廖維張, 王俊杰, 王紅煒, 王秋婉

(1 北京建筑大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 100044；2 北京建筑大學(xué)北京未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044)

0 引言

高強(qiáng)鋼絞線-纖維復(fù)合水泥基材料(HSS-FRCM)加固修復(fù)既有混凝土結(jié)構(gòu)正逐漸成為代替纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)、鋼板、鋼絲網(wǎng)外貼等加固方案。已有許多學(xué)者詳細(xì)探討分析了HSS-FRCM加固材料的可行性[1-8],如粘貼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]、以及結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能和抗剪承載力[11];或是在砌體結(jié)構(gòu)承重部分粘貼HSS-FRCM、觀測加固后結(jié)構(gòu)的受剪能力[12]、抗震性能[13]等,為該加固技術(shù)能夠有效地改善構(gòu)件性能提供理論分析依據(jù),并發(fā)現(xiàn)該加固復(fù)合層的加固效果受多種因素的影響,其中加固復(fù)合層自身的材料力學(xué)性能尤為重要。研究發(fā)現(xiàn),在水泥基材料中摻入聚丙烯、聚乙烯醇和聚乙烯纖維會(huì)削弱砂漿抗壓強(qiáng)度,但由于內(nèi)部亂向纖維的分布,可提高整體的抗折強(qiáng)度[14-15];過量纖維的摻入同樣也會(huì)影響膠砂基體的流動(dòng)性與和易性[16],但聚乙烯醇(PVA)纖維體積摻量的增加有利于提高砂漿的抗拉強(qiáng)度[17]。

除此之外,鋼絞線與水泥基材料界面之間的相互作用對整個(gè)加固復(fù)合層的加固效果有非常重要的影響[18-22],在該加固復(fù)合層中,水泥基材料相對于鋼絞線的剝離破壞是較為常見的破壞模式[8]。已有的研究表明基體的強(qiáng)度越高,內(nèi)部承擔(dān)拉力作用的構(gòu)件粘結(jié)錨固強(qiáng)度越高,鋼絞線錨固粘結(jié)強(qiáng)度主要與其自身被錨固長度的大小成正比,即使發(fā)生較大滑移后,內(nèi)部材料之間仍具有相當(dāng)?shù)腻^固力[23]。目前針對HSS-FRCM材料內(nèi)部鋼絞線和基體之間粘結(jié)錨固機(jī)制的研究較為淺顯,而利用試驗(yàn)理清鋼絞線與水泥膠砂界面間的粘結(jié)機(jī)理,分析短切纖維HSS-FRCM粘結(jié)性能作用具有一定理論意義和實(shí)用價(jià)值。

通過對HSS-FRCM試塊中的鋼絞線進(jìn)行拉拔試驗(yàn),探究鋼絞線拉拔力與位移,拉拔力與錨固長度之間的關(guān)系,并給出不同短切纖維(聚丙烯纖維、鋼纖維,見圖1)和不同錨固長度對界面粘結(jié)滑移性能的影響規(guī)律。為該加固技術(shù)的設(shè)計(jì)理論及工程應(yīng)用的推廣提供必要的參考。

圖1 短切外摻纖維

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

(1)復(fù)合水泥基材料

試驗(yàn)所采用的纖維增強(qiáng)水泥基材料的主要成分包括:水泥、硅粉、粉煤灰、精細(xì)河砂、實(shí)驗(yàn)室自來水、膠粉5010、高效聚羧酸減水劑母液、短切纖維。其中基體內(nèi)摻入0.16%體積摻量的聚丙烯纖維(簡稱PP纖維)和體積摻量為1.5%的短切鋼纖維(簡稱鋼纖維),具體砂漿配比見表1,28d砂漿實(shí)測強(qiáng)度見表2。

表1 纖維水泥基材料配合比

表2 纖維水泥基材料28d實(shí)測強(qiáng)度

(2)鍍鋅鋼絞線

試驗(yàn)所采用的鋼絞線為具有較高抗拉強(qiáng)度的鍍鋅鋼絞線,直徑為2.4、3.0mm。表3為鍍鋅鋼絞線材性試驗(yàn)結(jié)果。

表3 鍍鋅鋼絞線材性試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)參考《鋼絞線網(wǎng)片聚合物砂漿加固技術(shù)規(guī)程》(JGJ 337—2015)[24],考慮材料的實(shí)際工程使用情況,將HSS-FRCM試塊的截面尺寸設(shè)計(jì)為50mm×50mm,長度為120mm,通過在試塊端部布置塑料套管,形成鋼絞線在基體內(nèi)部的無粘結(jié)區(qū)域。同時(shí)可以避免拉拔過程中鋼絞線與基體錨固端部發(fā)生錐形破壞。HSS-FRCM試塊的試驗(yàn)工況如表4所示,其中試塊編碼代表纖維種類-鋼絞線直徑-錨固長度-基體種類。設(shè)計(jì)圖和制作流程見圖2、3,試件加工完成圖見圖4。

表4 HSS-FRCM拉拔試驗(yàn)工況

圖2 HSS-FRCM拉拔試塊設(shè)計(jì)

圖3 HSS-FRCM拉拔試塊制作流程

圖4 HSS-FRCM拉拔試塊

1.3 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)采用10t萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行HSS-ECC試塊拉拔試驗(yàn),如圖5所示。將承載臺(tái)連接到試驗(yàn)機(jī)上端部,并用銷釘固定;將拉拔試塊基體部分固定在裝置中心加載板上,外露的鋼絞線穿過加載底板并將其連接到試驗(yàn)機(jī)下端,利用三夾片錨具與鋼制套環(huán)對鋼絞線進(jìn)行錨固,圖6為試驗(yàn)采用的錨具,利用夾片上的防滑槽鎖緊鋼絞線,保證鋼絞線不會(huì)發(fā)生影響試驗(yàn)的滑移和脫落現(xiàn)象。

圖5 HSS-FRCM拉拔試驗(yàn)裝置圖

采用靜力加載位移控制方式,以速率0.3mm/min為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉拔試驗(yàn),將位移計(jì)的磁性表座固定在加載裝置底板上,并擰緊位移計(jì)的方向固定旋鈕,保證位移計(jì)處于試件和拉伸裝置的正中位置且不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng);再將已對中固定的位移計(jì)測量端連接試件端部外露的鋼絞線,利用標(biāo)號(hào)筆在錨具夾持端部進(jìn)行標(biāo)記,記錄試驗(yàn)開始前和試驗(yàn)結(jié)束后標(biāo)記處的位置,待結(jié)束試驗(yàn)后,對比發(fā)現(xiàn)標(biāo)記處與錨具端部的距離未發(fā)生變化,這說明設(shè)定的錨具可有效錨固鋼絞線。拉拔試驗(yàn)過程中的端部鋼絞線與基體之間相對滑移位移即可通過位移計(jì)測定。將試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的拉拔力數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)參考值。

試驗(yàn)以下列破壞標(biāo)志作為停止加載點(diǎn):1)基體與鋼絞線之間發(fā)生較大滑移位移;2)鋼絞線拉斷破壞;3)基體局部出現(xiàn)脫落、開裂。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

拉拔試驗(yàn)破壞特征如圖7所示。在拉拔試驗(yàn)中,試塊的破壞模式主要分為兩種類型,包括基體上端部鋼絞線的滑移破壞和基體下端部的砂漿脫落破壞。試驗(yàn)配合比制作的膠砂基體強(qiáng)度較高,在試驗(yàn)達(dá)到停止加載點(diǎn)時(shí),基體表面均未出現(xiàn)明顯的破壞裂縫。圖8為試件鋼絞線被拔出的破壞模式示意圖,圖中鋼絞線螺旋肋間的砂漿被剪切破壞并隨著鋼絞線帶出基體,基體和鋼絞線接觸界面的剪切破壞特征尤為明顯。

圖7 拉拔試驗(yàn)破壞特征示意圖

圖8 HSS-FRCM試塊拔出鋼絞線破壞模式圖

為了進(jìn)一步分析粘結(jié)機(jī)理,對HSS-FRCM拉拔試驗(yàn)的極限拉拔力、粘結(jié)強(qiáng)度、破壞模式等結(jié)果進(jìn)行匯總,如表5所示。試驗(yàn)機(jī)采集儀采集到破壞特征點(diǎn)對應(yīng)的拉拔力記為極限拉拔力。按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2020)[25]中給出的鋼筋與混凝土之間的錨固強(qiáng)度計(jì)算公式,分析鋼絞線和基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度,并取拉拔試驗(yàn)過程中鋼絞線發(fā)生0.01、0.05、0.10mm滑移時(shí)所對應(yīng)的拉拔力F1、F2、F3,帶入計(jì)算式(1)中進(jìn)行鋼絞線與基體的粘結(jié)強(qiáng)度τ計(jì)算。

表5 HSS-FRCM拉拔試驗(yàn)結(jié)果

式中:A為埋入基體內(nèi)的鋼絞線表面積(A=πDL),mm2,其中,D為鋼絞線理論計(jì)算直徑,mm,L為鋼絞線埋置長度,mm。

拉拔試驗(yàn)中鋼絞線與聚合物砂漿之間的粘結(jié)強(qiáng)度τ如表5所示,為了避免數(shù)據(jù)的離散性,取錨固長度20d、25d、30d三種工況的粘結(jié)強(qiáng)度均值,得出不同種類砂漿與鋼絞線之間粘結(jié)強(qiáng)度。對比表6中數(shù)據(jù)可得,無外摻纖維砂漿(A組試件)與鋼絞線之間粘結(jié)強(qiáng)度為8.37MPa,高于B組試件粘結(jié)強(qiáng)度6.4%、高于C組試件粘結(jié)強(qiáng)度14.2%。隨著短切纖維的加入,鋼絞線與基體間的粘結(jié)力會(huì)有所降低。

表6 HSS-FRCM粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過分析試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種不同水泥基材料的拉拔力-位移曲線均主要包括三個(gè)階段:鋼絞線彈性拉伸階段,鋼絞線逐漸脫粘階段,鋼絞線滑移階段[26]。其中拉拔力以機(jī)器采集到的荷載數(shù)值為參考值,加載位移指加載架被拉動(dòng)抬升的位移。

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),短切纖維的加入會(huì)削弱鋼絞線與復(fù)合水泥基體之間的粘結(jié)力。對比圖9發(fā)現(xiàn),摻入兩種不同的短切纖維后,試件的位移-拉拔力曲線形式較為相似,但是摻入短切纖維后復(fù)合水泥基體對應(yīng)的鋼絞線的極限拉拔力有所下降,即相比于普通聚合物砂漿對應(yīng)的綠色曲線,黑色與紅色曲線對應(yīng)的拉拔力最大值較小,鋼絞線與砂漿之間的粘結(jié)作用受到削弱。但是對比兩種纖維對拉拔力的影響時(shí),發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼絞線的錨固長度為20d、25d、30d時(shí),相比于短切鋼纖維,摻入PP纖維的聚合物砂漿與鋼絞線之間的機(jī)械咬合作用更為明顯。

圖9 錨固長度對拉拔力-位移的影響對比

圖10、11分別對比了兩種HSS-FRCM和普通水泥基材錨固鋼絞線試件在拉拔試驗(yàn)過程中拉拔力和加載位移曲線的圖形特征。發(fā)現(xiàn)在拉拔力呈線性變化的階段,錨固長度對鋼絞線的曲線幾乎無影響。隨著拉拔力的增大,鋼絞線與水泥基體逐漸脫粘破壞,鋼絞線在基體內(nèi)部由部分粘結(jié)力和摩擦力承擔(dān)外部拉力作用,此時(shí)試件曲線上升段逐漸變緩,直到鋼絞線發(fā)生完全脫粘破壞,曲線出現(xiàn)明顯的下降。在不同錨固長度下,試件拉拔力-位移曲線上升段變平緩的程度并不一致,增大錨固長度會(huì)有效降低上升段曲線平緩的趨勢。

圖10 纖維增強(qiáng)水泥基體試件拉拔力-位移對比

圖11 無纖維基體試件拉拔力-位移對比

在鋼絞線完全脫粘時(shí),PP纖維和鋼纖維的加入對鋼絞線錨固段完全脫粘后,拉拔力的下降程度也有一定影響。由圖10、11可發(fā)現(xiàn),在鋼絞線完全脫粘后,試件的拉拔力-位移曲線顯著下降,較大滑移后的鋼絞線和水泥基體之間仍存在一定錨固作用,鋼絞線峰值拉拔力下降百分比與不同基體種類有關(guān)。鋼纖維水泥基體對應(yīng)的鋼絞線最大拉拔力削弱效果最小,其峰值拉拔力下降百分比為15%～35%。即在摻入鋼纖維的復(fù)合水泥基材試塊中,鋼絞線發(fā)生滑移破壞對應(yīng)的拉拔力-位移曲線進(jìn)入下降階段后,鋼絞線仍具有較大的錨固力,該錨固力的大小為極限拉拔力的65%～85%。對于摻入PP纖維的復(fù)合水泥基材試塊,鋼絞線峰值拉拔力下降趨勢有明顯的削弱,其峰值拉拔力下降百分比為30%～50%,而聚合物砂漿所對應(yīng)的鋼絞線拉拔力下降幅度主要集中在30%～45%。

3 鋼絞線拉拔力結(jié)果分析

圖12對比不同基體種類、在不同錨固長度下的鋼絞線極限拉拔力的影響。為避免數(shù)據(jù)離散,圖12中的取值為不同錨固長度下鋼絞線完全脫粘時(shí)所對應(yīng)的拉拔力平均值。利用分析軟件MATLAB對圖中的五種錨固長度峰值拉拔力進(jìn)行函數(shù)擬合,可得鋼絞線在基體內(nèi)的極限拔出力與鋼絞線的錨固長度之間為二次冪函數(shù)關(guān)系,即在鋼絞線發(fā)生滑移破壞的前提下,成倍增大鋼絞線的錨固長度,鋼絞線的極限拉拔力并不會(huì)呈相應(yīng)倍數(shù)的增長,而是近似按照圖中所給出的二次冪公式增長。PP纖維基體和無纖維摻入基體對應(yīng)的二次函數(shù)為凸函數(shù),鋼纖維基體對應(yīng)的二次函數(shù)為凹函數(shù),這說明,隨著錨固長度的增大,鋼纖維能給基體提供高于其他兩種基體錨固鋼絞線的能力。

4 結(jié)論

通過HSS-FRCM試件的軸心拉拔試驗(yàn),分析論證鋼絞線與基體之間的粘結(jié)滑移性能。最終得到HSS-FRCM的拉拔力-位移曲線,擬合出極限拉拔力-不同錨固長度之間的函數(shù)關(guān)系,進(jìn)一步探討并給出了不同水泥基材外摻纖維和多種錨固長度對HSS-FRCM內(nèi)部界面的粘結(jié)滑移性能的影響,具體結(jié)論如下:

(1)HSS-FRCM試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)時(shí),將錨固鋼絞線拔出后,基體表面沒有剝落或開裂破壞表征;鋼絞線咬合的基體被剪應(yīng)力剪切破壞并隨之帶出基體內(nèi)部,錨固界面以剪切破壞為主。

(2)摻入鋼纖維和PP纖維后,鋼絞線與復(fù)合水泥基材料之間的粘結(jié)界面受到較大影響,界面間的相互咬合作用受到削弱,其承受的極限拉拔力減小。

(3)摻入PP纖維的復(fù)合水泥基材料與鋼絞線界面極限拉拔力削弱幅度較低;而摻入鋼纖維能夠增強(qiáng)鋼絞線滑移后界面的摩擦力,從而使拉拔力下降幅度較小,為15%～35%。

(4)通過擬合不同砂漿種類、不同錨固長度的鋼絞線極限拉拔力,獲得了鋼絞線的極限粘結(jié)力與不同錨固長度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,為HSS-FRCM加固層內(nèi)部粘結(jié)關(guān)系和臨界錨固長度的設(shè)計(jì)與研究提供理論基礎(chǔ)。