緩粘結(jié)劑固化期間預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間的粘結(jié)性能

馬 玥 張子靜 王占飛

（1.大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300；2.北京科技大學(xué)天津?qū)W院，天津 301830；3.沈陽建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

1 前言

環(huán)氧樹脂作為緩粘結(jié)劑的預(yù)應(yīng)力技術(shù)結(jié)合了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，即施工時工藝簡單方便、使用時結(jié)構(gòu)安全可靠，具有良好的發(fā)展前景［1］。自2002年以來，國內(nèi)各科研院所對環(huán)氧樹脂緩粘結(jié)劑及其預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列理論研究并制定了相關(guān)的技術(shù)規(guī)程［2-6］，使得緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在我國的橋梁及建筑工程中得到了大量的示范和應(yīng)用。

關(guān)于緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)目前主要探明了緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在張拉適用期內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失以及緩粘結(jié)劑完全固化后結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。然而，預(yù)應(yīng)力筋從制作到緩粘結(jié)劑完全固化，需要花費(fèi)1～2年的時間。這期間，隨著緩粘結(jié)劑逐漸固化，預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度如何變化，以及對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響還未明確，這給該技術(shù)在工程應(yīng)用帶來了一定的安全隱患。

本文通過4組固化程度不同的緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋從混凝土中拔出的試驗(yàn)和數(shù)值分析，討論緩粘結(jié)劑固化期間，預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間的粘結(jié)性能變化規(guī)律，為該技術(shù)的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)及數(shù)值分析概況

從材料制備到工程竣工運(yùn)營，環(huán)氧樹脂緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋大體經(jīng)歷兩個階段，即張拉試用期和固化期，這期間緩粘結(jié)劑從液態(tài)變成可塑體再到堅(jiān)硬的固態(tài)，使得預(yù)應(yīng)力筋能夠通過緩粘結(jié)劑將預(yù)應(yīng)力應(yīng)力傳遞給混凝土。為了探明緩粘結(jié)劑在自身物理性態(tài)變化的過程中對預(yù)應(yīng)力筋粘結(jié)強(qiáng)度的影響，制作了4組固化硬度HD為1-4的緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋混凝土試件，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋拔出試驗(yàn)及數(shù)值分析。

2.1 試驗(yàn)及數(shù)值分析概況

本試驗(yàn)，在試塊尺寸為200×200×600mm的混凝土試塊中布設(shè)一根緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力筋兩端各長出混凝土試塊100mm，試件及試驗(yàn)裝置如圖1（a）所示。試驗(yàn)采用的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的公稱直徑為15.2mm，在筋表面包裹一層緩黏結(jié)劑（環(huán)氧樹脂），在緩黏結(jié)劑外側(cè)用PE管包裹，緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)造見圖1（b）所示。試件中的緩黏結(jié)劑采用升溫加上固化，拔出試驗(yàn)前測同等環(huán)境下緩粘結(jié)劑的邵氏硬度值表征緩粘結(jié)劑的固化狀態(tài)。

圖1 拔出試驗(yàn)的試件及加載裝置

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋拔出試驗(yàn)的有限元模型如圖2所示。混凝土、緩黏結(jié)劑、預(yù)應(yīng)力鋼絞線均采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元（C3D8R）。在網(wǎng)格劃分方面，預(yù)應(yīng)力筋和緩黏結(jié)劑網(wǎng)格劃分較密，并對混凝土內(nèi)部局部布種子，也進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。材料與接觸設(shè)置：由于在整個拉拔過程中，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力，故設(shè)置為彈性材料，彈性模量E=195000Mpa；混凝土的應(yīng)力狀態(tài)可能超過材料的彈性階段，故將其設(shè)置為彈塑性材料，本構(gòu)模型設(shè)置為彈塑性損傷模型?？箟簭?qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比均取規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值；緩粘結(jié)劑由于隨著固化程度的不同，材料性質(zhì)會發(fā)生變化，在分析時以緩粘結(jié)材料完全固化（完全固化時邵氏硬度取80）時的材性［5］為參考在不同固化階段，相應(yīng)折減材料的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及彈性模量，本構(gòu)模型設(shè)置為彈塑性損傷模型。同時為了能夠模擬預(yù)應(yīng)力筋的拔出現(xiàn)象，將試件中的緩粘結(jié)劑設(shè)置成內(nèi)外兩層，內(nèi)外層緩黏結(jié)劑之間采用摩擦接觸連接，模擬拔出試驗(yàn)時切向剪應(yīng)力的傳遞，當(dāng)界面剪應(yīng)力達(dá)到設(shè)定的臨界值τ時發(fā)生相對滑動，并且在滑動過程中一直保持相同剪應(yīng)力。根據(jù)緩粘結(jié)劑邵氏硬度值的不同設(shè)置臨界剪應(yīng)力。

圖2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線、緩黏結(jié)劑和混凝土單元劃分

2.2 邊界條件及荷載施加

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的拔出試驗(yàn)采用砝碼加載方式，并通過百分表測量筋拔出的長度。試驗(yàn)時，將試塊放到試驗(yàn)裝置上，在試塊預(yù)應(yīng)力筋上端放置百分表、玻璃墊板；在預(yù)應(yīng)力筋下端用砂輪打磨出凹槽固定掛鉤，待掛鉤穩(wěn)定后開始進(jìn)行加載試驗(yàn)（試驗(yàn)裝置如圖1所示）。加載方式：試驗(yàn)時試件每級加載4kg，持荷1min，讀取百分表讀數(shù)，記錄筋滑移量，然后繼續(xù)加載，直至滑移量達(dá)到百分表最大量程，結(jié)束試驗(yàn)。在數(shù)值分析時，結(jié)合試驗(yàn)時試件的受力情況，混凝土試塊下端固定，鋼筋端部施加拉力。分析分兩個步驟，第一個分析步（Initial Step）用來設(shè)定模型的邊界條件和材料間接觸關(guān)系；第二個分析步（Step1）用來施加拔出荷載。加載方式為位移加載，最大加載的位移為20mm。

3 試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果

3.1 粘結(jié)強(qiáng)度-粘結(jié)滑移曲線

圖3為試驗(yàn)與數(shù)值分析得到的粘結(jié)力-滑移量曲線結(jié)果對比，圖中實(shí)線為模擬結(jié)果，虛線為試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，預(yù)應(yīng)力筋拔出試驗(yàn)及數(shù)值分析得到的拔出力-滑移曲線分為三個階段，第一階段是線性階段：這一階段緩黏結(jié)劑處于理想彈性體狀態(tài)，黏結(jié)力由材料本身彈性性變來提供，黏結(jié)力-滑移曲線表現(xiàn)為直線。第二階段為非線性增長階段：這一階段不同位置的緩黏結(jié)劑相續(xù)達(dá)到臨界剪應(yīng)力狀態(tài)，黏結(jié)力-滑移曲線表現(xiàn)為非線性變化，并且達(dá)到最大粘結(jié)力。第三階段是滑移承載力下降階段：所有位置的緩黏結(jié)劑達(dá)到臨界剪應(yīng)力后，鋼束從混凝土試塊中拔出時，黏有一定量的緩黏結(jié)劑，粘結(jié)力隨著滑移量的增加逐漸變小。隨著緩粘結(jié)硬度的增加，粘結(jié)力增加，試驗(yàn)與數(shù)值分析得到的最大粘結(jié)力基本一致，表明數(shù)值分析具有一定的可信性。有限元分析結(jié)果表現(xiàn)出了典型的線性和非線性階段。但從試驗(yàn)結(jié)果來看表現(xiàn)的不那么明顯，這主要是因?yàn)橛捕仍?HD-4HD之間時，緩粘結(jié)劑處于粘彈性狀態(tài)所致。

圖3 試驗(yàn)與數(shù)值分析得到的粘結(jié)力-滑移量曲線結(jié)果對比

3.2 預(yù)應(yīng)力筋、緩粘結(jié)劑及混凝土應(yīng)力云圖

緩粘結(jié)劑硬度為4HD的試件預(yù)應(yīng)力筋拔出過程中，得到的各階段應(yīng)力分布如圖4所示。圖4（a）時預(yù)應(yīng)力筋拔出粘結(jié)力為500N時，圖4（b）為預(yù)應(yīng)力筋拔出粘結(jié)力為650N時，圖4（C）預(yù)應(yīng)力筋拔出為滑移量為20mm時整體及混凝土的應(yīng)力分布。拔出試驗(yàn)剛開始，預(yù)應(yīng)力筋在混凝土內(nèi)受拉，阻力主要有緩黏結(jié)劑本身的黏滯阻力來提供，黏結(jié)力-滑移呈線性變化，由圖可看出緩黏結(jié)劑周圍的核心混凝土應(yīng)力較大，沿拔出方向呈帶狀分布；預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力主要集中在混凝土內(nèi)部受拉端。預(yù)應(yīng)力筋拔出粘結(jié)力為650N時，核心混凝土應(yīng)力范圍在一定程度上減小，此時緩黏結(jié)劑發(fā)生塑性變形，混凝土內(nèi)部預(yù)應(yīng)力筋端部應(yīng)力增大。當(dāng)荷載繼續(xù)增大，預(yù)應(yīng)力筋、緩黏結(jié)劑之間開始出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，當(dāng)滑移位移達(dá)到20mm，預(yù)應(yīng)力拔出端應(yīng)力最大，與前兩個階段相比，核心混凝土應(yīng)力大小和應(yīng)力范圍較小。核心混凝土剪切應(yīng)力沿拔出方向呈帶狀分布，內(nèi)部應(yīng)力較大，越往外應(yīng)力值越小，混凝土外表面沒有明顯的應(yīng)力分布。

圖4 邵氏硬度HD=4的試件應(yīng)力分布及最終試驗(yàn)狀態(tài)

4 結(jié)論

（1）通過試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果可知，隨著緩粘結(jié)劑硬度的增加，粘結(jié)力逐漸增加。

（2）從緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋拔出過程的數(shù)值分析可以看出，大體經(jīng)歷了線性階段，非線性階段以及最后拔出承載力下降階段。粘結(jié)力最大時，預(yù)應(yīng)力筋最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在與混凝土試塊下端部接觸的位置，而混凝土孔道四周以及緩粘結(jié)劑出現(xiàn)較大的剪應(yīng)力。

（3）緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋最后拔出時，會粘結(jié)一定程度的環(huán)氧樹脂緩粘結(jié)劑。