孔内湿度对植筋锚固力学性能影响试验

2021-05-11梁瑞卿施宏侣王振宇史文华耿正君高泽宇

土木工程与管理学报 2021年2期

梁瑞卿，施宏侣，王振宇，史文华，耿正君，高泽宇

(1. 漯河市公路事业发展中心，河南漯河 462001； 2. 湖北交投智能检测股份有限公司，湖北武汉 430104；3. 华中科技大学土木与水利工程学院，湖北武汉 430074)

随着结构服役期增长和各种因素导致的结构损伤，大量的结构面临加固改造[1,2]。植筋作为一项新老结构连接锚固技术，被广泛应用于结构改建和加固中[3～5]。工程当中的植筋锚固，其基本原理就是在既有结构相应部位，通过钻孔、清孔、注入粘结剂，安插钢筋(或螺杆等)，使钢筋与混凝土牢固粘结在一起。之后再浇筑新的混凝土，实现新老钢筋混凝土的连接，形成整体，到达共同受力。

可靠的植筋是确保新老结构连接有效的前提，而植筋可靠性来自植筋胶产生的粘接强度与机械咬合力。其锚固力学性能受混凝土基材、粘结剂性能、锚固长度、植筋孔几何尺度、施工质量和环境因素等影响。刘启真等[6]根据7组19根单筋约束拉拔试验，得出植筋承载力与植筋锚固深度大致呈线性关系，且认为随着植筋胶厚度增大，试件拉拔承载力和对应的位移值均增大。为深入探究混凝土强度、钢筋直径、植筋深度以及植筋孔斜度等因素对植筋性能的影响，文献[7]针对一种高强快凝无机植筋胶，基于试验测试得到的荷载 - 位移曲线和植筋拉拔破坏模态，分析了植筋锚固受力机理，以及锚固承载力受上述因素影响规律。袁延明等[8]研究指出，植筋锚固的承载力和破坏模态严重受制于植筋深度，植筋拉拔力与植筋深度成正比关系，当植筋深度介于8d～10d(d钢筋直径)时，拉拔破坏形态为锥体 - 粘结复合型，一旦植筋深度超过15d，植筋承载力取决于钢筋强度，此时的破坏模态为钢筋拉断。文献[9]研究认为，植筋承载力随混凝土基材强度和钢筋直径增大而增加，二者成正比关系。

为尽可能降低不利因素给植筋性能造成的影响，现行植筋技术规程要求植筋实施过程确保植筋孔干燥、无灰尘[10,11]。但由于植筋应用场景非常广泛，潮湿和水下环境植筋无法避免。正如李悦等[12]总结了植筋锚固研究成果和工程实践后指出：诸如潮湿、异常温度和冻融等特殊环境下的植筋锚固性能有待进一步研究。为此，许多学者和工程技术人员针对特殊环境下的植筋开展了大量研究工作，如：苗生龙等[13]对比普通水和盐水环境下的植筋试验，分析极限承载力和荷载-位移曲线表明，普通水环境下的植筋极限承载力、延性、粘结刚度和平均粘结应力随时间的延长有所增加。然而，在盐水环境下的上述性能却相反，随作用时间的增长而劣化。混凝土基体潮湿与否对植筋锚固性能的影响，左建新等[14]设计了三根试件，分别为基体干燥清孔、潮湿清孔和潮湿不清孔，通过分析拉拔载荷 - 位移曲线，研究认为施工工艺对混凝土基体潮湿状态下的植筋影响较大，潮湿不清孔所获得的拉拔力远低于干燥状态下的承载力，而基体是否潮湿影响不大。上述研究结论与文献[15]明显不同，李德[15]研究认为，通过选择特定的植筋胶，在明水环境下的植筋虽然能满足工程应用要求，但在有水和无水条件下的植筋承载力相差比较大。

大量的工程应用和研究促进了植筋技术发展及其理论体系的完善，尤其是常规环境下植筋所涉及的多因素影响规律得到了较为充分的探索和了解。但潮湿等特殊环境下的植筋，其力学性能还有待深入研究，既有的研究成果并不充分且还存在相左之处[14,15]。虽然水下植筋已得到较多工程实践，但均是基于特殊的植筋胶来克服水环境影响。至于水上植筋所涉及的孔内潮湿度对常规植筋的影响效果，还有待继续探索和大量的试验数据支撑。

为此，本文开展了6组12根植筋拉拔试验，通过改变植筋孔内潮湿度，基于试验所获得拉拔力 - 位移曲线和破坏模态，研究潮湿度对植筋效果的影响。

1 试验研究

(1)试验方案

浇筑一混凝土板(2100 mm×900 mm×300 mm)，养护28 d，在其上按预定位置钻12个孔，孔深220 mm，孔径22 mm，并对孔位进行编号(图1)。将12个孔分为6个湿度组，植筋前将所有孔内烘干，之后每两个孔为一组，分别对孔内进行同等喷水雾，并用湿度计分别测试三次，取其平均值作为实测孔内湿度(实测孔深和孔内湿度如表1)，确保孔内湿度达到设计预定湿度后，迅速植筋(植螺杆)。植筋养护48 h，螺杆与混凝土完全胶结后，采用液压穿心式千斤顶对其进行分级加载拉拔。

图1 植筋及湿度测试

(2)材料性能

混凝土基材实际配合比为水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.67∶2.52∶0.44，在TYE-2000A型压力试验机上，实测混凝土立方体(150 mm×150 mm×150 mm)极限抗压强度fcu和弹性模量Ec如表2。

植筋使用4.8级M18螺杆12根，实测得其极限拉拔力为131.66 kN。

表1 各孔深度和湿度实测数据

表2 混凝土材料性能参数 MPa

(3)加载及测试

拉拔时将穿心式千斤顶套在螺杆上，用4个螺母将螺杆拧紧，借助螺母底面的钢板与千斤顶接触，将力传递至螺杆实施拉拔。

加载初期按每级5 kN提载，缓慢加载至变形稍大后再以每级2～3 kN加载，直至螺杆拉断或被拔出为止，整个过程详细记录拉拔力 - 位移曲线。

2 试验现象及讨论

2.1 试验现象

在拉拔试验进行过程中，由于千斤顶油管接头问题，编号为1-2和2-1的两根植筋螺杆拉拔试验未能取得成功，余下的10根植筋拉拔试验现象汇总如表3。试验破坏总体可归结为两类破坏模态：螺杆拉断、螺杆拔出，破坏模态如图2。

表3 植筋螺杆拉拔试验现象汇总

图2 植筋螺杆破坏模态

总结上述试验现象可知，除了个别螺杆(编号3-1和6-2螺杆)外，植筋螺杆破坏模态受孔内湿度影响的总体趋势是：随着湿度增大，植筋由螺杆自身拉断，锚固周围混凝土不出现损伤裂缝，逐渐过渡到螺杆拉断时，根部混凝土出现裂缝，直至最后螺杆被拔出，锚固混凝土严重开裂，螺杆自身完好。由此可见，孔内湿度严重影响植筋效果。

2.2 结果及讨论

受千斤顶底部垫板约束基体混凝土的影响，以及试验过程中垫板位置偏差等原因，编号为3-1和6-2的螺杆试验现象存在异常。排除这两根试件，根据拉拔试验破坏模态，将测试得到的8根螺杆荷载 - 位移(F-δ)曲线分两组绘制(图3)：螺杆拉断组和螺杆拔出组。其中螺杆拉断组对应的试件编号分别为1-1，2-2，3-2，4-1，螺杆拔出组包括4-2，5-1，5-2，6-1。

图3 植筋螺杆荷载-位移(F - δ)曲线

(1)对照图3和表1可知，螺杆拉断组对应的4根植筋螺杆孔内湿度分别为6.6%，20.4%，37.7%，53.7%，湿度平均为29.6%；螺杆拔出组对应的4根植筋螺杆孔内湿度分别为56.0%，69.4%，67.7%，90.6%，湿度平均为70.9%。试验显示：随着孔内湿度增大，植筋螺杆的破坏模态由螺杆拉断转变成螺杆被拉出。说明孔内湿度降低了植筋锚固力，其原因是因为孔内湿度增大后，孔壁表面水分增加，降低了胶体与混凝土孔壁界面的咬合力。此外，湿度导致的植筋锚固破坏模态改变是个渐变过程，由湿度较低时锚杆拉断、锚下混凝土无任何损伤，逐渐过渡到锚下混凝土开裂、锚杆拉断，直至湿度较高时的锚下混凝土锥体剪切破坏而被拔出。试验表明，转变过程发生在4-1和4-2螺杆之间，破坏模态转变的临界湿度为54.85%，即约为55%。

(2)虽然两组不同形式的破坏模态在到达拉拔力峰值前，均表现为螺杆位移δ随拉拔力F提高而成线性增加，但孔内湿度较小组的螺杆位移整体略小于湿度较高组；拉拔力达到峰值后，两组荷载 - 位移(F-δ)曲线发生显著差异，其中湿度较小的螺杆拉断组此后拉拔力虽然下降，但降幅较小(8.7%)。而湿度较高组，拉拔力急剧下降，至完全破坏前，拉拔力降幅达35.9%。由此说明，湿度显著影响植筋的受力性能，孔内保持干燥状态有利提高植筋参与结构受力，改善新老构件的整体性。

(3)从图3和表2可知，螺杆拉断组拉拔力平均峰值为135.9 kN，螺杆拔出组拉拔力平均峰值为123.9 kN，湿度由29.6%提高至70.9%时，最大拉拔力降低了8.8%。可见，孔内湿度降低了植筋锚固力，试验所得其下降速率为0.29 kN/单位湿度，换算到螺杆孔内植筋表面，单位面积的下降程度为：0.023 N/mm2/单位湿度。

(4)从拉拔力峰值和最终破坏时对应的螺杆位移分析，螺杆拉断组最大拉拔力时对应的平均位移为7 mm，螺杆拔出组对应的位移为9 mm，位移增加了28.6%；拉拔破坏时，螺杆拉断组对应的位移均值为20.2 mm，螺杆拔出组对应的位移为27.2 mm，位移增加了34.6%。依此推测，随着湿度增加，螺杆、胶体及混凝土基体界面之间的剪切变形也逐渐增大，进而导致螺杆在达到最大峰值力和破坏前，植筋整体位移随湿度增大而提高。