混凝土构件植筋握裹力的影响因素

马涛

吉林燃料乙醇有限责任公司 吉林吉林 220200

1 因素概念分析

1.1 植筋开孔直径

在植筋之前，需要先用水钻等工具提前开孔，然后注入粘接剂。加固规范中规定12 钢筋，即开孔大小为15mm。若施工中孔径小于该数值，由于植筋钢筋有肋，容易造成施工困难，而且粘接剂一般流动性不是很强，所以也会造成一定空隙率，使粘接强度降低。若孔径大于该数值，接触面积增加，提高了粘接强度，但同时也改变了粘接剂与钢筋混凝土共同作用时的受力情况。现以孔径增加1mm 为例定性概算，12 钢筋截面积约为113mm2，设计孔径D=15mm，则孔面积约为177mm2，实际施工孔径D=16mm，则孔面积约为201mm2。粘接面积增加引起的理论强度增加（201-177）/（177-113）=0.375，即37.5%。从结构计算概念来看，由于钢筋与粘接剂的弹性模量不同，钢筋弹性模量为E=2.0X105N/mm2，植筋胶在加固材料技术规范中并未给出限制数值，参考粘钢胶的弹性模量A 级E=3.2X103N/mm2，所以说粘接剂的应变是远远滞后于钢筋的。而实际施工时钢筋在孔洞内微观受力情况也有类似杠杆原理的情况。也就是说，当考虑钢筋与粘接剂弹性模量比例差值时，粘接剂引起的滞后应是被放大。由于确切数值需要精密试验及选用相应算法来准确计算，本文仅粗略估算其可能出现的数值范围。在力学计算上，粘接剂的增加空间考虑杠杆性能时，要使用两次，故上限假设为基础增量的平方。对比钢筋，粘接剂可近似看作柔性材料，假定孔径15mm 为标准1，则孔径16mm 为1.375，空隙距离分别为1.5mm 与2mm，以孔径16mm 为最终效果计算，孔径15mm 的差值比为33%。理论增值上限P=0.375+（1.3752-1.375）×0.25=0.5 即50%。上述计算可知，实际应变滞后增加上限为50%。则植筋用在受弯构件时，考虑裂缝及挠度，孔径16mm 较15mm 应变滞后理论强度折减大致在P=50-37.5=12.5%之内。也就是说植筋作为受弯构件时，孔径的增大对构件承载性能有所削弱。再者粘接剂一般为环氧类树脂，在其固化过程存在一定收缩率，若孔径增大收缩增加，孔径16mm 与15mm 相比，收缩量增加（2-1.5）/1.5=0.33，即33%，而且环氧树脂的膨胀系数约为钢筋混凝土的2-4 倍，孔径的增大无疑使粘接的可靠性降低。

1.2 植筋深度

植筋深度是保证加固构件满足使用条件的重要因素，钢筋周围混凝土的应力及变形状态比较复杂，握裹力使钢筋应力随着钢筋握裹长度而变化。在既有钢筋混凝土上进行植筋作业时，受弯构件钢筋握裹强度随着植筋深度的增加而逐渐减弱。因为钢筋在混凝土中受力是由形变产生应变，深度的增加应变会逐渐降低，无限延伸后，钢筋应力趋近于无。以往的国内试验表明，植筋深度在15d以上时，植筋与混凝土产生滑移，植筋发生混合截面拉拔破坏，钢筋屈服，受弯构件产生塑性破坏。植筋深度小于25d 时,植筋深度的增加能有效提高植筋梁的受力性能,植筋深度大于25d 时,植筋梁的受力性能趋于稳定,不再受植筋深度影响。不过，在实际工程中，尤其是当植筋技术用于结构加固、改造等情况时，其基材混凝土往往是结构节点等复杂受力区域，在这里植筋的粘接锚固性能显然会降低，所以说在15d、25d 的实验室结果在工程中是要被放大。熊学玉等结合某高层住宅植筋加固工程进行了拉拔试验。试验钢筋采用二级螺纹钢筋，直径分别是10、12、14、16、18、20、22 七组，混凝土等级C30，植筋深度分别为10d、15d、20d 三种。其结论显示，当粘接处于弹性阶段，相应的滑移量为1mm-1.4mm，埋深15d、20d 的植筋粘接强度接近。进入粘接塑性阶段时，在一定范围内，随着深度增加，植筋的极限承载能力有提高趋势，超过一定深度埋深则影响不大。该实验佐证了，植筋深度大于25d 后，埋深对承载力逐渐不再给予有力影响。在植筋进入塑性破坏后，由钢筋径缩引起的应力变化与粘接剂的性能关系紧密，弹性模量高形变敏感，有效长度内提供的抗力更高，收缩率低可以减轻径缩带来的抗力削弱。选用C30 混凝土，直径25 三级钢的混凝土受弯构件试验中，植筋深度23d 时钢筋屈服，但梁体呈现脆性破坏，植筋深度25d 时，梁顶部受压混凝土破碎，发生弯曲破坏。在梁体弹性受力阶段，15d 以上植筋效果基本呈线性分布，既有结构采用20-25 直径植筋加固时，考虑卸荷及节点应力等因素时，若在设计深度的基础上提高L=25-23=2d，可大致提高P=（25-23）/20=0.1，即上限10%的可靠强度。混凝土强度等级越高，抗拉强度与抗压强度比值越低，高等级混凝土在同样状态下，损失的可靠强度更多。

1.3 孔洞的洁净度及钢筋锈蚀

钢筋在混凝土中形成的拉力影响为近似斜向上45o 角，同样混凝土对钢筋产生的握裹力大小基本由混凝土抗拉强度来决定，孔洞及钢筋的洁净度是保证受力有效的基本前提。以C30 混凝土、直径25 二级钢为例，植筋深度为23d 时，钢筋出现屈服，此时达到钢筋屈服强度标准值335N/mm2。概算混凝土满足钢筋应力比为，P=335/2.01=166.7，屈服直径25 钢筋所需混凝土圆锥侧面积则为S=3.14×12.52×166.7=6543mm2，混凝土应力450 圆台侧面积等于圆锥侧面积，S=3.14×（12.5+h）-3.14×12.52，h=155.8mm。实际工程中，孔洞中洁净度不能满足施工要求时，必然导致局部粘贴面积变小，从而使混凝土孔洞附近的应力增高。假设C30 混凝土、直径25 二级钢植筋，粘接时有5%的空隙率，埋植深度需增加L=（1/0.95-1）×155.8=8.2mm 才能满足应力。钢筋的锈蚀对握裹力的影响会涉及长期与短期两个阶段，根据国内试验钢筋混凝土结果显示，当轻微锈蚀（重量损失5%以下）时，握裹强度反而有所增加，表面局部锈蚀的钢筋比全表面锈蚀的钢筋握裹强度增加15%。在施工中，钢筋的表面氧化几乎是不可避免的，单纯从短期植筋情况来看，在钢筋轻微锈蚀情况下难以察觉锈蚀对于植筋握裹力的影响，不过从长期来看随着混凝土碳化加深，自然界中水汽渗透，钢筋逐渐因电离作用导致锈蚀膨胀，从而丧失握裹力。也就是说，钢筋若存在锈蚀情况，在初始植筋力学检测中，未必会有明显的反应，结构受力隐患将会在长期使用中逐渐显示。

2 结语

①孔径增大并不能有效提高植筋握裹力，反而使安全性降低。②钢筋直径越大及混凝土等级越高，对钢筋埋植深度d 倍的要求越高，C30 混凝土构件在15d 以下，埋深影响明显，超出25d 以后，影响不大。③孔洞洁净度不满足要求时，会造成握裹应力增加，可通过增加埋深保证其可靠度。钢筋轻微锈蚀对短期植筋效果影响不明显，长期上存在隐患。