高強鋼絞線與纖維增強聚合物砂漿粘結(jié)滑移性能研究*

廖維張, 王俊杰, 王紅煒, 王秋婉

(1 北京建筑大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 100044；2 北京建筑大學(xué)北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044)

0 引言

高強鋼絞線-纖維復(fù)合水泥基材料(HSS-FRCM)加固修復(fù)既有混凝土結(jié)構(gòu)正逐漸成為代替纖維增強復(fù)合材料(FRP)、鋼板、鋼絲網(wǎng)外貼等加固方案。已有許多學(xué)者詳細探討分析了HSS-FRCM加固材料的可行性[1-8],如粘貼HSS-FRCM在混凝土梁、柱外部,分析其加固后的抗震性能[9]、抗剪性能[10]、以及結(jié)構(gòu)節(jié)點抗震性能和抗剪承載力[11];或是在砌體結(jié)構(gòu)承重部分粘貼HSS-FRCM、觀測加固后結(jié)構(gòu)的受剪能力[12]、抗震性能[13]等,為該加固技術(shù)能夠有效地改善構(gòu)件性能提供理論分析依據(jù),并發(fā)現(xiàn)該加固復(fù)合層的加固效果受多種因素的影響,其中加固復(fù)合層自身的材料力學(xué)性能尤為重要。研究發(fā)現(xiàn),在水泥基材料中摻入聚丙烯、聚乙烯醇和聚乙烯纖維會削弱砂漿抗壓強度,但由于內(nèi)部亂向纖維的分布,可提高整體的抗折強度[14-15];過量纖維的摻入同樣也會影響膠砂基體的流動性與和易性[16],但聚乙烯醇(PVA)纖維體積摻量的增加有利于提高砂漿的抗拉強度[17]。

除此之外,鋼絞線與水泥基材料界面之間的相互作用對整個加固復(fù)合層的加固效果有非常重要的影響[18-22],在該加固復(fù)合層中,水泥基材料相對于鋼絞線的剝離破壞是較為常見的破壞模式[8]。已有的研究表明基體的強度越高,內(nèi)部承擔拉力作用的構(gòu)件粘結(jié)錨固強度越高,鋼絞線錨固粘結(jié)強度主要與其自身被錨固長度的大小成正比,即使發(fā)生較大滑移后,內(nèi)部材料之間仍具有相當?shù)腻^固力[23]。目前針對HSS-FRCM材料內(nèi)部鋼絞線和基體之間粘結(jié)錨固機制的研究較為淺顯,而利用試驗理清鋼絞線與水泥膠砂界面間的粘結(jié)機理,分析短切纖維HSS-FRCM粘結(jié)性能作用具有一定理論意義和實用價值。

通過對HSS-FRCM試塊中的鋼絞線進行拉拔試驗,探究鋼絞線拉拔力與位移,拉拔力與錨固長度之間的關(guān)系,并給出不同短切纖維(聚丙烯纖維、鋼纖維,見圖1)和不同錨固長度對界面粘結(jié)滑移性能的影響規(guī)律。為該加固技術(shù)的設(shè)計理論及工程應(yīng)用的推廣提供必要的參考。

圖1 短切外摻纖維

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗材料

(1)復(fù)合水泥基材料

試驗所采用的纖維增強水泥基材料的主要成分包括:水泥、硅粉、粉煤灰、精細河砂、實驗室自來水、膠粉5010、高效聚羧酸減水劑母液、短切纖維。其中基體內(nèi)摻入0.16%體積摻量的聚丙烯纖維(簡稱PP纖維)和體積摻量為1.5%的短切鋼纖維(簡稱鋼纖維),具體砂漿配比見表1,28d砂漿實測強度見表2。

表1 纖維水泥基材料配合比

表2 纖維水泥基材料28d實測強度

(2)鍍鋅鋼絞線

試驗所采用的鋼絞線為具有較高抗拉強度的鍍鋅鋼絞線,直徑為2.4、3.0mm。表3為鍍鋅鋼絞線材性試驗結(jié)果。

表3 鍍鋅鋼絞線材性試驗結(jié)果

1.2 試驗設(shè)計

試驗參考《鋼絞線網(wǎng)片聚合物砂漿加固技術(shù)規(guī)程》(JGJ 337—2015)[24],考慮材料的實際工程使用情況,將HSS-FRCM試塊的截面尺寸設(shè)計為50mm×50mm,長度為120mm,通過在試塊端部布置塑料套管,形成鋼絞線在基體內(nèi)部的無粘結(jié)區(qū)域。同時可以避免拉拔過程中鋼絞線與基體錨固端部發(fā)生錐形破壞。HSS-FRCM試塊的試驗工況如表4所示,其中試塊編碼代表纖維種類-鋼絞線直徑-錨固長度-基體種類。設(shè)計圖和制作流程見圖2、3,試件加工完成圖見圖4。

表4 HSS-FRCM拉拔試驗工況

圖2 HSS-FRCM拉拔試塊設(shè)計

圖3 HSS-FRCM拉拔試塊制作流程

圖4 HSS-FRCM拉拔試塊

1.3 試驗加載

試驗采用10t萬能試驗機進行HSS-ECC試塊拉拔試驗,如圖5所示。將承載臺連接到試驗機上端部,并用銷釘固定;將拉拔試塊基體部分固定在裝置中心加載板上,外露的鋼絞線穿過加載底板并將其連接到試驗機下端,利用三夾片錨具與鋼制套環(huán)對鋼絞線進行錨固,圖6為試驗采用的錨具,利用夾片上的防滑槽鎖緊鋼絞線,保證鋼絞線不會發(fā)生影響試驗的滑移和脫落現(xiàn)象。

圖5 HSS-FRCM拉拔試驗裝置圖

采用靜力加載位移控制方式,以速率0.3mm/min為標準進行拉拔試驗,將位移計的磁性表座固定在加載裝置底板上,并擰緊位移計的方向固定旋鈕,保證位移計處于試件和拉伸裝置的正中位置且不會發(fā)生轉(zhuǎn)動;再將已對中固定的位移計測量端連接試件端部外露的鋼絞線,利用標號筆在錨具夾持端部進行標記,記錄試驗開始前和試驗結(jié)束后標記處的位置,待結(jié)束試驗后,對比發(fā)現(xiàn)標記處與錨具端部的距離未發(fā)生變化,這說明設(shè)定的錨具可有效錨固鋼絞線。拉拔試驗過程中的端部鋼絞線與基體之間相對滑移位移即可通過位移計測定。將試驗機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的拉拔力數(shù)據(jù)作為試驗參考值。

試驗以下列破壞標志作為停止加載點:1)基體與鋼絞線之間發(fā)生較大滑移位移;2)鋼絞線拉斷破壞;3)基體局部出現(xiàn)脫落、開裂。

1.4 試驗結(jié)果

拉拔試驗破壞特征如圖7所示。在拉拔試驗中,試塊的破壞模式主要分為兩種類型,包括基體上端部鋼絞線的滑移破壞和基體下端部的砂漿脫落破壞。試驗配合比制作的膠砂基體強度較高,在試驗達到停止加載點時,基體表面均未出現(xiàn)明顯的破壞裂縫。圖8為試件鋼絞線被拔出的破壞模式示意圖,圖中鋼絞線螺旋肋間的砂漿被剪切破壞并隨著鋼絞線帶出基體,基體和鋼絞線接觸界面的剪切破壞特征尤為明顯。

圖7 拉拔試驗破壞特征示意圖

圖8 HSS-FRCM試塊拔出鋼絞線破壞模式圖

為了進一步分析粘結(jié)機理,對HSS-FRCM拉拔試驗的極限拉拔力、粘結(jié)強度、破壞模式等結(jié)果進行匯總,如表5所示。試驗機采集儀采集到破壞特征點對應(yīng)的拉拔力記為極限拉拔力。按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL/T 352—2020)[25]中給出的鋼筋與混凝土之間的錨固強度計算公式,分析鋼絞線和基體之間的粘結(jié)強度,并取拉拔試驗過程中鋼絞線發(fā)生0.01、0.05、0.10mm滑移時所對應(yīng)的拉拔力F1、F2、F3,帶入計算式(1)中進行鋼絞線與基體的粘結(jié)強度τ計算。

表5 HSS-FRCM拉拔試驗結(jié)果

式中:A為埋入基體內(nèi)的鋼絞線表面積(A=πDL),mm2,其中,D為鋼絞線理論計算直徑,mm,L為鋼絞線埋置長度,mm。

拉拔試驗中鋼絞線與聚合物砂漿之間的粘結(jié)強度τ如表5所示,為了避免數(shù)據(jù)的離散性,取錨固長度20d、25d、30d三種工況的粘結(jié)強度均值,得出不同種類砂漿與鋼絞線之間粘結(jié)強度。對比表6中數(shù)據(jù)可得,無外摻纖維砂漿(A組試件)與鋼絞線之間粘結(jié)強度為8.37MPa,高于B組試件粘結(jié)強度6.4%、高于C組試件粘結(jié)強度14.2%。隨著短切纖維的加入,鋼絞線與基體間的粘結(jié)力會有所降低。

表6 HSS-FRCM粘結(jié)強度計算結(jié)果

2 試驗結(jié)果分析

通過分析試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種不同水泥基材料的拉拔力-位移曲線均主要包括三個階段:鋼絞線彈性拉伸階段,鋼絞線逐漸脫粘階段,鋼絞線滑移階段[26]。其中拉拔力以機器采集到的荷載數(shù)值為參考值,加載位移指加載架被拉動抬升的位移。

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),短切纖維的加入會削弱鋼絞線與復(fù)合水泥基體之間的粘結(jié)力。對比圖9發(fā)現(xiàn),摻入兩種不同的短切纖維后,試件的位移-拉拔力曲線形式較為相似,但是摻入短切纖維后復(fù)合水泥基體對應(yīng)的鋼絞線的極限拉拔力有所下降,即相比于普通聚合物砂漿對應(yīng)的綠色曲線,黑色與紅色曲線對應(yīng)的拉拔力最大值較小,鋼絞線與砂漿之間的粘結(jié)作用受到削弱。但是對比兩種纖維對拉拔力的影響時,發(fā)現(xiàn)當鋼絞線的錨固長度為20d、25d、30d時,相比于短切鋼纖維,摻入PP纖維的聚合物砂漿與鋼絞線之間的機械咬合作用更為明顯。

圖9 錨固長度對拉拔力-位移的影響對比

圖10、11分別對比了兩種HSS-FRCM和普通水泥基材錨固鋼絞線試件在拉拔試驗過程中拉拔力和加載位移曲線的圖形特征。發(fā)現(xiàn)在拉拔力呈線性變化的階段,錨固長度對鋼絞線的曲線幾乎無影響。隨著拉拔力的增大,鋼絞線與水泥基體逐漸脫粘破壞,鋼絞線在基體內(nèi)部由部分粘結(jié)力和摩擦力承擔外部拉力作用,此時試件曲線上升段逐漸變緩,直到鋼絞線發(fā)生完全脫粘破壞,曲線出現(xiàn)明顯的下降。在不同錨固長度下,試件拉拔力-位移曲線上升段變平緩的程度并不一致,增大錨固長度會有效降低上升段曲線平緩的趨勢。

圖10 纖維增強水泥基體試件拉拔力-位移對比

圖11 無纖維基體試件拉拔力-位移對比

在鋼絞線完全脫粘時,PP纖維和鋼纖維的加入對鋼絞線錨固段完全脫粘后,拉拔力的下降程度也有一定影響。由圖10、11可發(fā)現(xiàn),在鋼絞線完全脫粘后,試件的拉拔力-位移曲線顯著下降,較大滑移后的鋼絞線和水泥基體之間仍存在一定錨固作用,鋼絞線峰值拉拔力下降百分比與不同基體種類有關(guān)。鋼纖維水泥基體對應(yīng)的鋼絞線最大拉拔力削弱效果最小,其峰值拉拔力下降百分比為15%～35%。即在摻入鋼纖維的復(fù)合水泥基材試塊中,鋼絞線發(fā)生滑移破壞對應(yīng)的拉拔力-位移曲線進入下降階段后,鋼絞線仍具有較大的錨固力,該錨固力的大小為極限拉拔力的65%～85%。對于摻入PP纖維的復(fù)合水泥基材試塊,鋼絞線峰值拉拔力下降趨勢有明顯的削弱,其峰值拉拔力下降百分比為30%～50%,而聚合物砂漿所對應(yīng)的鋼絞線拉拔力下降幅度主要集中在30%～45%。

3 鋼絞線拉拔力結(jié)果分析

圖12對比不同基體種類、在不同錨固長度下的鋼絞線極限拉拔力的影響。為避免數(shù)據(jù)離散,圖12中的取值為不同錨固長度下鋼絞線完全脫粘時所對應(yīng)的拉拔力平均值。利用分析軟件MATLAB對圖中的五種錨固長度峰值拉拔力進行函數(shù)擬合,可得鋼絞線在基體內(nèi)的極限拔出力與鋼絞線的錨固長度之間為二次冪函數(shù)關(guān)系,即在鋼絞線發(fā)生滑移破壞的前提下,成倍增大鋼絞線的錨固長度,鋼絞線的極限拉拔力并不會呈相應(yīng)倍數(shù)的增長,而是近似按照圖中所給出的二次冪公式增長。PP纖維基體和無纖維摻入基體對應(yīng)的二次函數(shù)為凸函數(shù),鋼纖維基體對應(yīng)的二次函數(shù)為凹函數(shù),這說明,隨著錨固長度的增大,鋼纖維能給基體提供高于其他兩種基體錨固鋼絞線的能力。

4 結(jié)論

通過HSS-FRCM試件的軸心拉拔試驗,分析論證鋼絞線與基體之間的粘結(jié)滑移性能。最終得到HSS-FRCM的拉拔力-位移曲線,擬合出極限拉拔力-不同錨固長度之間的函數(shù)關(guān)系,進一步探討并給出了不同水泥基材外摻纖維和多種錨固長度對HSS-FRCM內(nèi)部界面的粘結(jié)滑移性能的影響,具體結(jié)論如下:

(1)HSS-FRCM試件進行拉拔試驗時,將錨固鋼絞線拔出后,基體表面沒有剝落或開裂破壞表征;鋼絞線咬合的基體被剪應(yīng)力剪切破壞并隨之帶出基體內(nèi)部,錨固界面以剪切破壞為主。

(2)摻入鋼纖維和PP纖維后,鋼絞線與復(fù)合水泥基材料之間的粘結(jié)界面受到較大影響,界面間的相互咬合作用受到削弱,其承受的極限拉拔力減小。

(3)摻入PP纖維的復(fù)合水泥基材料與鋼絞線界面極限拉拔力削弱幅度較低;而摻入鋼纖維能夠增強鋼絞線滑移后界面的摩擦力,從而使拉拔力下降幅度較小,為15%～35%。

(4)通過擬合不同砂漿種類、不同錨固長度的鋼絞線極限拉拔力,獲得了鋼絞線的極限粘結(jié)力與不同錨固長度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,為HSS-FRCM加固層內(nèi)部粘結(jié)關(guān)系和臨界錨固長度的設(shè)計與研究提供理論基礎(chǔ)。