植筋在水環(huán)境和鹽水環(huán)境下力學性能試驗研究

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構1所，山東 青島 266100)

植筋法是一種重要的建筑物、構筑物加固方法，國內外學者對植筋性能，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構安全產生的影響，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%；結構膠采用中國科學院大連化學物理研究所研制的JGN型結構膠。

考慮一般室內環(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-5無 N-10D室內-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應力、粘結剛度，如表2所示。

1)平均粘結應力。各組試件的極限承載力除以植筋粘結界面的面積即得到植筋試件的平均粘結應力。對于各植筋試件，平均粘結應力在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應力。植筋試件平均粘結應力隨環(huán)境作用時間的變化規(guī)律與極限承載力相似。

2)粘結剛度。荷載-滑移曲線的斜率反映了植筋的粘結剛度，取其彈性段的荷載與滑移值之比為其粘結剛度。由圖3可知，對于不同錨固長度的植筋試件，粘結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的植筋試件粘結剛度提高約50%。W-5D-30的粘結剛度比N-5D的粘結剛度提高0.5%；W-5D-150的粘結剛度比W-5D-90的粘結剛度提高0.38%；W-10D-30的粘結剛度比N-10D的粘結剛度提高2%；W-10D-150的粘結剛度比W-10D-90的粘結剛度提高0.73%。說明普通水環(huán)境對植筋試件粘結剛度起有利作用。SW-5D-90的后粘結剛度比N-5D的粘結剛度降低17.5%；SW-5D-150的粘結剛度比SW-5D-30的粘結剛度降低5.9%；SW-10D-150的粘結剛度比SW-10D-30、SW-10D-90的粘結剛度分別降低5%、2%。說明在在鹽水環(huán)境中粘結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，而且短期內不會破壞植筋粘結界面，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，植筋粘結界面也會有一定的侵蝕作用，從而造成植筋粘結應力和粘結剛度的退化。如果植筋膠與鋼筋結合不嚴密，水或鹽水會使鋼筋銹蝕，從而破壞粘結界面，造成植筋粘結應力和粘結剛度的退化，而且鹽水環(huán)境比水環(huán)境更容易使鋼筋銹蝕。

3 結論

(1)在普通水環(huán)境中植筋試件的極限承載力、平均粘結應力、粘結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、平均粘結應力、粘結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、平均粘結應力、粘結剛度及延性。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。