苗生龍,張 翊

(1.中國礦業(yè)大學徐海學院，江蘇 徐州 221008；2.青島騰遠設計事務所有限公司結(jié)構(gòu)1所，山東 青島 266100)

植筋法是一種重要的建筑物、構(gòu)筑物加固方法，國內(nèi)外學者對植筋性能，包括靜力拉拔[1-4]、焊接、高溫[5-7]、凍融及施工環(huán)境等特殊環(huán)境下植筋的錨固粘結(jié)性能[8-13]及植筋錨固多根鋼筋拉拔性能進行了相關研究[14-15]。然而在實際工程中，不少建筑物或構(gòu)筑物處于普通水環(huán)境和鹽水環(huán)境中，如地下工程、蓄水池和碼頭工程等。在這些環(huán)境中植筋時，植筋錨固及其材料的力學性能對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生的影響，目前尚未有相關的規(guī)范及規(guī)定可供參考。因此開展普通水環(huán)境、鹽水環(huán)境中植筋錨固性能的研究，對完善植筋錨固理論及保障人民生命和財產(chǎn)安全有著重要的現(xiàn)實意義。

本文對普通水環(huán)境和鹽水環(huán)境作用后的植筋試件進行了單向拉拔試驗，分析了錨固深度、浸泡環(huán)境及浸泡時間對植筋錨固性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件制作

進行植筋的混凝土試塊尺寸為200mm×200mm×200mm，鋼筋錨固深度采用5D和10D(D為植入鋼筋的直徑)；混凝土采用C30，28d實測抗壓強度為34.5MPa；植入鋼筋采用三級鋼，直徑16mm，實測屈服強度507.6MPa，極限強度646.9MPa，伸長率22.4%；結(jié)構(gòu)膠采用中國科學院大連化學物理研究所研制的JGN型結(jié)構(gòu)膠。

考慮一般室內(nèi)環(huán)境、普通水環(huán)境和鹽水環(huán)境三種試驗環(huán)境，共制作14個植筋試件(部分試件設置骨架鋼筋，見圖1)，進行單向加載，試件分組如表1所示。試件的編號方式為：作用環(huán)境-植筋錨固長度-環(huán)境作用時間，作用環(huán)境中，N表示一般室內(nèi)環(huán)境，W表示普通水環(huán)境，SW表示鹽水環(huán)境(20%的NaCl溶液)；錨固長度分5D、10D；作用時間分30d、90d和150d。

圖1 植筋試件示意圖

試件編號作用環(huán)境環(huán)境作用時間/d錨固長度/D試件尺寸/mm骨架鋼筋 N-5D室內(nèi)-5無 N-10D室內(nèi)-10有 W-5D-30普通水305無 W-10D-30普通水3010有 W-5D-90普通水905有 W-10D-90普通水9010無 W-5D-150普通水1505有 W-10D-150普通水15010200×200×200無 SW-5D-30鹽水305有 SW-10D-30鹽水3010無 SW-5D-90鹽水905無 SW-10D-90鹽水9010無 SW-5D-150鹽水1505有 SW-10D-150鹽水15010無

1.2 加載方案

一般室內(nèi)環(huán)境下的植筋試件在植筋完成后3d進行拉拔試驗，其它植筋試件在相應環(huán)境中作用相應時間后取出放置2～3d，然后進行拉拔試驗。采用PWS-500型電液伺服試驗機加載系統(tǒng)，試驗裝置如圖2所示。試驗過程中，采用TDS303數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集，采用位移計進行鋼筋自由端滑移值的測量。

試件拉拔試驗采用“荷載-位移混合控制”的加載方式，以5kN為一級施加荷載，當試件進入破壞階段后轉(zhuǎn)為位移控制，以0.5mm/min的速度加載，直至荷載下降到極限荷載的80%。

圖2 加載系統(tǒng)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

在試驗的開始階段，各試件基本呈彈性變形，植筋孔口位置逐漸出現(xiàn)沿孔外側(cè)周邊的裂紋，隨著荷載的增加，裂紋沿孔法線方向隨機向外擴散，對于未配置骨架鋼筋的試件，裂紋出現(xiàn)不久即迅速向四周擴散，混凝土發(fā)生劈裂破壞， 鋼筋出現(xiàn)攜帶混凝土錐體或沿混凝土界面直接被拔出的情況；對于配置骨架鋼筋的試件，則出現(xiàn)錐體-粘結(jié)復合破壞。

2.2 試驗分析

2.2.1極限承載力

拉拔試驗極限承載力如表2所示。由表2可知，隨著錨固長度的增加，植筋極限承載力顯著增大。相同條件下，骨架鋼筋的設置可以明顯提高植筋極限承載力。W-5D-150較之W-5D-90極限承載力提高1.45%；W-10D-150較W-10D-90極限承載力提高0.64%。說明水環(huán)境中極限承載力隨作用時間的增加略有增大，普通水環(huán)境對植筋極限承載力起有利作用。SW-5D-150較之SW-5D-30極限承載力降低4%；SW-10D-150較之SW-10D-30、SW-10D-90極限承載力分別降低3%、0.79%。說明鹽水環(huán)境中極限承載力隨作用時間的增加略有減小，鹽水環(huán)境對植筋試件極限承載力起不利作用，但隨錨固長度的增加，這種影響程度有所減小。

表2 植筋試件拉拔力學性能

2.2.2荷載-滑移曲線

不同錨固長度的植筋試件在不同環(huán)境中作用不同時間后的荷載-滑移曲線，如圖3所示。

圖3 單向拉拔植筋試件荷載-滑移曲線

根據(jù)滑移曲線，得到了植筋試件的粘結(jié)應力、粘結(jié)剛度，如表2所示。

1)平均粘結(jié)應力。各組試件的極限承載力除以植筋粘結(jié)界面的面積即得到植筋試件的平均粘結(jié)應力。對于各植筋試件，平均粘結(jié)應力在9～12N/mm2之間，錨固長度對其無明顯影響，而骨架鋼筋的設置則可明顯提高平均粘結(jié)應力。植筋試件平均粘結(jié)應力隨環(huán)境作用時間的變化規(guī)律與極限承載力相似。

2)粘結(jié)剛度。荷載-滑移曲線的斜率反映了植筋的粘結(jié)剛度，取其彈性段的荷載與滑移值之比為其粘結(jié)剛度。由圖3可知，對于不同錨固長度的植筋試件，粘結(jié)剛度隨錨固長度的增加而增大，相同條件下，錨固長度為10D的植筋試件比錨固長度為5D的植筋試件粘結(jié)剛度提高約50%。W-5D-30的粘結(jié)剛度比N-5D的粘結(jié)剛度提高0.5%；W-5D-150的粘結(jié)剛度比W-5D-90的粘結(jié)剛度提高0.38%；W-10D-30的粘結(jié)剛度比N-10D的粘結(jié)剛度提高2%；W-10D-150的粘結(jié)剛度比W-10D-90的粘結(jié)剛度提高0.73%。說明普通水環(huán)境對植筋試件粘結(jié)剛度起有利作用。SW-5D-90的后粘結(jié)剛度比N-5D的粘結(jié)剛度降低17.5%；SW-5D-150的粘結(jié)剛度比SW-5D-30的粘結(jié)剛度降低5.9%；SW-10D-150的粘結(jié)剛度比SW-10D-30、SW-10D-90的粘結(jié)剛度分別降低5%、2%。說明在在鹽水環(huán)境中粘結(jié)剛度隨作用時間的增加有所退化。

3)延性。以承載力下降到極限荷載80%時的滑移量來衡量植筋試件的延性。由圖3可知，設置了骨架鋼筋的植筋試件的滑移量均超過了1.5mm。超過極限荷載后，隨著滑移值的增加，荷載緩慢降低，試件表現(xiàn)了良好的延性。而未設置骨架鋼筋的植筋試件，無論受何種環(huán)境作用，其滑移值相對較小，多數(shù)呈脆性破壞，這說明作用環(huán)境對植筋試件延性的影響較小，而試件中的骨架鋼筋則對其延性有較大的影響。同時，從圖3中還可以看出，對于設置了骨架鋼筋的植筋試件在相同環(huán)境作用下，其延性隨錨固長度的增加而增加。

2.3 水環(huán)境及鹽水環(huán)境對植筋力學性能影響淺析

水環(huán)境對混凝土強度的增長起促進作用，而且短期內(nèi)不會破壞植筋粘結(jié)界面，而鹽水環(huán)境中隨時間的增加，植筋孔口處混凝土受到鹽水侵蝕，植筋粘結(jié)界面也會有一定的侵蝕作用，從而造成植筋粘結(jié)應力和粘結(jié)剛度的退化。如果植筋膠與鋼筋結(jié)合不嚴密，水或鹽水會使鋼筋銹蝕，從而破壞粘結(jié)界面，造成植筋粘結(jié)應力和粘結(jié)剛度的退化，而且鹽水環(huán)境比水環(huán)境更容易使鋼筋銹蝕。

3 結(jié)論

(1)在普通水環(huán)境中植筋試件的極限承載力、平均粘結(jié)應力、粘結(jié)剛度及延性隨作用時間的增長均有所增加，而在鹽水環(huán)境中植筋試件的極限承載力、平均粘結(jié)應力、粘結(jié)剛度及延性隨作用時間的增長均有所退化。在實際工程中構(gòu)件處于鹽水環(huán)境下時應考慮其對混凝土性能的不利影響。

(2)骨架鋼筋的設置可以提高植筋試件的極限承載力、平均粘結(jié)應力、粘結(jié)剛度及延性。因此，盡量避免在素混凝土上植筋。

(3)與鋼筋緊密結(jié)合的植筋膠可起到保護鋼筋的作用，施工時應將植筋膠灌滿孔洞。