环境、盐水环境中植筋锚固性能的研究，对完善植筋锚固理论及保障人民生命和财产安全有着重要的现实意义。

本文对普通水环境和盐水环境作用后的植筋试件进行了单向拉拔试验，分析了锚固深度、浸泡环境及浸泡时间对植筋锚固性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件制作

进行植筋的混凝土试块尺寸为200mm×200mm×200mm，钢筋锚固深度采用5D和10D(D为植入钢筋的直径)；混凝土采用C30，28d实测抗压强度为34.5MPa；植入钢筋采用三级钢，直径16mm，实测屈服强度507.6MPa，极限强度646.9MPa，伸长率22.4%；结构胶采用中国科学院大连化学物理研究所研制的JGN型结构胶。

考虑一般室内环境、普通水环境和盐水环境三种试验环境，共制作14个植筋试件(部分试件设置骨架钢筋，见图1)，进行单向加载，试件分组如表1所示。试件的编号方式为：作用环境-植筋锚固长度-环境作用时间，作用环境中，N表示一般室内环境，W表示普通水环境，SW表示盐水环境(20%的NaCl溶液)；锚固长度分5D、10D；作用时间分30d、90d和150d。

图1 植筋试件示意图

试件编号作用环境环境作用时间/d锚固长度/D试件尺寸/mm骨架钢筋 N-5D室内-5无 N-10D室内-10有 W-5D-30普通水305无 W-10D-30普通水3010有 W-5D-90普通水905有 W-10D-90普通水9010无 W-5D-150普通水1505有 W-10D-150普通水15010200×200×200无 SW-5D-30盐水305有 SW-10D-30盐水3010无 SW-5D-90盐水905无 SW-10D-90盐水9010无 SW-5D-150盐水1505有 SW-10D-150盐水15010无

1.2 加载方案

一般室内环境下的植筋试件在植筋完成后3d进行拉拔试验，其它植筋试件在相应环境中作用相应时间后取出放置2～3d，然后进行拉拔试验。采用PWS-500型电液伺服试验机加载系统，试验装置如图2所示。试验过程中，采用TDS303数据采集仪进行数据采集，采用位移计进行钢筋自由端滑移值的测量。

试件拉拔试验采用“荷载-位移混合控制”的加载方式，以5kN为一级施加荷载，当试件进入破坏阶段后转为位移控制，以0.5mm/min的速度加载，直至荷载下降到极限荷载的80%。

图2 加载系统

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

在试验的开始阶段，各试件基本呈弹性变形，植筋孔口位置逐渐出现沿孔外侧周边的裂纹，随着荷载的增加，裂纹沿孔法线方向随机向外扩散，对于未配置骨架钢筋的试件，裂纹出现不久即迅速向四周扩散，混凝土发生劈裂破坏， 钢筋出现携带混凝土锥体或沿混凝土界面直接被拔出的情况；对于配置骨架钢筋的试件，则出现锥体-粘结复合破坏。

2.2 试验分析

2.2.1极限承载力

拉拔试验极限承载力如表2所示。由表2可知，随着锚固长度的增加，植筋极限承载力显著增大。相同条件下，骨架钢筋的设置可以明显提高植筋极限承载力。W-5D-150较之W-5D-90极限承载力提高1.45%；W-10D-150较W-10D-90极限承载力提高0.64%。说明水环境中极限承载力随作用时间的增加略有增大，普通水环境对植筋极限承载力起有利作用。SW-5D-150较之SW-5D-30极限承载力降低4%；SW-10D-150较之SW-10D-30、SW-10D-90极限承载力分别降低3%、0.79%。说明盐水环境中极限承载力随作用时间的增加略有减小，盐水环境对植筋试件极限承载力起不利作用，但随锚固长度的增加，这种影响程度有所减小。

表2 植筋试件拉拔力学性能

2.2.2荷载-滑移曲线

不同锚固长度的植筋试件在不同环境中作用不同时间后的荷载-滑移曲线，如图3所示。

图3 单向拉拔植筋试件荷载-滑移曲线

根据滑移曲线，得到了植筋试件的粘结应力、粘结刚度，如表2所示。

1)平均粘结应力。各组试件的极限承载力除以植筋粘结界面的面积即得到植筋试件的平均粘结应力。对于各植筋试件，平均粘结应力在9～12N/mm2之间，锚固长度对其无明显影响，而骨架钢筋的设置则可明显提高平均粘结应力。植筋试件平均粘结应力随环境作用时间的变化规律与极限承载力相似。

2)粘结刚度。荷载-滑移曲线的斜率反映了植筋的粘结刚度，取其弹性段的荷载与滑移值之比为其粘结刚度。由图3可知，对于不同锚固长度的植筋试件，粘结刚度随锚固长度的增加而增大，相同条件下，锚固长度为10D的植筋试件比锚固长度为5D的植筋试件粘结刚度提高约50%。W-5D-30的粘结刚度比N-5D的粘结刚度提高0.5%；W-5D-150的粘结刚度比W-5D-90的粘结刚度提高0.38%；W-10D-30的粘结刚度比N-10D的粘结刚度提高2%；W-10D-150的粘结刚度比W-10D-90的粘结刚度提高0.73%。说明普通水环境对植筋试件粘结刚度起有利作用。SW-5D-90的后粘结刚度比N-5D的粘结刚度降低17.5%；SW-5D-150的粘结刚度比SW-5D-30的粘结刚度降低5.9%；SW-10D-150的粘结刚度比SW-10D-30、SW-10D-90的粘结刚度分别降低5%、2%。说明在在盐水环境中粘结刚度随作用时间的增加有所退化。

3)延性。以承载力下降到极限荷载80%时的滑移量来衡量植筋试件的延性。由图3可知，设置了骨架钢筋的植筋试件的滑移量均超过了1.5mm。超过极限荷载后，随着滑移值的增加，荷载缓慢降低，试件表现了良好的延性。而未设置骨架钢筋的植筋试件，无论受何种环境作用，其滑移值相对较小，多数呈脆性破坏，这说明作用环境对植筋试件延性的影响较小，而试件中的骨架钢筋则对其延性有较大的影响。同时，从图3中还可以看出，对于设置了骨架钢筋的植筋试件在相同环境作用下，其延性随锚固长度的增加而增加。

2.3 水环境及盐水环境对植筋力学性能影响浅析

水环境对混凝土强度的增长起促进作用，而且短期内不会破坏植筋粘结界面，而盐水环境中随时间的增加，植筋孔口处混凝土受到盐水侵蚀，植筋粘结界面也会有一定的侵蚀作用，从而造成植筋粘结应力和粘结刚度的退化。如果植筋胶与钢筋结合不严密，水或盐水会使钢筋锈蚀，从而破坏粘结界面，造成植筋粘结应力和粘结刚度的退化，而且盐水环境比水环境更容易使钢筋锈蚀。

3 结论

(1)在普通水环境中植筋试件的极限承载力、平均粘结应力、粘结刚度及延性随作用时间的增长均有所增加，而在盐水环境中植筋试件的极限承载力、平均粘结应力、粘结刚度及延性随作用时间的增长均有所退化。在实际工程中构件处于盐水环境下时应考虑其对混凝土性能的不利影响。

(2)骨架钢筋的设置可以提高植筋试件的极限承载力、平均粘结应力、粘结刚度及延性。因此，尽量避免在素混凝土上植筋。

(3)与钢筋紧密结合的植筋胶可起到保护钢筋的作用，施工时应将植筋胶灌满孔洞。