缓粘结剂固化期间预应力筋与混凝土之间的粘结性能

2021-08-15张子静王占飞

辽宁省交通高等专科学校学报 2021年3期

马玥张子静王占飞

（1.大连海洋大学应用技术学院，辽宁大连 116300；2.北京科技大学天津学院，天津 301830；3.沈阳建筑大学交通工程学院，辽宁沈阳 110168）

1 前言

环氧树脂作为缓粘结剂的预应力技术结合了无粘结预应力和有粘结预应力技术的优点，即施工时工艺简单方便、使用时结构安全可靠，具有良好的发展前景［1］。自2002年以来，国内各科研院所对环氧树脂缓粘结剂及其预应力混凝土结构进行了一系列理论研究并制定了相关的技术规程［2-6］，使得缓粘结预应力混凝土结构在我国的桥梁及建筑工程中得到了大量的示范和应用。

关于缓粘结预应力技术目前主要探明了缓粘结预应力筋在张拉适用期内预应力损失以及缓粘结剂完全固化后结构力学性能。然而，预应力筋从制作到缓粘结剂完全固化，需要花费1～2年的时间。这期间，随着缓粘结剂逐渐固化，预应力筋与混凝土之间的粘结强度如何变化，以及对结构力学性能的影响还未明确，这给该技术在工程应用带来了一定的安全隐患。

本文通过4组固化程度不同的缓粘结预应力筋从混凝土中拔出的试验和数值分析，讨论缓粘结剂固化期间，预应力筋与混凝土之间的粘结性能变化规律，为该技术的工程应用提供理论基础。

2 试验及数值分析概况

从材料制备到工程竣工运营，环氧树脂缓粘结预应力筋大体经历两个阶段，即张拉试用期和固化期，这期间缓粘结剂从液态变成可塑体再到坚硬的固态，使得预应力筋能够通过缓粘结剂将预应力应力传递给混凝土。为了探明缓粘结剂在自身物理性态变化的过程中对预应力筋粘结强度的影响，制作了4组固化硬度HD为1-4的缓粘结预应力筋混凝土试件，进行预应力筋拔出试验及数值分析。

2.1 试验及数值分析概况

本试验，在试块尺寸为200×200×600mm的混凝土试块中布设一根缓黏结预应力筋，预应力筋两端各长出混凝土试块100mm，试件及试验装置如图1（a）所示。试验采用的缓黏结预应力筋的公称直径为15.2mm，在筋表面包裹一层缓黏结剂（环氧树脂），在缓黏结剂外侧用PE管包裹，缓黏结预应力筋构造见图1（b）所示。试件中的缓黏结剂采用升温加上固化，拔出试验前测同等环境下缓粘结剂的邵氏硬度值表征缓粘结剂的固化状态。

图1 拔出试验的试件及加载装置

缓黏结预应力筋拔出试验的有限元模型如图2所示。混凝土、缓黏结剂、预应力钢绞线均采用八节点减缩积分格式的三维实体单元（C3D8R）。在网格划分方面，预应力筋和缓黏结剂网格划分较密，并对混凝土内部局部布种子，也进行了网格细化。材料与接触设置：由于在整个拉拔过程中，预应力筋应力远远小于材料的屈服应力，故设置为弹性材料，弹性模量E=195000Mpa；混凝土的应力状态可能超过材料的弹性阶段，故将其设置为弹塑性材料，本构模型设置为弹塑性损伤模型。抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比均取规范规定的标准值；缓粘结剂由于随着固化程度的不同，材料性质会发生变化，在分析时以缓粘结材料完全固化（完全固化时邵氏硬度取80）时的材性［5］为参考在不同固化阶段，相应折减材料的抗压强度、抗拉强度及弹性模量，本构模型设置为弹塑性损伤模型。同时为了能够模拟预应力筋的拔出现象，将试件中的缓粘结剂设置成内外两层，内外层缓黏结剂之间采用摩擦接触连接，模拟拔出试验时切向剪应力的传递，当界面剪应力达到设定的临界值τ时发生相对滑动，并且在滑动过程中一直保持相同剪应力。根据缓粘结剂邵氏硬度值的不同设置临界剪应力。

图2 预应力钢绞线、缓黏结剂和混凝土单元划分

2.2 边界条件及荷载施加

缓黏结预应力筋的拔出试验采用砝码加载方式，并通过百分表测量筋拔出的长度。试验时，将试块放到试验装置上，在试块预应力筋上端放置百分表、玻璃垫板；在预应力筋下端用砂轮打磨出凹槽固定挂钩，待挂钩稳定后开始进行加载试验（试验装置如图1所示）。加载方式：试验时试件每级加载4kg，持荷1min，读取百分表读数，记录筋滑移量，然后继续加载，直至滑移量达到百分表最大量程，结束试验。在数值分析时，结合试验时试件的受力情况，混凝土试块下端固定，钢筋端部施加拉力。分析分两个步骤，第一个分析步（Initial Step）用来设定模型的边界条件和材料间接触关系；第二个分析步（Step1）用来施加拔出荷载。加载方式为位移加载，最大加载的位移为20mm。

3 试验与数值分析结果

3.1 粘结强度-粘结滑移曲线

图3为试验与数值分析得到的粘结力-滑移量曲线结果对比，图中实线为模拟结果，虚线为试验结果。由图可知，预应力筋拔出试验及数值分析得到的拔出力-滑移曲线分为三个阶段，第一阶段是线性阶段：这一阶段缓黏结剂处于理想弹性体状态，黏结力由材料本身弹性性变来提供，黏结力-滑移曲线表现为直线。第二阶段为非线性增长阶段：这一阶段不同位置的缓黏结剂相续达到临界剪应力状态，黏结力-滑移曲线表现为非线性变化，并且达到最大粘结力。第三阶段是滑移承载力下降阶段：所有位置的缓黏结剂达到临界剪应力后，钢束从混凝土试块中拔出时，黏有一定量的缓黏结剂，粘结力随着滑移量的增加逐渐变小。随着缓粘结硬度的增加，粘结力增加，试验与数值分析得到的最大粘结力基本一致，表明数值分析具有一定的可信性。有限元分析结果表现出了典型的线性和非线性阶段。但从试验结果来看表现的不那么明显，这主要是因为硬度在1HD-4HD之间时，缓粘结剂处于粘弹性状态所致。

图3 试验与数值分析得到的粘结力-滑移量曲线结果对比

3.2 预应力筋、缓粘结剂及混凝土应力云图

缓粘结剂硬度为4HD的试件预应力筋拔出过程中，得到的各阶段应力分布如图4所示。图4（a）时预应力筋拔出粘结力为500N时，图4（b）为预应力筋拔出粘结力为650N时，图4（C）预应力筋拔出为滑移量为20mm时整体及混凝土的应力分布。拔出试验刚开始，预应力筋在混凝土内受拉，阻力主要有缓黏结剂本身的黏滞阻力来提供，黏结力-滑移呈线性变化，由图可看出缓黏结剂周围的核心混凝土应力较大，沿拔出方向呈带状分布；预应力筋应力主要集中在混凝土内部受拉端。预应力筋拔出粘结力为650N时，核心混凝土应力范围在一定程度上减小，此时缓黏结剂发生塑性变形，混凝土内部预应力筋端部应力增大。当荷载继续增大，预应力筋、缓黏结剂之间开始出现滑移现象，当滑移位移达到20mm，预应力拔出端应力最大，与前两个阶段相比，核心混凝土应力大小和应力范围较小。核心混凝土剪切应力沿拔出方向呈带状分布，内部应力较大，越往外应力值越小，混凝土外表面没有明显的应力分布。