先裝拔出法檢測配筋RPC抗壓強(qiáng)度試驗研究

卜良桃，宋揚逸

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

活性粉末混凝土(簡稱RPC)是一種超高強(qiáng)度的水泥復(fù)合基材料[1].較之傳統(tǒng)的高強(qiáng)混凝土，RPC剔除了其中的粗骨料，添加了硅粉、礦灰等活性粉末，具有強(qiáng)度高、韌性好、自重輕、耐久性極佳等優(yōu)點[2].由于RPC具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能和耐久性能，自問世以來該材料越來越受到各國工程界的青睞，并逐漸應(yīng)用于高聳建筑、大跨橋梁、綜合管網(wǎng)、國防設(shè)施等領(lǐng)域[3-4].

雖然現(xiàn)今RPC的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，但是對其現(xiàn)場檢測方法的研究目前還很少，故選擇一種有效的RPC強(qiáng)度現(xiàn)場檢測方法成為了亟需解決的問題.因此，筆者嘗試將普通混凝土的無損檢測技術(shù)運用于RPC強(qiáng)度的現(xiàn)場檢測.目前，我國工程界常用的普通混凝土無損檢測方法有5種[5]，拔出法是其中的一種，即通過拔出儀檢測混凝土中錨固件拔出力來推定混凝土強(qiáng)度的方法.較之回彈法、鉆芯法等等其余幾種檢測技術(shù)，該法具有費用低廉、測試方便、對結(jié)構(gòu)損傷低等優(yōu)點；較之預(yù)留立方體抗壓試塊，此法是針對結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行檢測，被測之處與結(jié)構(gòu)處于完全相同的環(huán)境和受荷狀況，更加合理.大量試驗研究證明，此法誤差小，可靠度較高[6].故本文采取先裝拔出法對RPC的強(qiáng)度檢測進(jìn)行試驗研究，探索此法對RPC的適用性及其規(guī)律.

國家既有拔出法規(guī)范適用范圍只涵蓋抗壓強(qiáng)度80 MPa以下的素混凝土[7]，在超高強(qiáng)度混凝土領(lǐng)域還缺乏進(jìn)一步的研究.過去的拔出法研究為了追求準(zhǔn)確性，一般都選擇遠(yuǎn)離鋼筋.然而實際工程中很多構(gòu)件的配筋都是很密集的，無法簡單地回避.因此，筆者選用超高強(qiáng)度配筋RPC試件為試驗對象，力求與實際工程更吻合，在探究拔出法對RPC適用性的同時，考慮構(gòu)件中縱筋間距對拔出力的影響.

1 試驗方案

1.1 試驗材料及儀器設(shè)備

試驗材料：木模板、模板夾、直徑25 mm的HRB335級鋼筋(試件縱筋用)、直徑10 mm的HRB335級鋼筋(試件箍筋用)、RPC干混料(湖南固力工程新材料有限責(zé)任公司提供)、自來水.(不同強(qiáng)度等級的RPC干混料與水的質(zhì)量比分別為：RPC120：9.5%；RPC150：8.5%；RPC180：8.0%)

試驗儀器和設(shè)備：強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)、壓力試驗機(jī)、ZH-60型多功能后錨固拔出儀(圓環(huán)支撐式，拉桿直徑14 mm，錨盤直徑25 mm，反力支承內(nèi)徑55 mm)、電錘及直徑為15 mm的鉆頭、錨固件(8.8級外六角型高強(qiáng)螺栓，如圖1所示)、三角固定架[8].(RPC試件的保護(hù)層厚度取25 mm，錨固件的埋深30 mm)

圖1 錨固件(單位：mm)Fig.1 The anchor/mm

1.2 試驗分組

制作的試驗試件分為RPC180、RPC150、RPC120三組強(qiáng)度等級.每組由5個尺寸為300 mm×300 mm×700 mm的RPC試件及3個100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓試塊組成.每組中4個試件的縱筋間距(鋼筋凈間距)分別設(shè)為25 mm、50 mm、75 mm、100 mm，另外一個試件為無配筋的空白對照.所有測點之間箍筋間距一致，取100 mm.

1.3 試件制作

綁扎鋼筋籠，將木模板鉆孔并支好模板(鉆孔位置見圖2布置點)，用三角固定架將錨固件固定在模板上，然后將RPC干混料與自來水按配比混合，使用強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)攪拌并澆筑RPC.澆筑完成后用塑料薄膜覆蓋于試件表面靜置24 h，再轉(zhuǎn)移至90℃的恒溫水槽中進(jìn)行熱水養(yǎng)護(hù)72 h[9].養(yǎng)護(hù)結(jié)束后拆除模板，將試件靜置于自然條件下28 d，期間定期撒水保持試件表面濕潤[10].

圖2 RPC試件先裝拔出測點布置Fig.2 The arrangement of RPC column’s cast-in-place pullout points

1.4 試驗過程

(1)各試拔出測點的布置見圖2(保證相鄰兩測點的間距不小于250 mm且測點距構(gòu)件邊沿距離不小于100 mm[7])，錨固件的錨入深度為30 mm；

(2)逆時針旋轉(zhuǎn)拔出儀把手，使其退到最遠(yuǎn).將拔出儀拉桿上的螺帽與錨固件上的螺紋桿連接、擰緊，安裝拔出儀，調(diào)節(jié)固定螺栓使拔出儀的支撐環(huán)與RPC表面貼緊；

(3)將拔出儀與讀數(shù)表連接，打開數(shù)據(jù)記錄開關(guān)并清零；

(4)緩慢、均勻地?fù)u動遙桿，使拔出儀給錨固件增加拔出力(如圖3所示)，速度控制在0.5～1.0 kN/s，待讀數(shù)表顯示的拔出力不再增大時停止搖動，記錄此時的數(shù)據(jù)即極限拔出力；

(5)用壓力機(jī)對預(yù)留試塊進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗[11]，并記錄抗壓強(qiáng)度值.

圖3 先裝拔出試驗Fig.3 Experiment of cast-in-place pullout method

1.5 試驗現(xiàn)象

拔出試驗的破壞形態(tài)與普通混凝土類似，均為近似椎體的喇叭狀[12]，故可認(rèn)為RPC的破壞機(jī)理與普通混凝土破壞機(jī)理相同.在達(dá)到極限拔出力后，人為地繼續(xù)施加拉拔力，大部分的測點錨固部分能與原試件分離.小部分的測點錨固部分難以或無法與原試件分離，且此情況多發(fā)生于拔出力位于75～95 kN之間.試驗表明，隨著試件的強(qiáng)度等級的提高以及縱筋間距的減小，極限拔出力提高，錨固部分與原試件分離的難度越來越大.試件部分破壞形態(tài)見圖4.

圖4 先裝拔出法的破壞形態(tài)Fig.4 Failure mode of cast-in-place pullout method

與普通混凝土的拔出試驗相比，RPC拔出試件的測點多為規(guī)則破壞(截面不完整破壞、錨固件變形或拉斷的現(xiàn)象很少)，試驗效果理想.這是因為RPC材料的主要成分是粒徑很細(xì)的活性粉末混凝土，不含對拔出力測定影響很大的粗骨料成分[13].

2 無筋素RPC試件的試驗數(shù)據(jù)及分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)規(guī)范[7]計算可得各組試件的拔出力代表值F和立方體抗壓強(qiáng)度代表值f，匯總后的數(shù)據(jù)如表1所示.

2.2 試驗數(shù)據(jù)回歸分析

參照相關(guān)規(guī)范[7]使用最小二乘法將RPC試件的立方體抗壓強(qiáng)度與拔出力進(jìn)行線性擬合，回歸方程式如下：

(1)

表1 無筋素RPC試件試驗數(shù)據(jù)

(2)

(3)

將試驗所得的立方體抗壓強(qiáng)度與拔出力數(shù)據(jù)代入式(2)～(3)得：A=2.766，B=-44.031.回歸分析得到的無筋素RPC試件的擬合直線見圖5.

圖5 無筋素RPC試件擬合直線Fig.5 Plain RPC column’s fitting line

2.3 回歸方程的評價

回歸方程精度的評價指標(biāo)包括：相關(guān)系數(shù)R2、相對標(biāo)準(zhǔn)差eR、平均相對誤差δ、變異系數(shù)Cv等，相關(guān)評價指標(biāo)的計算方法參照文獻(xiàn)[13].

相對標(biāo)準(zhǔn)差eR是衡量回歸方程的規(guī)律性強(qiáng)弱的參數(shù)，計算可得:eR=4.11%,小于規(guī)范[7]規(guī)定的12%，符合要求.

平均相對誤差δ是反映方程值偏離實際值范圍的參數(shù)，將數(shù)據(jù)代入相關(guān)計算公式可得：δ=3.23%，相對誤差值很小，說明擬合公式的精確度很高.

變異系數(shù)Cv是揭示數(shù)據(jù)離散程度的參數(shù)，通過計算可得Cv=3.77%，這說明變異系數(shù)很小，數(shù)據(jù)的離散程度不高.

擬合回歸方程各指標(biāo)分析可表明：無筋素RPC試件的抗壓強(qiáng)度推定值和拔出力F之間線性相關(guān)性顯著，先裝拔出法適用于RPC的強(qiáng)度檢測.

3 配筋RPC試件的試驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)

配筋RPC試件相關(guān)拔出力數(shù)據(jù)如表2.

3.2 試驗數(shù)據(jù)回歸分析及評價

測強(qiáng)方程式及精度評價參數(shù)如表3所示.四組數(shù)據(jù)的平均相對誤差小于10%，相對標(biāo)準(zhǔn)差均小于12%，符合規(guī)范[7]的要求，說明該組擬合直線方程的誤差在允許范圍之內(nèi).

表2 不同縱筋間距配筋RPC試件試驗數(shù)據(jù)

表3 不同縱筋間距配筋RPC試件的測強(qiáng)曲線及回歸分析評價參數(shù)

3.3 縱筋間距的影響分析

對比無筋素RPC試件和配筋RPC試件，得到擬合直線如圖6.由圖6可以看出，在一定范圍內(nèi)，RPC試件的拔出力在受到其抗壓強(qiáng)度影響的同時，還受到縱筋間距的影響.當(dāng)縱筋間距為100 mm的時候，試件的拔出力幾乎與無筋素RPC試件相當(dāng)，其擬合直線非常接近；隨著縱筋間距的減小，拔出力有一定程度的提高.當(dāng)縱筋間距分別為25 mm、50 mm、75 mm時，其提高幅度的平均值為：14.9%、8.0%、2.9%.從試驗數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)縱筋間距小于50 mm時，其對拔出力的影響是比較顯著的；當(dāng)縱筋間距大于75 mm時，其對拔出力的影響已經(jīng)很微弱了.

從試驗結(jié)果來看，鋼筋間距對拔出力的影響應(yīng)該與其破壞機(jī)理有著密不可分的關(guān)系.現(xiàn)階段國內(nèi)學(xué)者們普遍認(rèn)為混凝土的破壞是由拉應(yīng)力(或壓應(yīng)力)與剪應(yīng)力組合而成的復(fù)合應(yīng)力所導(dǎo)致的[15].混凝土在拔出荷載的作用下，始終處于一個三向應(yīng)力狀態(tài)，混凝土的拔出破壞主要由剪應(yīng)力t與壓應(yīng)力s共同作用下形成的拉應(yīng)力作用造成的.拔出過程中，錨頭圓盤頂面外緣混凝土由于應(yīng)力集中受到很大的豎向壓應(yīng)力，壓應(yīng)力沿錨固部分高度的變化改變，引起了剪應(yīng)力集中，在剪應(yīng)力集中的作用下，錨頭圓盤外圍邊緣最先產(chǎn)生環(huán)向的豎向裂縫，裂縫發(fā)展到一定范圍，混凝土開始在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力形成的主拉應(yīng)力下產(chǎn)生斜裂縫，伴隨著拔出力的增大斜裂縫逐漸發(fā)展并最終導(dǎo)致破壞.為了便于表述，把錨固件的端部邊緣至反力支承圓環(huán)內(nèi)緣的錐面定義為拔出區(qū)域.考慮到破壞形態(tài)不是嚴(yán)格的椎體，而是邊界有一定弧度的喇叭狀，故拔出區(qū)域的邊界線應(yīng)該是弧線而不是直線，如圖7所示.當(dāng)縱筋間距為100 mm時，其已經(jīng)遠(yuǎn)大于圓環(huán)支撐的內(nèi)徑，離拔出區(qū)域的位置很遠(yuǎn)，故縱筋對拔出力的影響消失，此時試件拔出力與素RPC試件相當(dāng).

圖6 RPC試件各擬合直線的對比 Fig.6 Comparison between all RPC columns’ fitting line

圖7 拔出區(qū)域Fig.7 The pull out area

4 檢測應(yīng)用可行性分析

由于先裝拔出法得到的RPC試件的拔出力與其抗壓強(qiáng)度之間存在良好的線性關(guān)系，故采用此方法檢測RPC構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度是可行的.但當(dāng)RPC構(gòu)件中存在鋼筋時，應(yīng)綜合考慮構(gòu)件中鋼筋的位置、錨固件的錨入深度、以及拔出儀的圓環(huán)支撐內(nèi)徑對拔出力的影響.在進(jìn)行拔出試驗時，確保鋼筋遠(yuǎn)離拔出區(qū)域，能提高試驗的準(zhǔn)確度.如若鋼筋落在拔出區(qū)域內(nèi)或附近，極限拔出力會有一定程度的提高，則應(yīng)排除鋼筋對拔出力的影響.詳細(xì)具體的影響效應(yīng)，還有待后人進(jìn)一步的研究和發(fā)掘.

5 結(jié)論

(1)本次試驗先裝拔出法得到的RPC試件的抗壓強(qiáng)度與拔出力之間存在良好的線性關(guān)系.

(2)本次試驗先裝拔出法得到的RPC試件的破壞形態(tài)均與普通混凝土的破壞形態(tài)相似，說明RPC的破壞機(jī)理與普通混凝土的破壞機(jī)理相同.

(3)RPC試件中的縱筋間距對拔出力的大小有影響，在同等強(qiáng)度條件下，當(dāng)縱筋的間距小于50 mm時，拔出力隨著縱筋間距的減小而增大，縱筋對拔出力的影響顯著；當(dāng)縱筋的間距大于75 mm時，縱筋對拔出力的影響逐漸減弱；當(dāng)縱筋的間距為100 mm時，縱筋對拔出力大小沒有影響.