高强钢绞线与纤维增强聚合物砂浆粘结滑移性能研究*

2023-08-03廖维张王俊杰王红炜王秋婉

建筑结构 2023年14期

廖维张, 王俊杰, 王红炜, 王秋婉

(1 北京建筑大学工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心，北京 100044；2 北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044)

0 引言

高强钢绞线-纤维复合水泥基材料(HSS-FRCM)加固修复既有混凝土结构正逐渐成为代替纤维增强复合材料(FRP)、钢板、钢丝网外贴等加固方案。已有许多学者详细探讨分析了HSS-FRCM加固材料的可行性[1-8],如粘贴HSS-FRCM在混凝土梁、柱外部,分析其加固后的抗震性能[9]、抗剪性能[10]、以及结构节点抗震性能和抗剪承载力[11];或是在砌体结构承重部分粘贴HSS-FRCM、观测加固后结构的受剪能力[12]、抗震性能[13]等,为该加固技术能够有效地改善构件性能提供理论分析依据,并发现该加固复合层的加固效果受多种因素的影响,其中加固复合层自身的材料力学性能尤为重要。研究发现,在水泥基材料中掺入聚丙烯、聚乙烯醇和聚乙烯纤维会削弱砂浆抗压强度,但由于内部乱向纤维的分布,可提高整体的抗折强度[14-15];过量纤维的掺入同样也会影响胶砂基体的流动性与和易性[16],但聚乙烯醇(PVA)纤维体积掺量的增加有利于提高砂浆的抗拉强度[17]。

除此之外,钢绞线与水泥基材料界面之间的相互作用对整个加固复合层的加固效果有非常重要的影响[18-22],在该加固复合层中,水泥基材料相对于钢绞线的剥离破坏是较为常见的破坏模式[8]。已有的研究表明基体的强度越高,内部承担拉力作用的构件粘结锚固强度越高,钢绞线锚固粘结强度主要与其自身被锚固长度的大小成正比,即使发生较大滑移后,内部材料之间仍具有相当的锚固力[23]。目前针对HSS-FRCM材料内部钢绞线和基体之间粘结锚固机制的研究较为浅显,而利用试验理清钢绞线与水泥胶砂界面间的粘结机理,分析短切纤维HSS-FRCM粘结性能作用具有一定理论意义和实用价值。

通过对HSS-FRCM试块中的钢绞线进行拉拔试验,探究钢绞线拉拔力与位移,拉拔力与锚固长度之间的关系,并给出不同短切纤维(聚丙烯纤维、钢纤维,见图1)和不同锚固长度对界面粘结滑移性能的影响规律。为该加固技术的设计理论及工程应用的推广提供必要的参考。

图1 短切外掺纤维

1 试验内容

1.1 试验材料

(1)复合水泥基材料

试验所采用的纤维增强水泥基材料的主要成分包括:水泥、硅粉、粉煤灰、精细河砂、实验室自来水、胶粉5010、高效聚羧酸减水剂母液、短切纤维。其中基体内掺入0.16%体积掺量的聚丙烯纤维(简称PP纤维)和体积掺量为1.5%的短切钢纤维(简称钢纤维),具体砂浆配比见表1,28d砂浆实测强度见表2。

表1 纤维水泥基材料配合比

表2 纤维水泥基材料28d实测强度

(2)镀锌钢绞线

试验所采用的钢绞线为具有较高抗拉强度的镀锌钢绞线,直径为2.4、3.0mm。表3为镀锌钢绞线材性试验结果。

表3 镀锌钢绞线材性试验结果

1.2 试验设计

试验参考《钢绞线网片聚合物砂浆加固技术规程》(JGJ 337—2015)[24],考虑材料的实际工程使用情况,将HSS-FRCM试块的截面尺寸设计为50mm×50mm,长度为120mm,通过在试块端部布置塑料套管,形成钢绞线在基体内部的无粘结区域。同时可以避免拉拔过程中钢绞线与基体锚固端部发生锥形破坏。HSS-FRCM试块的试验工况如表4所示,其中试块编码代表纤维种类-钢绞线直径-锚固长度-基体种类。设计图和制作流程见图2、3,试件加工完成图见图4。

表4 HSS-FRCM拉拔试验工况

图2 HSS-FRCM拉拔试块设计

图3 HSS-FRCM拉拔试块制作流程

图4 HSS-FRCM拉拔试块

1.3 试验加载

试验采用10t万能试验机进行HSS-ECC试块拉拔试验,如图5所示。将承载台连接到试验机上端部,并用销钉固定;将拉拔试块基体部分固定在装置中心加载板上,外露的钢绞线穿过加载底板并将其连接到试验机下端,利用三夹片锚具与钢制套环对钢绞线进行锚固,图6为试验采用的锚具,利用夹片上的防滑槽锁紧钢绞线,保证钢绞线不会发生影响试验的滑移和脱落现象。

图5 HSS-FRCM拉拔试验装置图

采用静力加载位移控制方式,以速率0.3mm/min为标准进行拉拔试验,将位移计的磁性表座固定在加载装置底板上,并拧紧位移计的方向固定旋钮,保证位移计处于试件和拉伸装置的正中位置且不会发生转动;再将已对中固定的位移计测量端连接试件端部外露的钢绞线,利用标号笔在锚具夹持端部进行标记,记录试验开始前和试验结束后标记处的位置,待结束试验后,对比发现标记处与锚具端部的距离未发生变化,这说明设定的锚具可有效锚固钢绞线。拉拔试验过程中的端部钢绞线与基体之间相对滑移位移即可通过位移计测定。将试验机数据采集系统得到的拉拔力数据作为试验参考值。

试验以下列破坏标志作为停止加载点:1)基体与钢绞线之间发生较大滑移位移;2)钢绞线拉断破坏;3)基体局部出现脱落、开裂。

1.4 试验结果

拉拔试验破坏特征如图7所示。在拉拔试验中,试块的破坏模式主要分为两种类型,包括基体上端部钢绞线的滑移破坏和基体下端部的砂浆脱落破坏。试验配合比制作的胶砂基体强度较高,在试验达到停止加载点时,基体表面均未出现明显的破坏裂缝。图8为试件钢绞线被拔出的破坏模式示意图,图中钢绞线螺旋肋间的砂浆被剪切破坏并随着钢绞线带出基体,基体和钢绞线接触界面的剪切破坏特征尤为明显。

图7 拉拔试验破坏特征示意图

图8 HSS-FRCM试块拔出钢绞线破坏模式图

为了进一步分析粘结机理,对HSS-FRCM拉拔试验的极限拉拔力、粘结强度、破坏模式等结果进行汇总,如表5所示。试验机采集仪采集到破坏特征点对应的拉拔力记为极限拉拔力。按照《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2020)[25]中给出的钢筋与混凝土之间的锚固强度计算公式,分析钢绞线和基体之间的粘结强度,并取拉拔试验过程中钢绞线发生0.01、0.05、0.10mm滑移时所对应的拉拔力F1、F2、F3,带入计算式(1)中进行钢绞线与基体的粘结强度τ计算。

表5 HSS-FRCM拉拔试验结果

式中:A为埋入基体内的钢绞线表面积(A=πDL),mm2,其中,D为钢绞线理论计算直径,mm,L为钢绞线埋置长度,mm。

拉拔试验中钢绞线与聚合物砂浆之间的粘结强度τ如表5所示,为了避免数据的离散性,取锚固长度20d、25d、30d三种工况的粘结强度均值,得出不同种类砂浆与钢绞线之间粘结强度。对比表6中数据可得,无外掺纤维砂浆(A组试件)与钢绞线之间粘结强度为8.37MPa,高于B组试件粘结强度6.4%、高于C组试件粘结强度14.2%。随着短切纤维的加入,钢绞线与基体间的粘结力会有所降低。

表6 HSS-FRCM粘结强度计算结果

2 试验结果分析

通过分析试验结果发现三种不同水泥基材料的拉拔力-位移曲线均主要包括三个阶段:钢绞线弹性拉伸阶段,钢绞线逐渐脱粘阶段,钢绞线滑移阶段[26]。其中拉拔力以机器采集到的荷载数值为参考值,加载位移指加载架被拉动抬升的位移。

试验结果发现,短切纤维的加入会削弱钢绞线与复合水泥基体之间的粘结力。对比图9发现,掺入两种不同的短切纤维后,试件的位移-拉拔力曲线形式较为相似,但是掺入短切纤维后复合水泥基体对应的钢绞线的极限拉拔力有所下降,即相比于普通聚合物砂浆对应的绿色曲线,黑色与红色曲线对应的拉拔力最大值较小,钢绞线与砂浆之间的粘结作用受到削弱。但是对比两种纤维对拉拔力的影响时,发现当钢绞线的锚固长度为20d、25d、30d时,相比于短切钢纤维,掺入PP纤维的聚合物砂浆与钢绞线之间的机械咬合作用更为明显。

图9 锚固长度对拉拔力-位移的影响对比

图10、11分别对比了两种HSS-FRCM和普通水泥基材锚固钢绞线试件在拉拔试验过程中拉拔力和加载位移曲线的图形特征。发现在拉拔力呈线性变化的阶段,锚固长度对钢绞线的曲线几乎无影响。随着拉拔力的增大,钢绞线与水泥基体逐渐脱粘破坏,钢绞线在基体内部由部分粘结力和摩擦力承担外部拉力作用,此时试件曲线上升段逐渐变缓,直到钢绞线发生完全脱粘破坏,曲线出现明显的下降。在不同锚固长度下,试件拉拔力-位移曲线上升段变平缓的程度并不一致,增大锚固长度会有效降低上升段曲线平缓的趋势。

图10 纤维增强水泥基体试件拉拔力-位移对比

图11 无纤维基体试件拉拔力-位移对比

在钢绞线完全脱粘时,PP纤维和钢纤维的加入对钢绞线锚固段完全脱粘后,拉拔力的下降程度也有一定影响。由图10、11可发现,在钢绞线完全脱粘后,试件的拉拔力-位移曲线显著下降,较大滑移后的钢绞线和水泥基体之间仍存在一定锚固作用,钢绞线峰值拉拔力下降百分比与不同基体种类有关。钢纤维水泥基体对应的钢绞线最大拉拔力削弱效果最小,其峰值拉拔力下降百分比为15%～35%。即在掺入钢纤维的复合水泥基材试块中,钢绞线发生滑移破坏对应的拉拔力-位移曲线进入下降阶段后,钢绞线仍具有较大的锚固力,该锚固力的大小为极限拉拔力的65%～85%。对于掺入PP纤维的复合水泥基材试块,钢绞线峰值拉拔力下降趋势有明显的削弱,其峰值拉拔力下降百分比为30%～50%,而聚合物砂浆所对应的钢绞线拉拔力下降幅度主要集中在30%～45%。

3 钢绞线拉拔力结果分析

图12对比不同基体种类、在不同锚固长度下的钢绞线极限拉拔力的影响。为避免数据离散,图12中的取值为不同锚固长度下钢绞线完全脱粘时所对应的拉拔力平均值。利用分析软件MATLAB对图中的五种锚固长度峰值拉拔力进行函数拟合,可得钢绞线在基体内的极限拔出力与钢绞线的锚固长度之间为二次幂函数关系,即在钢绞线发生滑移破坏的前提下,成倍增大钢绞线的锚固长度,钢绞线的极限拉拔力并不会呈相应倍数的增长,而是近似按照图中所给出的二次幂公式增长。PP纤维基体和无纤维掺入基体对应的二次函数为凸函数,钢纤维基体对应的二次函数为凹函数,这说明,随着锚固长度的增大,钢纤维能给基体提供高于其他两种基体锚固钢绞线的能力。