花崗巖石材植筋錨固性能試驗

鄭奕鵬，郭子雄，柴振嶺，葉勇

（華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門361021）

我國東南沿海地區(qū)存在著大量石結(jié)構(gòu)房屋，這些獨具特色的石結(jié)構(gòu)房屋多數(shù)采用了石板樓蓋.石板樓蓋不僅存在材料脆性的問題［1］，同時也有整體性差和支撐長度不足等抗震薄弱環(huán)節(jié)，是當(dāng)前石結(jié)構(gòu)抗震加固改造的重點與難點.本課題組擬通過在石樓板與石墻搭接處增設(shè)內(nèi)圈梁，以此來增加石樓板的支撐長度和整體性［2］.內(nèi)圈梁通過后錨固植筋技術(shù)，將鋼筋植入石墻內(nèi)，通過鋼筋的拉力以及混凝土與石墻之間的界面作用力將樓板荷載傳遞到石墻上.花崗巖和鋼筋作為兩種不同的建筑材料，二者的植筋錨固性能是內(nèi)圈梁發(fā)揮作用的前提條件.國內(nèi)外植筋錨固技術(shù)已經(jīng)開展了大量研究，但主要研究集中在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)［3-10］.關(guān)于石結(jié)構(gòu)的植筋錨固技術(shù)，至今仍未見相關(guān)的研究報道.為研究花崗巖石材內(nèi)植入鋼筋的粘結(jié)錨固性能，以便為石結(jié)構(gòu)的植筋錨固及相關(guān)加固應(yīng)用提供依據(jù)，本文花崗巖石材植筋錨固性能試驗.

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計及制作

試驗使用的石材為福建省地產(chǎn)花崗巖粗料石，條石尺寸為400 mm×200 mm×200 mm.花崗巖石材立方體及圓柱體單軸抗壓強度平均值分別為128.5，101.8 MPa，劈裂抗拉強度為8.3 MPa，彈性模量為50.55 GPa.鋼筋材料性能如表1所示.表1中：Fy為屈服力；fy為屈服強度；fu為極限強度；E為彈性模量.試驗使用的植筋膠為SF-100環(huán)氧型植筋膠和RM-Z水泥基植筋膠.SF-100環(huán)氧型植筋膠抗剪強度為60 MPa，RMZ水泥基植筋膠立方體試塊28天單軸抗壓強度為57.8 MPa.

試驗共制作10組試件，每組3個相同參數(shù)試件，共30個試件.試件主要尺寸如圖1所示.試驗重點研究鋼筋的最小錨固長度，并考察錨固長度、植筋膠種類、鋼筋表面特征對錨固性能的影響.主要研究參數(shù)如表2所示.表2中：la為錨固長度；E為環(huán)氧型植筋膠；C為水泥基植筋膠；R為帶肋鋼筋；P為光圓鋼筋.同時為了減少試驗誤差，每組試件的3根植入鋼筋均在同一條石材的同一個面上鉆孔植入，盡量避免因花崗巖石材的離散性而影響試驗結(jié)果.試件制作完成后，由于粗料石表面平整度較差，為了便于加載時荷載的均勻傳遞，在加載面澆筑一層約10 mm厚的自流平砂漿找平層.

表1 鋼筋材料性能Tab.1 Mechanical properties of steel bar

圖1 試件特征（單位：mm）Fig.1 Dimension of specimens（unit：mm）

表2 試件參數(shù)Tab.2 Parameters of specimens

1.2 加載制度及測量方案

試驗加載裝置如圖2所示.采用300 k N穿孔液壓千斤頂加載，并通過壓力傳感器量測拉拔荷載，用位移計量測加載端位移，加載端位移主要包括錨固段外鋼筋受拉變形和錨固段的滑移.加載過程中，荷載與加載端位移由DH3816靜態(tài)應(yīng)變采集測試系統(tǒng)進行連續(xù)采集，采集間隔時間為3 s.每級荷載施加1 k N，加載速度約為1 k N·min-1，每級荷載持荷1 min.加載中，一旦發(fā)生加載端滑移量超過錨固長度一半或鋼筋拉斷，即停止加載.

圖2 加載裝置Fig.2 Test setup

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)分析

試驗的主要破壞形態(tài)有3種模式：1）鋼筋錨固失效（S1）；2）膠體滑移（S2）；3）鋼筋拉斷（P）.

1）鋼筋錨固失效（S1）.主要指植筋膠與鋼筋界面粘結(jié)失效并滑移，其破壞形態(tài)如圖3（a）所示.將試驗中鋼筋的極限荷載與材性試驗時鋼筋的屈服荷載的比值定義為ζ.當(dāng)ζ大于1時，鋼筋達到屈服；當(dāng)ζ小于1時，鋼筋未達到屈服.因此，該破壞模式包括以下2種情況.第1種情況為鋼筋達到屈服強度后，在鋼筋強化過程中發(fā)生粘結(jié)滑移.如試件 E-6-R-5-1，E-6-R-5-3，E-6-P-5-2，E-6-P-5-3，E-8-P-5-1，E-8-P-5-3和E-6-R-3-（1～3）皆為該破壞情況.該類試件均采用環(huán)氧型植筋膠，膠體具有較高的粘結(jié)強度.第2種情況為鋼筋未達到屈服強度，該試件已發(fā)生粘結(jié)滑移現(xiàn)象.如試件C-6-P-5-（1～3），C-8-P-5-（1～3），C-6-P-10-（1～3）和C-8-P-10-（1～3），該類試件均采用水泥基植筋膠，該植筋膠具有較高抗壓強度，但粘結(jié)強度較低.發(fā)生該類破壞形態(tài)時，整個破壞過程較為緩慢，荷載隨著鋼筋滑移逐漸減小.當(dāng)荷載低于最大荷載的一半時，結(jié)束試驗.

2）膠體滑移（S2）.該破壞形態(tài)是指鋼筋被拔起，并將植筋膠帶起，花崗巖與植筋膠之間為發(fā)生粘結(jié)滑移，破壞形態(tài)如圖3（b）所示.這種破壞形態(tài)主要發(fā)生在鋼筋帶肋且植筋膠粘結(jié)強度較高，且鋼筋直徑較大，如試件E-8-R-3-（1～3）.在整個加載過程中，荷載不斷增大，當(dāng)達到破壞荷載時，植筋膠與花崗巖之間的界面粘結(jié)失效，鋼筋帶著植筋膠拔起，表面局部找平層砂漿被壓碎.

3）鋼筋拉斷（P）.該破壞形態(tài)是指試驗過程中鋼筋未滑移直接拉斷，破壞形態(tài)如圖3（c）所示.這種破壞形態(tài)發(fā)生在鋼筋帶肋和植筋膠粘結(jié)強度較高，且錨固長度較長時.如試件E-6-R-5-2，E-8-R-5-（1～3），加載過程中未出現(xiàn)明顯的粘結(jié)滑移，當(dāng)荷載超過鋼筋極限拉力后，鋼筋被拉斷.整個破壞過程較為緩慢鋼筋逐漸被拉長，并出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象和鋼筋斷裂.

圖3 典型破壞形態(tài)Fig.3 Typical failure modes

2.2 粘結(jié)強度及影響因素分析

2.2.1 粘結(jié)強度-滑移關(guān)系 由于錨固長度較小，假設(shè)粘結(jié)應(yīng)力沿鋼筋錨固長度均勻分布，將鋼筋的粘結(jié)強度定義為錨固長度內(nèi)粘結(jié)應(yīng)力的平均值.各試件粘結(jié)強度τ為拉拔力F與實際粘結(jié)面積S的比值，即

式（1）中：τ為鋼筋粘結(jié)強度；F為鋼筋拉拔力；d為鋼筋直徑；la為鋼筋錨固長度.

試驗過程中，鋼筋的滑移值s取為試件加載端位移Δ與鋼筋變形δ的差值，即

若試件滑移過程中，鋼筋屈服、鋼筋變形值δ取為同批鋼筋材性試驗時，三根鋼筋相同拉伸長度相同荷載下，鋼筋的實際變形值平均值.若試件滑移過程中，鋼筋未屈服，鋼筋變形值取為δ，即

式（3）中：δ為鋼筋變形值；F為鋼筋的拉拔力；E為鋼筋彈性模量；A為鋼筋截面面積；L為未錨固段長度.由式（1）～（3）可以得到滑移試件粘結(jié)強度-滑移關(guān)系曲線，如圖4所示.

圖4 粘結(jié)滑移關(guān)系曲線Fig 4 Relationship of bond and slip

2.2.2 影響因素分析 通過試件的極限粘結(jié)強度平均值以及試件粘結(jié)滑移曲線可知：鋼筋強度、植筋膠種類和錨固長度等因素對鋼筋與花崗巖的粘結(jié)強度具有一定的影響.試驗的主要結(jié)果如表3所示.表3中：Fu為試驗極限荷載；ζ為試驗極限荷載與鋼筋材性試驗屈服荷載的比值；試件編號最后一列表示同組試件的編號；τmax為平均粘結(jié)強度最大值；τmax，ave為同組試件最大粘結(jié)強度平均值.

1）錨固長度的影響如圖4（a）所示.采用相同強度鋼筋和相同植筋膠的情況下，鋼筋的錨固長度越長，試件的粘結(jié)強度越低.試件C-8-P-5和試件C-8-P-10均發(fā)生粘結(jié)滑移.試件 C-8-P-5的粘結(jié)滑移曲線始終在試件C-8-P-10的粘結(jié)滑移曲線上方.由表3可知：C-8-P-5的極限粘結(jié)強度平均值是試件C-8-P-10的極限粘結(jié)強度平均值的1.39倍.主要原因在于：鋼筋粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度呈非線性分布，隨錨固深度的增加而逐漸減小.

表3 試驗結(jié)果Tab.3 Test results

2）植筋膠種類的影響如圖4（b）所示.在鋼筋強度和錨固長度相同的情況下，采用環(huán)氧型植筋膠的試件，其粘結(jié)強度比采用水泥基植筋膠的試件的粘結(jié)強度高.試件E-8-P-5的粘結(jié)強度始終比試件C-8-P-5的粘結(jié)強度高，并且前者的極限粘結(jié)強度平均值是后者的極限粘結(jié)強度平均值的1.90倍.因此，在進行鋼筋植入花崗巖石材中錨固時，應(yīng)采用粘結(jié)強度更高的環(huán)氧型植筋膠.

3）鋼筋表面特征的影響如圖4（c）所示.對比試件E-6-R-5與試件E-6-P-5可以發(fā)現(xiàn)，在相同植筋膠和錨固長度的情況下，采用帶肋鋼筋比采用光圓鋼筋的具有更高的粘結(jié)強度.同時由表3可知：試件E-6-R-5的極限粘結(jié)強度平均值相對試件E-6-P-5提高了5%，試件 E-8-R-5的極限粘結(jié)強度平均值相對試件E-8-P-5提高了67%.鋼筋表面特征對粘結(jié)強度有一定的影響，采用帶肋鋼筋可以提高試件的粘結(jié)強度.

2.3 最小錨固長度的確定

ζ為試驗極限荷載與鋼筋材性試驗屈服荷載的比值.當(dāng)ζ大于1時，表明鋼筋在滑移前已經(jīng)達到屈服強度，因此認為試件的錨固長度滿足要求；而當(dāng)ζ小于1時，則鋼筋滑移前鋼筋未達到屈服強度.由表3可知：采用環(huán)氧型植筋膠對帶肋鋼筋進行錨固時，錨固長度為3d的試件，不能保證ζ大于1；而錨固長度為5d的試件（E-6-R-5（1～3）和E-8-R-5（1～3）），其ζ值均大于1.這表明：采用環(huán)氧型植筋膠對變形鋼筋進行植筋時，錨固長度為5d可以滿足試件的錨固要求.但同樣錨固長度的光圓鋼筋（試件E-6-P-5（1～3）和E-8-P-5（1～3）），平均ζ值均比帶肋鋼筋的值小，且在6個試件中有2個試件的ζ值（0.92和0.95）小于1，相差不大.當(dāng)采用水泥基植筋膠進行花崗巖上光圓鋼筋的植筋錨固時，錨固長度10d的兩組試件C-6-P-10（1～3）和C-8-P-10（1～3）的ζ值均小于1.可見，水泥基植筋膠的錨固性能明顯劣于環(huán)氧型植筋膠，若需采用高粘聚力的水泥基植筋膠，應(yīng)適當(dāng)增加錨固長度.對水泥基植筋膠進行帶肋鋼筋植筋錨固性能和最小錨固長度取值，仍有待進一步研究.

鑒于鋼筋具有較長的強化段，工程運用中可以適當(dāng)利用鋼筋的強化段，提高鋼筋強度利用率.一般光圓鋼筋為碳素鋼，強屈比為1.54～1.67；一般帶肋鋼筋為低碳合金鋼，強屈比為1.33～1.54.將試驗臨界錨固長度與鋼筋的強屈比的乘積定義為最小錨固長度.采用環(huán)氧型植筋膠進行花崗巖上光圓鋼筋的植筋錨固時，臨界錨固長度取為6d，最小錨固長度為9.24d～10.02d，取10d.進行花崗巖上帶肋鋼筋的植筋時，臨界錨固長度為5d，最小錨固長度為6.65d～7.25d，取7d.因此，工程中采用環(huán)氧型植筋膠進行植筋時，對于帶肋鋼筋，建議的最小錨固長度為7d.對于光圓鋼筋，可適當(dāng)增加錨固長度，建議最小錨固長度取10d.

3 結(jié)論

由花崗巖石材植筋錨固拉拔試驗可得出以下3點結(jié)論.

1）鋼筋與花崗巖石材的粘結(jié)強度隨鋼筋的錨固長度的增大而減小.采用帶肋鋼筋能夠在一定程度上提高錨固鋼筋的粘結(jié)強度.

2）環(huán)氧型植筋膠的粘結(jié)性能明顯優(yōu)于水泥基植筋膠的粘結(jié)性能，進行花崗巖石材的植筋錨固時，優(yōu)先采用環(huán)氧型植筋膠.若需采用高粘聚力的水泥基植筋膠時，應(yīng)適當(dāng)增加錨固長度.

3）采用環(huán)氧型植筋膠進行花崗巖上的帶肋鋼筋植筋錨固時，建議工程應(yīng)用的最小錨固長度為7d.進行花崗巖上光圓鋼筋植筋錨固時，建議工程應(yīng)用的最小錨固長度為10d.

［1］ 張楠，郭子雄.花崗巖石樓板的受彎性能試驗［J］.華僑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，33（2）：184-187.

［2］ 郭子雄，黃群賢，柴振嶺，等.石結(jié)構(gòu)房屋抗震防災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)研究與展望［J］.工程抗震與加固改造，2009，31（6）：47-51.

［3］ 趙羽習(xí)，金偉良.鋼筋與混凝土粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系的試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2002，23（1）：32-37.

［4］ 周新剛，王尤選，曲淑英.混凝土植筋錨固極限承載能力分析［J］.工程力學(xué)，2002，19（6）：82-86.

［5］ 周新剛.混凝土植筋錨固性能分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（7）：1169-1173.

［6］ 肖成志，田穩(wěn)苓，孫文君，等.影響混凝土植筋錨固性能因素的試驗分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2010（增刊2）：275-278.

［7］ 姜麗萍，崔士起，成勃.無機材料植筋拉拔性能試驗研究［J］.建筑科學(xué)，2011，27（11）：37-40.

［8］ 趙衛(wèi)平，肖建莊.帶肋鋼筋與混凝土間粘結(jié)滑移本構(gòu)模型［J］.工程力學(xué)，2011，28（4）：164-171.

［9］ BIVIRIDGE R L W.Repairs and extensions to concrete structures using resin anchored bars［J］.Civil Engineering and Public Works Review，1973，15（3）：609-617.

［10］ ZAVLIARIS K D，KOLLIAS S，SPEARE P R S.An experimental study of adhesively bonded anchorages in concrete［J］.Magazine of Concrete Research，1996，48（175）：79-93.