混凝土植筋锚固性能的研究进展

张炜彬 管焓宇 刘佳敏 付成林 刘庆波

（烟台大学 土木工程学院）

1 植筋概述

植筋锚固技术是我国建筑工程领域常用的一种后锚固连接技术。通过前期设计，在混凝土基体上定位，钻孔，注入植筋胶，将钢筋或螺杆植入一定深度，待植筋胶完全凝结固化后，将钢筋与混凝土粘结形成一个整体，对结构进行补强。是目前最经济、安全、有效的加固方法之一[1]。

植筋加固法相比于其他结构加固方法，有其特有的技术优势：①操作简单，节省工期，经济效果好。②对原构件影响较小，只需钻孔植筋，植筋胶通过自身的粘结力或膨胀性，使得钢筋与混凝土有效粘结，且很大程度上减小了对原构件的破坏，起到了加固的作用。③适用面广，不仅适用于非结构构件，同时适用于抗震设防烈度不大于8 度的结构构件。当建筑功能改变导致承受荷载增加，或因工程质量不合格、结构性能衰退等原因造成原结构的承载力不满足要求，采用植筋技术可以取得良好的加固效果。

2 混凝土植筋的锚固机理

2.1植筋与混凝土的粘结作用

植筋作为一种后锚固连接技术，与整体浇筑的普通钢筋混凝土的锚固机理不同，植筋与混凝土的粘结作用是通过植筋胶实现的，植筋胶充分渗入到混凝土的孔隙中，发挥自身的胶结力将钢筋与混凝土锚固在一起。植筋与混凝土之间的粘结力主要由三部分组成：化学胶结力、摩阻力、机械咬合力。植筋锚固的粘结滑移破坏过程如图1 所示，大致可以分为三个阶段：在粘结-滑移上升段初期为粘结阶段（OA 段），此阶段介质间的化学胶结力为主要粘结力，粘结应力沿埋深分布很不均匀，在加载端出现峰值应力，自由端位移为零。随着荷载的不断增大，粘结应力的峰值逐渐从加载端向自由端转移。进入滑移阶段（AB 段），此时界面结合力以机械咬合力为主，粘结刚度不断减小，滑移速度不断加快，最终达到极限承载力，粘结-滑移曲线出现明显的转折点。进入拔出阶段（BC 段），在此阶段植筋与混凝土的粘结力主要由摩阻力提供，钢筋仍能承受一定的拉力，但荷载逐渐减小，滑移量急剧增大，且在卸载后有较大的残余变形产生[2]。

图1 植筋锚固粘结-滑移破坏阶段[2]

2.2植筋锚固的破坏形式

大量研究表明，植筋锚固的破坏形式主要有4 种破坏形式[3]：

⑴钢筋拉断破坏：混凝土与钢筋未发生明显滑移，钢筋被拉断。一般发生于锚固长度较长时，拉拔过程中钢筋屈服力小于极限抗拔力，钢筋达到屈服状态，最终被拉断。

⑵粘结破坏：混凝土与钢筋之间发生明显滑移，钢筋被拔出。一般分为胶-钢破坏和胶-混凝土破坏两种破坏形式。当钢筋表面处理不当或钢筋为光圆钢筋时，胶体与钢筋之间的粘结力不够，钢筋容易从胶体中拔出，发生胶-钢破坏。当植筋胶强度过低、混凝土未清孔干净、注胶不充分等导致胶体与混凝土之间粘结力过小时，钢筋容易裹挟着植筋胶被拔出，发生胶-混凝土破坏。

⑶椎体破坏：破坏时钢筋与植筋胶粘结完好，钢筋未达到屈服状态，锚固钢筋周围的混凝土在主拉应力作用下由内向外发展斜向裂缝，最终超过其极限拉应力呈锥状拉裂。一般发生于锚固长度过短或混凝土强度不足时，属于脆性破坏，设计时应避免发生。

⑷复合破坏：发生椎体-粘结复合破坏。钢筋连同胶体一起从混凝土中拔出，钢筋周围混凝土发生锥体破坏，植筋锚固段与混凝土产生相对滑移。

3 植筋锚固性能的影响因素

3.1植筋胶性能

3.1.1有机植筋胶

有机植筋胶主要由改性环氧树脂类、改性乙烯基酯类或不饱和聚酯树脂类组成，其中改性环氧树脂类、改性乙烯基酯类可用于承重构件，不饱和聚酯树脂类可用于非承重构件。我国先后发布了《混凝土结构工程用锚固胶》（JG/T 340-2011）[4]、《混凝土结构工程无机材料后锚固技术规程》（JGJ/T 271-2012）[5]、《混凝土结构工程用锚固胶》（GB/T 37127-2018）[6]等标准规范，对植筋胶的强度、粘结性、耐久性、施工性等提出要求。GB/T 37127-2018[6]规定改性环氧类植筋胶（A 级）要求C30 混凝土-钢筋拉拔粘结强度不低于11MPa，C60 混凝土-钢筋拉拔强度不低于17MPa。对于改性乙烯基酯类植筋胶（A 级）要求C30 混凝土-钢筋拉拔粘结强度不低于12 MPa，C60混凝土-钢筋拉拔强度不低于18MPa。

有机化学物质的特点决定了有机植筋胶具有以下特点[7]：①粘结强度高，且性能稳定；②受固化条件限制，固化后脆性大且耐久性差；③有机质植筋胶多为溶剂型，其挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOC)含量高，容易造成环境污染；⑷价格较高。

3.1.2无机植筋胶

无机植筋胶主要以快硬、高强的无机胶凝材料如硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥、地聚物水泥等为主要原料，并加入填料和其他外加剂制成[8-12]。其与混凝土基体存在天然的相容性，可以起到较好的植筋效果。通常，无机植筋胶具有较快的凝结速度和较高的早期强度，JG/T 340-2011[4]要求胶体6h、1d 抗压强度分别不低于15MPa、30MPa，28d 抗压强度不低于60MPa。且初凝时间不低于30min，终凝时间不高于120min。与C30 和C60混凝土拉拔强度分别不低于8.5MPa、14MPa。无机植筋胶具有以下优点：①生产工艺简单、成本低；②操作简单、施工方便。③耐久性能优良，水泥水化能提供高碱度的液相环境，保护钢筋。但还是存在脆性大、粘结性能不稳定等问题。聚合物水泥基材料通过往水泥基中掺入柔韧性较好的有机高分子材料，实现有机-无机复合，表现出流动性好、韧性高、粘接强度大等特点[13]。本课题组尝试在无机植筋胶的基础上，通过掺入自制的水性环氧乳液，研制出适用于植筋工程的聚合物水泥基植筋胶。并进行拉拔试验，将有机植筋胶、无机植筋胶、聚合物水泥基植筋胶的粘结性能进行对比。具体试验结果如表1所示。

表1 拉拔试验结果

空白组（预埋钢筋）锚固强度10.4MPa，破坏形态均为钢筋拔出而非拉断，且伴随着混凝土上部的锥体破坏，但椎体较浅，只有5mm 左右，属于复合破坏。有机植筋胶锚固强度12.5MPa，钢筋被拉断后，有机植筋胶紧紧粘附于混凝土表面，经过敲击、手掰等方法无法使二者分离，胶体强度高，锚固性能为各组最好。市售无机植筋胶锚固强度11.3MPa，有钢筋被拉断的现象。自制无机锚固剂锚固强度10.6MPa，破坏形态与预埋钢筋类似为复合破坏。无机植筋胶的拉拔力来源于自身膨胀性和与混凝土基体之间良好的相容性，粘结强度与稳定性不如有机植筋胶，但能提供高碱度环境保护钢筋。聚合物水泥基植筋胶平均锚固强度12.1MPa，较无机植筋胶有所提高。环氧树脂与砂浆内部的水化产物凝聚体相互结合，环氧活性基团与基层上的极性基团反应形成化学键，从而提高了粘结强度[14]。此外，在外界应力作用下产生的微小形变能延缓界面处新裂纹的形成、扩展，避免拉拔过程中出现脆性破坏。聚合物水泥基植筋胶能有效改善了传统植筋胶易老化、脆性大的缺陷，且大大降低了成本。经过多年研究与发展，目前植筋胶的粘结强度已有了明显提高，但仍存在耐久性较差，价格过高，环保性较差等问题。因此，开展植筋胶在高温、潮湿、冻融等环境下的粘结性能研究，同时研发具有适用性、经济性、环保性的植筋胶，对于提升植筋锚固性能，保障结构安全，推动绿色建材的可持续发展具有重要意义。

3.2混凝土强度

大量试验研究表明，植筋拉拔承载力及破坏形式与混凝土的抗拉强度有很大的关系[15]。混凝土强度较低时，锚固钢筋周围的混凝土在拉应力作用下由内向外产生斜向裂缝，并迅速贯通至表面，混凝土呈锥体状拉裂，发生椎体破坏。此时钢筋的极限抗拔力应等于锥体水平投影面积上拉力之和。

根据图2 所示的几何关系，结合式⑴、式⑵，可推导出当发生椎体破坏时，植筋的极限抗拔力承载公式[16]如式⑶所示：

图2 锥体破坏受力图

式中：

Pc（x）——椎体破坏时植筋的极限抗拔力；

ft——混凝土抗拉强度；

Ac（x）——椎体的投影面积；

x——椎体高度；

θ——椎体角度，混凝土材料一般取45°；

D——锚固直径。

我国规范对植筋混凝土强度有明确规定：当新增构件为悬挑结构构件时，原构件混凝土强度等级不得低于C25；为其它结构构件时混凝土强度不得低于C20[17]。因此，施工前应对混凝土基体强度进行检测。若强度不满足设计要求，应首先对混凝土基体进行修复补强，再进行植筋操作。但也应注意混凝土强度不应过高，否则会引起脆性破坏。当锚固长度较深时，锥体多在钢筋屈服后形成，此时混凝土强度对其承载力的影响较小。

3.3锚固长度

锚固长度是影响植筋承载力与破坏形式的重要因素。锚固长度较小时，锚固力小于钢筋屈服力，没有发挥钢筋的能力，植筋发生混凝土椎体破坏，属于脆性破坏，设计时应避免发生。当锚固深度较大时，钢筋的粘结应力沿埋深方向分布不均匀，钢筋加载端一般能达到屈服，属于延性破坏。当锚固力等于钢筋屈服力时，钢筋屈服和锚固破坏同时发生，这种状态称为锚固极限状态，此时的锚固长度称为“临界锚固长度”。

张建荣等[18]进行植筋混凝土梁的抗弯试验，研究表明当植筋深度大于等于15d 时，植筋与混凝土发生混合界面拔出破坏，钢筋屈服后梁发生塑性破坏，表现出较好的力学性能。周安、陈春雷等[19]进行了植筋构件抗震性能研究，研究表明当植筋深度达到l0d 时构件刚度较小，当混凝土开裂后，刚度退化逐渐加快，钢筋屈服后滞回曲线出现明显的“尖点”；当植筋深度为12d 时，植筋构件的粘结刚度与承载能力几乎和整浇构件相同。周新刚等[20]研究表明当植筋锚固长度在15d 以上，植筋构件和整浇构件的滞回曲线差别不大，表现出较好的抗震耗能能力、变形能力和延性。为保证植筋构件具有足够的抗震性能，避免在地震作用下发生脆性破坏，建议在今后工程应用中至少要满足15d 的埋深，对于抗震设防烈度较高的地区还应适当增加埋深以确保锚固性能。GB 50367-2013[17]规定了植筋的基本锚固长度如式⑷所示，由混凝土强度、保护层厚度、配筋率、钢筋直径、植筋胶性能等因素综合决定。

式中：

ls——基本锚固长度；

αspt——为防止混凝土劈裂引用的计算系数；

d——钢筋直径；

fy——钢筋屈服应力；

fbd——植筋用胶粘剂的粘结强度设计值。

3.4其他因素

植筋的施工因素也对其拉拔承载力影响显著，如钻孔直径、植筋间距、孔壁清理等。施工时必须严格按照相应规范来进行操作，钻孔直径不宜过大，胶层过厚会导致其剪切变形增大，胶层与混凝土之间粘结应力分布不均匀，容易发生粘结破坏。钻孔后应对孔壁的浮层、污物进行彻底清理，始终保证孔壁的清洁度和干燥程度。除此之外，温度、湿度等外界环境都对植筋的粘结锚固效果也有一定的影响[21]。

4 粘结-滑移模型

随着有限元技术的逐渐成熟，钢筋与混凝土的粘结-滑移模型（τ-s 曲线方程）作为计算机模拟分析的重要参数，变得就愈来愈重要。目前，τ-s 曲线方程主要分为分段折线(曲线)模型和连续曲线模型两种。植筋结构与普通钢筋混凝土结构的粘结机理类似，针对钢筋混凝土的粘结-滑移模型研究已经较为成熟。不少学者在此基础之上，进一步开展了植筋混凝土粘结-滑移模型研究。

4.1钢筋混凝土粘结-滑移模型

Lutz[22]通过大量单肋钢筋拔出试验，得出τ-s 关系式如式⑸：

A.H.Nilson[23]根据试验，拟合得出τ-s 连续曲线模型如式⑹：

徐有邻等[24]通过大量钢筋混凝土拉拔试验，将钢筋与混凝土的粘结滑移过程分为：微滑移段、滑移段、劈裂段、下降段以及残余段。并依据Ottosen 强度破坏理论，得出各粘结滑移阶段的粘结特征值如下：

其中，以上各式中的fts的取值为：fts= 0.19fcu3∕4

金伟良[25]通过数学分析，以基本函数与位置函数乘积的形式对钢筋与混凝土的粘结滑移进行描述。位置函数如下：

4.2植筋混凝土粘结-滑移模型

张建荣[26]通过钢套筒试验分析了胶-筋界面的粘结滑移本构关系，并得到粘结强度沿埋深方向的位置函数：

其中：

舒睿彬[27]在此基础之上进行了有限元模拟，分析了混合界面破坏植筋系统的锚固粘结滑移机理及裂缝发展规律，最终建立了粘结滑移本构关系：

刘启真[28]通过试验研究与有限元分析，得出了胶-混界面破坏理论模型，如图3 所示，可分为三个阶段：弹性粘结段、滑移段、摩擦滑移段。

图3 胶-混界面粘结-滑移本构关系理论模型[28]

并通过数据拟合，最终得到胶-混界面本构关系基本函数表达式，完善了植筋锚固粘结滑移本构关系：

目前，植筋系统的粘结滑移本构关系多基于单向拉拔试验的研究结果，构件受力条件较为单一，与实际过程中构件多轴受力的复杂条件相比，偏差较大。因此，需开展低周反复荷载作用下植筋系统的粘结锚固机理研究，并进一步完善粘结滑移本构模型。

5 结语与展望

近年来，随着我国学者的不断努力，植筋技术也在不断完善，但仍存在一些问题需要进一步探究。

⑴在设计时考虑植筋胶、混凝土和钢筋三者的相互影响与协同作用，避免产生薄弱环节，发挥植筋结构最大的承载能力。

⑵植筋胶性能是影响植筋锚固性能的关键因素。目前，有机植筋胶多为环氧类物质，价格较高、易老化、对施工环境要求苛刻且不环保；无机植筋胶成本较低，但粘结性能不稳定。聚合物水泥基植筋胶是今后的发展方向，通过引入高分子聚合物对水泥基材料改性，实现有机-无机复合，具有强度高、韧性好、耐久性好等优点，同时能降低成本，提高经济效益。研究植筋胶在应力、高温、冻融等多因素耦合作用下粘结性能，提升植筋胶耐久性。

⑶开展低周反复荷载作用下植筋系统的抗震性能研究，进行计算机仿真模拟分析，完善植筋锚固的粘结滑移本构模型，为工程设计提供支持。