孔內(nèi)濕度對植筋錨固力學(xué)性能影響試驗

梁瑞卿， 施宏侶， 王振宇， 史文華， 耿正君， 高澤宇

(1. 漯河市公路事業(yè)發(fā)展中心， 河南 漯河 462001； 2. 湖北交投智能檢測股份有限公司， 湖北 武漢 430104；3. 華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

隨著結(jié)構(gòu)服役期增長和各種因素導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷，大量的結(jié)構(gòu)面臨加固改造[1,2]。植筋作為一項新老結(jié)構(gòu)連接錨固技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)改建和加固中[3～5]。工程當(dāng)中的植筋錨固，其基本原理就是在既有結(jié)構(gòu)相應(yīng)部位，通過鉆孔、清孔、注入粘結(jié)劑，安插鋼筋(或螺桿等)，使鋼筋與混凝土牢固粘結(jié)在一起。之后再澆筑新的混凝土，實現(xiàn)新老鋼筋混凝土的連接，形成整體，到達共同受力。

可靠的植筋是確保新老結(jié)構(gòu)連接有效的前提，而植筋可靠性來自植筋膠產(chǎn)生的粘接強度與機械咬合力。其錨固力學(xué)性能受混凝土基材、粘結(jié)劑性能、錨固長度、植筋孔幾何尺度、施工質(zhì)量和環(huán)境因素等影響。劉啟真等[6]根據(jù)7組19根單筋約束拉拔試驗，得出植筋承載力與植筋錨固深度大致呈線性關(guān)系，且認(rèn)為隨著植筋膠厚度增大，試件拉拔承載力和對應(yīng)的位移值均增大。為深入探究混凝土強度、鋼筋直徑、植筋深度以及植筋孔斜度等因素對植筋性能的影響，文獻[7]針對一種高強快凝無機植筋膠，基于試驗測試得到的荷載 - 位移曲線和植筋拉拔破壞模態(tài)，分析了植筋錨固受力機理，以及錨固承載力受上述因素影響規(guī)律。袁延明等[8]研究指出，植筋錨固的承載力和破壞模態(tài)嚴(yán)重受制于植筋深度，植筋拉拔力與植筋深度成正比關(guān)系，當(dāng)植筋深度介于8d～10d(d鋼筋直徑)時，拉拔破壞形態(tài)為錐體 - 粘結(jié)復(fù)合型，一旦植筋深度超過15d，植筋承載力取決于鋼筋強度，此時的破壞模態(tài)為鋼筋拉斷。文獻[9]研究認(rèn)為，植筋承載力隨混凝土基材強度和鋼筋直徑增大而增加，二者成正比關(guān)系。

為盡可能降低不利因素給植筋性能造成的影響，現(xiàn)行植筋技術(shù)規(guī)程要求植筋實施過程確保植筋孔干燥、無灰塵[10,11]。但由于植筋應(yīng)用場景非常廣泛，潮濕和水下環(huán)境植筋無法避免。正如李悅等[12]總結(jié)了植筋錨固研究成果和工程實踐后指出：諸如潮濕、異常溫度和凍融等特殊環(huán)境下的植筋錨固性能有待進一步研究。為此，許多學(xué)者和工程技術(shù)人員針對特殊環(huán)境下的植筋開展了大量研究工作，如：苗生龍等[13]對比普通水和鹽水環(huán)境下的植筋試驗，分析極限承載力和荷載-位移曲線表明，普通水環(huán)境下的植筋極限承載力、延性、粘結(jié)剛度和平均粘結(jié)應(yīng)力隨時間的延長有所增加。然而，在鹽水環(huán)境下的上述性能卻相反，隨作用時間的增長而劣化?；炷粱w潮濕與否對植筋錨固性能的影響，左建新等[14]設(shè)計了三根試件，分別為基體干燥清孔、潮濕清孔和潮濕不清孔，通過分析拉拔載荷 - 位移曲線，研究認(rèn)為施工工藝對混凝土基體潮濕狀態(tài)下的植筋影響較大，潮濕不清孔所獲得的拉拔力遠低于干燥狀態(tài)下的承載力，而基體是否潮濕影響不大。上述研究結(jié)論與文獻[15]明顯不同，李德[15]研究認(rèn)為，通過選擇特定的植筋膠，在明水環(huán)境下的植筋雖然能滿足工程應(yīng)用要求，但在有水和無水條件下的植筋承載力相差比較大。

大量的工程應(yīng)用和研究促進了植筋技術(shù)發(fā)展及其理論體系的完善，尤其是常規(guī)環(huán)境下植筋所涉及的多因素影響規(guī)律得到了較為充分的探索和了解。但潮濕等特殊環(huán)境下的植筋，其力學(xué)性能還有待深入研究，既有的研究成果并不充分且還存在相左之處[14,15]。雖然水下植筋已得到較多工程實踐，但均是基于特殊的植筋膠來克服水環(huán)境影響。至于水上植筋所涉及的孔內(nèi)潮濕度對常規(guī)植筋的影響效果，還有待繼續(xù)探索和大量的試驗數(shù)據(jù)支撐。

為此，本文開展了6組12根植筋拉拔試驗，通過改變植筋孔內(nèi)潮濕度，基于試驗所獲得拉拔力 - 位移曲線和破壞模態(tài)，研究潮濕度對植筋效果的影響。

1 試驗研究

(1)試驗方案

澆筑一混凝土板(2100 mm×900 mm×300 mm)，養(yǎng)護28 d，在其上按預(yù)定位置鉆12個孔，孔深220 mm，孔徑22 mm，并對孔位進行編號(圖1)。將12個孔分為6個濕度組，植筋前將所有孔內(nèi)烘干，之后每兩個孔為一組，分別對孔內(nèi)進行同等噴水霧，并用濕度計分別測試三次，取其平均值作為實測孔內(nèi)濕度(實測孔深和孔內(nèi)濕度如表1)，確保孔內(nèi)濕度達到設(shè)計預(yù)定濕度后，迅速植筋(植螺桿)。植筋養(yǎng)護48 h，螺桿與混凝土完全膠結(jié)后，采用液壓穿心式千斤頂對其進行分級加載拉拔。

圖1 植筋及濕度測試

(2)材料性能

混凝土基材實際配合比為水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.67∶2.52∶0.44，在TYE-2000A型壓力試驗機上，實測混凝土立方體(150 mm×150 mm×150 mm)極限抗壓強度fcu和彈性模量Ec如表2。

植筋使用4.8級M18螺桿12根，實測得其極限拉拔力為131.66 kN。

表1 各孔深度和濕度實測數(shù)據(jù)

表2 混凝土材料性能參數(shù) MPa

(3)加載及測試

拉拔時將穿心式千斤頂套在螺桿上，用4個螺母將螺桿擰緊，借助螺母底面的鋼板與千斤頂接觸，將力傳遞至螺桿實施拉拔。

加載初期按每級5 kN提載，緩慢加載至變形稍大后再以每級2～3 kN加載，直至螺桿拉斷或被拔出為止，整個過程詳細記錄拉拔力 - 位移曲線。

2 試驗現(xiàn)象及討論

2.1 試驗現(xiàn)象

在拉拔試驗進行過程中，由于千斤頂油管接頭問題，編號為1-2和2-1的兩根植筋螺桿拉拔試驗未能取得成功，余下的10根植筋拉拔試驗現(xiàn)象匯總?cè)绫?。試驗破壞總體可歸結(jié)為兩類破壞模態(tài)：螺桿拉斷、螺桿拔出，破壞模態(tài)如圖2。

表3 植筋螺桿拉拔試驗現(xiàn)象匯總

圖2 植筋螺桿破壞模態(tài)

總結(jié)上述試驗現(xiàn)象可知，除了個別螺桿(編號3-1和6-2螺桿)外，植筋螺桿破壞模態(tài)受孔內(nèi)濕度影響的總體趨勢是：隨著濕度增大，植筋由螺桿自身拉斷，錨固周圍混凝土不出現(xiàn)損傷裂縫，逐漸過渡到螺桿拉斷時，根部混凝土出現(xiàn)裂縫，直至最后螺桿被拔出，錨固混凝土嚴(yán)重開裂，螺桿自身完好。由此可見，孔內(nèi)濕度嚴(yán)重影響植筋效果。

2.2 結(jié)果及討論

受千斤頂?shù)撞繅|板約束基體混凝土的影響，以及試驗過程中墊板位置偏差等原因，編號為3-1和6-2的螺桿試驗現(xiàn)象存在異常。排除這兩根試件，根據(jù)拉拔試驗破壞模態(tài)，將測試得到的8根螺桿荷載 - 位移(F-δ)曲線分兩組繪制(圖3)：螺桿拉斷組和螺桿拔出組。其中螺桿拉斷組對應(yīng)的試件編號分別為1-1，2-2，3-2，4-1，螺桿拔出組包括4-2，5-1，5-2，6-1。

圖3 植筋螺桿荷載-位移(F - δ)曲線

(1)對照圖3和表1可知，螺桿拉斷組對應(yīng)的4根植筋螺桿孔內(nèi)濕度分別為6.6%，20.4%，37.7%，53.7%，濕度平均為29.6%；螺桿拔出組對應(yīng)的4根植筋螺桿孔內(nèi)濕度分別為56.0%，69.4%，67.7%，90.6%，濕度平均為70.9%。試驗顯示：隨著孔內(nèi)濕度增大，植筋螺桿的破壞模態(tài)由螺桿拉斷轉(zhuǎn)變成螺桿被拉出。說明孔內(nèi)濕度降低了植筋錨固力，其原因是因為孔內(nèi)濕度增大后，孔壁表面水分增加，降低了膠體與混凝土孔壁界面的咬合力。此外，濕度導(dǎo)致的植筋錨固破壞模態(tài)改變是個漸變過程，由濕度較低時錨桿拉斷、錨下混凝土無任何損傷，逐漸過渡到錨下混凝土開裂、錨桿拉斷，直至濕度較高時的錨下混凝土錐體剪切破壞而被拔出。試驗表明，轉(zhuǎn)變過程發(fā)生在4-1和4-2螺桿之間，破壞模態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界濕度為54.85%，即約為55%。

(2)雖然兩組不同形式的破壞模態(tài)在到達拉拔力峰值前，均表現(xiàn)為螺桿位移δ隨拉拔力F提高而成線性增加，但孔內(nèi)濕度較小組的螺桿位移整體略小于濕度較高組；拉拔力達到峰值后，兩組荷載 - 位移(F-δ)曲線發(fā)生顯著差異，其中濕度較小的螺桿拉斷組此后拉拔力雖然下降，但降幅較小(8.7%)。而濕度較高組，拉拔力急劇下降，至完全破壞前，拉拔力降幅達35.9%。由此說明，濕度顯著影響植筋的受力性能，孔內(nèi)保持干燥狀態(tài)有利提高植筋參與結(jié)構(gòu)受力，改善新老構(gòu)件的整體性。

(3)從圖3和表2可知，螺桿拉斷組拉拔力平均峰值為135.9 kN，螺桿拔出組拉拔力平均峰值為123.9 kN，濕度由29.6%提高至70.9%時，最大拉拔力降低了8.8%?？梢?，孔內(nèi)濕度降低了植筋錨固力，試驗所得其下降速率為0.29 kN/單位濕度，換算到螺桿孔內(nèi)植筋表面，單位面積的下降程度為：0.023 N/mm2/單位濕度。

(4)從拉拔力峰值和最終破壞時對應(yīng)的螺桿位移分析，螺桿拉斷組最大拉拔力時對應(yīng)的平均位移為7 mm，螺桿拔出組對應(yīng)的位移為9 mm，位移增加了28.6%；拉拔破壞時，螺桿拉斷組對應(yīng)的位移均值為20.2 mm，螺桿拔出組對應(yīng)的位移為27.2 mm，位移增加了34.6%。依此推測，隨著濕度增加，螺桿、膠體及混凝土基體界面之間的剪切變形也逐漸增大，進而導(dǎo)致螺桿在達到最大峰值力和破壞前，植筋整體位移隨濕度增大而提高。

3 結(jié) 論

(1)植筋效果嚴(yán)重受孔內(nèi)濕度影響，隨著濕度增加，植筋破壞模態(tài)將發(fā)生改變。當(dāng)孔內(nèi)濕度超過破壞模態(tài)轉(zhuǎn)變臨界濕度55%之后，植筋破壞將由螺桿自身拉斷轉(zhuǎn)變?yōu)槁輻U拔出破壞。

(2)隨著濕度降低，植筋拉拔力顯著提高，螺桿、膠體及混凝土基體之間的咬合力越強，到達拉拔力峰值和破壞時對應(yīng)的螺桿位移也越小。

(3)隨著孔內(nèi)濕度提高，螺桿、膠體及混凝土基體界面之間的剪切變形逐漸增大，拉拔力下降。根據(jù)試驗研究得出，拉拔力隨植筋孔內(nèi)濕度改變的單位面積下降速率為0.023 N/mm2/單位濕度。