混凝土植筋錨固性能的研究進展

張煒彬 管焓宇 劉佳敏 付成林 劉慶波

（煙臺大學 土木工程學院）

1 植筋概述

植筋錨固技術(shù)是我國建筑工程領(lǐng)域常用的一種后錨固連接技術(shù)。通過前期設(shè)計，在混凝土基體上定位，鉆孔，注入植筋膠，將鋼筋或螺桿植入一定深度，待植筋膠完全凝結(jié)固化后，將鋼筋與混凝土粘結(jié)形成一個整體，對結(jié)構(gòu)進行補強。是目前最經(jīng)濟、安全、有效的加固方法之一[1]。

植筋加固法相比于其他結(jié)構(gòu)加固方法，有其特有的技術(shù)優(yōu)勢：①操作簡單，節(jié)省工期，經(jīng)濟效果好。②對原構(gòu)件影響較小，只需鉆孔植筋，植筋膠通過自身的粘結(jié)力或膨脹性，使得鋼筋與混凝土有效粘結(jié)，且很大程度上減小了對原構(gòu)件的破壞，起到了加固的作用。③適用面廣，不僅適用于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，同時適用于抗震設(shè)防烈度不大于8 度的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。當建筑功能改變導(dǎo)致承受荷載增加，或因工程質(zhì)量不合格、結(jié)構(gòu)性能衰退等原因造成原結(jié)構(gòu)的承載力不滿足要求，采用植筋技術(shù)可以取得良好的加固效果。

2 混凝土植筋的錨固機理

2.1植筋與混凝土的粘結(jié)作用

植筋作為一種后錨固連接技術(shù)，與整體澆筑的普通鋼筋混凝土的錨固機理不同，植筋與混凝土的粘結(jié)作用是通過植筋膠實現(xiàn)的，植筋膠充分滲入到混凝土的孔隙中，發(fā)揮自身的膠結(jié)力將鋼筋與混凝土錨固在一起。植筋與混凝土之間的粘結(jié)力主要由三部分組成：化學膠結(jié)力、摩阻力、機械咬合力。植筋錨固的粘結(jié)滑移破壞過程如圖1 所示，大致可以分為三個階段：在粘結(jié)-滑移上升段初期為粘結(jié)階段（OA 段），此階段介質(zhì)間的化學膠結(jié)力為主要粘結(jié)力，粘結(jié)應(yīng)力沿埋深分布很不均勻，在加載端出現(xiàn)峰值應(yīng)力，自由端位移為零。隨著荷載的不斷增大，粘結(jié)應(yīng)力的峰值逐漸從加載端向自由端轉(zhuǎn)移。進入滑移階段（AB 段），此時界面結(jié)合力以機械咬合力為主，粘結(jié)剛度不斷減小，滑移速度不斷加快，最終達到極限承載力，粘結(jié)-滑移曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點。進入拔出階段（BC 段），在此階段植筋與混凝土的粘結(jié)力主要由摩阻力提供，鋼筋仍能承受一定的拉力，但荷載逐漸減小，滑移量急劇增大，且在卸載后有較大的殘余變形產(chǎn)生[2]。

圖1 植筋錨固粘結(jié)-滑移破壞階段[2]

2.2植筋錨固的破壞形式

大量研究表明，植筋錨固的破壞形式主要有4 種破壞形式[3]：

⑴鋼筋拉斷破壞：混凝土與鋼筋未發(fā)生明顯滑移，鋼筋被拉斷。一般發(fā)生于錨固長度較長時，拉拔過程中鋼筋屈服力小于極限抗拔力，鋼筋達到屈服狀態(tài)，最終被拉斷。

⑵粘結(jié)破壞：混凝土與鋼筋之間發(fā)生明顯滑移，鋼筋被拔出。一般分為膠-鋼破壞和膠-混凝土破壞兩種破壞形式。當鋼筋表面處理不當或鋼筋為光圓鋼筋時，膠體與鋼筋之間的粘結(jié)力不夠，鋼筋容易從膠體中拔出，發(fā)生膠-鋼破壞。當植筋膠強度過低、混凝土未清孔干凈、注膠不充分等導(dǎo)致膠體與混凝土之間粘結(jié)力過小時，鋼筋容易裹挾著植筋膠被拔出，發(fā)生膠-混凝土破壞。

⑶椎體破壞：破壞時鋼筋與植筋膠粘結(jié)完好，鋼筋未達到屈服狀態(tài)，錨固鋼筋周圍的混凝土在主拉應(yīng)力作用下由內(nèi)向外發(fā)展斜向裂縫，最終超過其極限拉應(yīng)力呈錐狀拉裂。一般發(fā)生于錨固長度過短或混凝土強度不足時，屬于脆性破壞，設(shè)計時應(yīng)避免發(fā)生。

⑷復(fù)合破壞：發(fā)生椎體-粘結(jié)復(fù)合破壞。鋼筋連同膠體一起從混凝土中拔出，鋼筋周圍混凝土發(fā)生錐體破壞，植筋錨固段與混凝土產(chǎn)生相對滑移。

3 植筋錨固性能的影響因素

3.1植筋膠性能

3.1.1有機植筋膠

有機植筋膠主要由改性環(huán)氧樹脂類、改性乙烯基酯類或不飽和聚酯樹脂類組成，其中改性環(huán)氧樹脂類、改性乙烯基酯類可用于承重構(gòu)件，不飽和聚酯樹脂類可用于非承重構(gòu)件。我國先后發(fā)布了《混凝土結(jié)構(gòu)工程用錨固膠》（JG/T 340-2011）[4]、《混凝土結(jié)構(gòu)工程無機材料后錨固技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 271-2012）[5]、《混凝土結(jié)構(gòu)工程用錨固膠》（GB/T 37127-2018）[6]等標準規(guī)范，對植筋膠的強度、粘結(jié)性、耐久性、施工性等提出要求。GB/T 37127-2018[6]規(guī)定改性環(huán)氧類植筋膠（A 級）要求C30 混凝土-鋼筋拉拔粘結(jié)強度不低于11MPa，C60 混凝土-鋼筋拉拔強度不低于17MPa。對于改性乙烯基酯類植筋膠（A 級）要求C30 混凝土-鋼筋拉拔粘結(jié)強度不低于12 MPa，C60混凝土-鋼筋拉拔強度不低于18MPa。

有機化學物質(zhì)的特點決定了有機植筋膠具有以下特點[7]：①粘結(jié)強度高，且性能穩(wěn)定；②受固化條件限制，固化后脆性大且耐久性差；③有機質(zhì)植筋膠多為溶劑型，其揮發(fā)性有機物(Volatile Organic Compounds,VOC)含量高，容易造成環(huán)境污染；⑷價格較高。

3.1.2無機植筋膠

無機植筋膠主要以快硬、高強的無機膠凝材料如硫鋁酸鹽水泥、磷酸鎂水泥、地聚物水泥等為主要原料，并加入填料和其他外加劑制成[8-12]。其與混凝土基體存在天然的相容性，可以起到較好的植筋效果。通常，無機植筋膠具有較快的凝結(jié)速度和較高的早期強度，JG/T 340-2011[4]要求膠體6h、1d 抗壓強度分別不低于15MPa、30MPa，28d 抗壓強度不低于60MPa。且初凝時間不低于30min，終凝時間不高于120min。與C30 和C60混凝土拉拔強度分別不低于8.5MPa、14MPa。無機植筋膠具有以下優(yōu)點：①生產(chǎn)工藝簡單、成本低；②操作簡單、施工方便。③耐久性能優(yōu)良，水泥水化能提供高堿度的液相環(huán)境，保護鋼筋。但還是存在脆性大、粘結(jié)性能不穩(wěn)定等問題。聚合物水泥基材料通過往水泥基中摻入柔韌性較好的有機高分子材料，實現(xiàn)有機-無機復(fù)合，表現(xiàn)出流動性好、韌性高、粘接強度大等特點[13]。本課題組嘗試在無機植筋膠的基礎(chǔ)上，通過摻入自制的水性環(huán)氧乳液，研制出適用于植筋工程的聚合物水泥基植筋膠。并進行拉拔試驗，將有機植筋膠、無機植筋膠、聚合物水泥基植筋膠的粘結(jié)性能進行對比。具體試驗結(jié)果如表1所示。

表1 拉拔試驗結(jié)果

空白組（預(yù)埋鋼筋）錨固強度10.4MPa，破壞形態(tài)均為鋼筋拔出而非拉斷，且伴隨著混凝土上部的錐體破壞，但椎體較淺，只有5mm 左右，屬于復(fù)合破壞。有機植筋膠錨固強度12.5MPa，鋼筋被拉斷后，有機植筋膠緊緊粘附于混凝土表面，經(jīng)過敲擊、手掰等方法無法使二者分離，膠體強度高，錨固性能為各組最好。市售無機植筋膠錨固強度11.3MPa，有鋼筋被拉斷的現(xiàn)象。自制無機錨固劑錨固強度10.6MPa，破壞形態(tài)與預(yù)埋鋼筋類似為復(fù)合破壞。無機植筋膠的拉拔力來源于自身膨脹性和與混凝土基體之間良好的相容性，粘結(jié)強度與穩(wěn)定性不如有機植筋膠，但能提供高堿度環(huán)境保護鋼筋。聚合物水泥基植筋膠平均錨固強度12.1MPa，較無機植筋膠有所提高。環(huán)氧樹脂與砂漿內(nèi)部的水化產(chǎn)物凝聚體相互結(jié)合，環(huán)氧活性基團與基層上的極性基團反應(yīng)形成化學鍵，從而提高了粘結(jié)強度[14]。此外，在外界應(yīng)力作用下產(chǎn)生的微小形變能延緩界面處新裂紋的形成、擴展，避免拉拔過程中出現(xiàn)脆性破壞。聚合物水泥基植筋膠能有效改善了傳統(tǒng)植筋膠易老化、脆性大的缺陷，且大大降低了成本。經(jīng)過多年研究與發(fā)展，目前植筋膠的粘結(jié)強度已有了明顯提高，但仍存在耐久性較差，價格過高，環(huán)保性較差等問題。因此，開展植筋膠在高溫、潮濕、凍融等環(huán)境下的粘結(jié)性能研究，同時研發(fā)具有適用性、經(jīng)濟性、環(huán)保性的植筋膠，對于提升植筋錨固性能，保障結(jié)構(gòu)安全，推動綠色建材的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3.2混凝土強度

大量試驗研究表明，植筋拉拔承載力及破壞形式與混凝土的抗拉強度有很大的關(guān)系[15]?；炷翉姸容^低時，錨固鋼筋周圍的混凝土在拉應(yīng)力作用下由內(nèi)向外產(chǎn)生斜向裂縫，并迅速貫通至表面，混凝土呈錐體狀拉裂，發(fā)生椎體破壞。此時鋼筋的極限抗拔力應(yīng)等于錐體水平投影面積上拉力之和。

根據(jù)圖2 所示的幾何關(guān)系，結(jié)合式⑴、式⑵，可推導(dǎo)出當發(fā)生椎體破壞時，植筋的極限抗拔力承載公式[16]如式⑶所示：

圖2 錐體破壞受力圖

式中：

Pc（x）——椎體破壞時植筋的極限抗拔力；

ft——混凝土抗拉強度；

Ac（x）——椎體的投影面積；

x——椎體高度；

θ——椎體角度，混凝土材料一般取45°；

D——錨固直徑。

我國規(guī)范對植筋混凝土強度有明確規(guī)定：當新增構(gòu)件為懸挑結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，原構(gòu)件混凝土強度等級不得低于C25；為其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件時混凝土強度不得低于C20[17]。因此，施工前應(yīng)對混凝土基體強度進行檢測。若強度不滿足設(shè)計要求，應(yīng)首先對混凝土基體進行修復(fù)補強，再進行植筋操作。但也應(yīng)注意混凝土強度不應(yīng)過高，否則會引起脆性破壞。當錨固長度較深時，錐體多在鋼筋屈服后形成，此時混凝土強度對其承載力的影響較小。

3.3錨固長度

錨固長度是影響植筋承載力與破壞形式的重要因素。錨固長度較小時，錨固力小于鋼筋屈服力，沒有發(fā)揮鋼筋的能力，植筋發(fā)生混凝土椎體破壞，屬于脆性破壞，設(shè)計時應(yīng)避免發(fā)生。當錨固深度較大時，鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力沿埋深方向分布不均勻，鋼筋加載端一般能達到屈服，屬于延性破壞。當錨固力等于鋼筋屈服力時，鋼筋屈服和錨固破壞同時發(fā)生，這種狀態(tài)稱為錨固極限狀態(tài)，此時的錨固長度稱為“臨界錨固長度”。

張建榮等[18]進行植筋混凝土梁的抗彎試驗，研究表明當植筋深度大于等于15d 時，植筋與混凝土發(fā)生混合界面拔出破壞，鋼筋屈服后梁發(fā)生塑性破壞，表現(xiàn)出較好的力學性能。周安、陳春雷等[19]進行了植筋構(gòu)件抗震性能研究，研究表明當植筋深度達到l0d 時構(gòu)件剛度較小，當混凝土開裂后，剛度退化逐漸加快，鋼筋屈服后滯回曲線出現(xiàn)明顯的“尖點”；當植筋深度為12d 時，植筋構(gòu)件的粘結(jié)剛度與承載能力幾乎和整澆構(gòu)件相同。周新剛等[20]研究表明當植筋錨固長度在15d 以上，植筋構(gòu)件和整澆構(gòu)件的滯回曲線差別不大，表現(xiàn)出較好的抗震耗能能力、變形能力和延性。為保證植筋構(gòu)件具有足夠的抗震性能，避免在地震作用下發(fā)生脆性破壞，建議在今后工程應(yīng)用中至少要滿足15d 的埋深，對于抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)還應(yīng)適當增加埋深以確保錨固性能。GB 50367-2013[17]規(guī)定了植筋的基本錨固長度如式⑷所示，由混凝土強度、保護層厚度、配筋率、鋼筋直徑、植筋膠性能等因素綜合決定。

式中：

ls——基本錨固長度；

αspt——為防止混凝土劈裂引用的計算系數(shù)；

d——鋼筋直徑；

fy——鋼筋屈服應(yīng)力；

fbd——植筋用膠粘劑的粘結(jié)強度設(shè)計值。

3.4其他因素

植筋的施工因素也對其拉拔承載力影響顯著，如鉆孔直徑、植筋間距、孔壁清理等。施工時必須嚴格按照相應(yīng)規(guī)范來進行操作，鉆孔直徑不宜過大，膠層過厚會導(dǎo)致其剪切變形增大，膠層與混凝土之間粘結(jié)應(yīng)力分布不均勻，容易發(fā)生粘結(jié)破壞。鉆孔后應(yīng)對孔壁的浮層、污物進行徹底清理，始終保證孔壁的清潔度和干燥程度。除此之外，溫度、濕度等外界環(huán)境都對植筋的粘結(jié)錨固效果也有一定的影響[21]。

4 粘結(jié)-滑移模型

隨著有限元技術(shù)的逐漸成熟，鋼筋與混凝土的粘結(jié)-滑移模型（τ-s 曲線方程）作為計算機模擬分析的重要參數(shù)，變得就愈來愈重要。目前，τ-s 曲線方程主要分為分段折線(曲線)模型和連續(xù)曲線模型兩種。植筋結(jié)構(gòu)與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)機理類似，針對鋼筋混凝土的粘結(jié)-滑移模型研究已經(jīng)較為成熟。不少學者在此基礎(chǔ)之上，進一步開展了植筋混凝土粘結(jié)-滑移模型研究。

4.1鋼筋混凝土粘結(jié)-滑移模型

Lutz[22]通過大量單肋鋼筋拔出試驗，得出τ-s 關(guān)系式如式⑸：

A.H.Nilson[23]根據(jù)試驗，擬合得出τ-s 連續(xù)曲線模型如式⑹：

徐有鄰等[24]通過大量鋼筋混凝土拉拔試驗，將鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移過程分為：微滑移段、滑移段、劈裂段、下降段以及殘余段。并依據(jù)Ottosen 強度破壞理論，得出各粘結(jié)滑移階段的粘結(jié)特征值如下：

其中，以上各式中的fts的取值為：fts= 0.19fcu3∕4

金偉良[25]通過數(shù)學分析，以基本函數(shù)與位置函數(shù)乘積的形式對鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移進行描述。位置函數(shù)如下：

4.2植筋混凝土粘結(jié)-滑移模型

張建榮[26]通過鋼套筒試驗分析了膠-筋界面的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系，并得到粘結(jié)強度沿埋深方向的位置函數(shù)：

其中：

舒睿彬[27]在此基礎(chǔ)之上進行了有限元模擬，分析了混合界面破壞植筋系統(tǒng)的錨固粘結(jié)滑移機理及裂縫發(fā)展規(guī)律，最終建立了粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系：

劉啟真[28]通過試驗研究與有限元分析，得出了膠-混界面破壞理論模型，如圖3 所示，可分為三個階段：彈性粘結(jié)段、滑移段、摩擦滑移段。

圖3 膠-混界面粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系理論模型[28]

并通過數(shù)據(jù)擬合，最終得到膠-混界面本構(gòu)關(guān)系基本函數(shù)表達式，完善了植筋錨固粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系：

目前，植筋系統(tǒng)的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系多基于單向拉拔試驗的研究結(jié)果，構(gòu)件受力條件較為單一，與實際過程中構(gòu)件多軸受力的復(fù)雜條件相比，偏差較大。因此，需開展低周反復(fù)荷載作用下植筋系統(tǒng)的粘結(jié)錨固機理研究，并進一步完善粘結(jié)滑移本構(gòu)模型。

5 結(jié)語與展望

近年來，隨著我國學者的不斷努力，植筋技術(shù)也在不斷完善，但仍存在一些問題需要進一步探究。

⑴在設(shè)計時考慮植筋膠、混凝土和鋼筋三者的相互影響與協(xié)同作用，避免產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)揮植筋結(jié)構(gòu)最大的承載能力。

⑵植筋膠性能是影響植筋錨固性能的關(guān)鍵因素。目前，有機植筋膠多為環(huán)氧類物質(zhì)，價格較高、易老化、對施工環(huán)境要求苛刻且不環(huán)保；無機植筋膠成本較低，但粘結(jié)性能不穩(wěn)定。聚合物水泥基植筋膠是今后的發(fā)展方向，通過引入高分子聚合物對水泥基材料改性，實現(xiàn)有機-無機復(fù)合，具有強度高、韌性好、耐久性好等優(yōu)點，同時能降低成本，提高經(jīng)濟效益。研究植筋膠在應(yīng)力、高溫、凍融等多因素耦合作用下粘結(jié)性能，提升植筋膠耐久性。

⑶開展低周反復(fù)荷載作用下植筋系統(tǒng)的抗震性能研究，進行計算機仿真模擬分析，完善植筋錨固的粘結(jié)滑移本構(gòu)模型，為工程設(shè)計提供支持。