混凝土中化学植钢的静力拉拔试验研究.pdf

中国科技核心期刊 钎 巍 柑拇 混凝士中化学植钢韵静力拉拔试验研究 穆建春， 习会峰 ， 王志刚， 龙志勤 ( 广东石 油化工 学院， 广东 茂名5 2 5 0 0 0 ) 摘要 ： 通过在不同强度混凝土中植入不同型号角钢的静力拉拔试验， 得出了植钢的3 种破坏模式、 荷载滑移全过程曲线、 荷载 应变实测 曲线 。 与传统 的植筋试验结果相 比， 植钢技术更易充分发挥整个锚 固段粘结力 的作用 。 植钢与植筋 的静力拉拔试验得到的 破坏模式及荷载滑移全过程 曲线有较大区别， 对此进 行了详 细分析 ， 并提 出了植钢技术和植筋技术的应 用前景 。 关键 词： 植钢； 植筋； 静力拉拔； 破坏模式 中图分类号： T U 5 2 8 0 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 3 ) 1 1 - 0 0 1 4 0 4 A s t u d y a b o u t t h e p u l l - o u t t e s t o f a d h e s i v e l y e m b e d d e d s t e e l L-b a r i n c o n c r e t e MU fi a n c h u n ， X I Hu if e n g ， WAN G Z h i g a n g ， L O NG Z h i q i n ( Gu a n g d o n g Un i v e r s i t y o f Pe t r o c h e mi c a l Te c h n o l o g y， Ma o mi n g 5 2 5 00 0， Gu a n g d o n g， C hi n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ， t h o u g h t h e p u l l - o u t t e s t s o f a d h e s i v e s t e e l i n c o n c r e t e ， t h r e e d e s t r o y f o r ms ， t h e w h o l e l o a d - s l i d c u r v e s ， t h e l o a d s t r a i n me a s u r e d c u rve s o f d i ff e r e n t s t y l e a n g l e s t e e l wi t h d i f f e r e n t g r a d e c o n c r e t e we r e o b t a i n e d Co mp a r e d wi t h t r a d i t i o n a l p l a n t i n g b a r t e s t r e s u l t ， i t wa s f o u n d t h a t t h e e mb e d d e d s t e e l i n c o n c r e t e s h o u l d g i v e mo r e f u l l y p l a y t o t h e a d h e s i v e f o r c e t h a n t h e e mb e d de d b a r Th e r e we r e a l s o s o me d i f f e r e n c e s wi t h t h e f a i l u r e mo d e s a n d t h e wh o l e l o a d -s l i d c u rve s Th e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s o f t wo k i n d s o f a n c h o r t e c h n o l o g i e s ， i e e mb e d d e d s t e e l t e c h n o l o gy a n d e mb e d d e d b a r t e c h n o l o g y ，we r e p r o p o s e d Ke y wor ds ： e mb e d d e d s t e e l ： e mb e d d e d b a r ； p u l l o u t t e s t ； f a i l u r e mo d e 0 引 言 植钢技术和植筋技术都是后锚固技术，是在已有的混凝 土基材上成孔，然后在孔中灌入化学结构胶并植入钢筋或型 钢的锚固技术。植筋技术作为一种加固方法已被广泛应用于 建筑物的加固和改造中。但是， 随着加固改造工程规模的增 大、 结构形式的增多， 需加固构件也向大截面、 大跨度发展， 植 筋加固技术就表现出了其局限性： 如果按照设计计算， 所需种 植钢筋数量很多， 原有构件截面较小， 而在规范中植筋间距有 最小值要求，会出现不能在构件上植入计算所需钢筋数的问 题， 由此限制了植筋技术的应用。针对植筋加固方法的局限 性， 本文提出了 化学植钢加固法这一新的加固方法。 植钢技术 与传统的植筋技术不同，该技术可充分发挥型钢截面特性的 优势， 既可用于既有构件的加固改造， 也可与新混凝土浇筑成 型、 整体工作， 形成“ 钢一 混凝土” 组合构件。 植钢技术目前在国内外报道较少，本课题组曾尝试将植 基金项 目： 广东省科技计划项 目( 2 0 1 1 A0 3 0 2 0 0 0 1 6 ， 2 0 l 2 B 0 3 1 0 0 o O 2 3 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 8 1 5 作 者简介： 穆建春 ， 女 ， 1 9 6 2年生 ， 山西太 原人 ， 硕 士生导师 ， 教授， 研 究方向： 结构 工程 、 新型建筑材料 。 地址： 广 东省茂名市广 东石油化工 学院教师发展 中心， E ma i l ： mu e h e n g 2 0 0 4 1 6 3 c o n。 1 4 新型建筑材料 2 0 1 3 1 1 钢技术应用于某一办公楼的加固改造工程中， 效果良好。 为了 植钢技术更多更广泛地应用于工程实践中，本课题组对植钢 技术的锚固性能做了 试验研究，对植钢在静力拉拔力作用下 的破坏模式、 受力特征、 力一 滑移曲线进行了分析， 并与传统 的植筋技术进行了比较。 l 试验 1 1 概况 试验选取3 种强度等级分别为C 3 0 、 C 3 5 、 C 4 0的素混凝 土现浇成尺寸分别为5 0 0 m m x 5 0 0 m m x 1 2 6 0 I n n的试块， 试 块在常温下制作并养护至2 8 d 。在植钢拉拔试验前对试块进 行回弹试验，经测试 3 种试块的强度等级分别为C 2 9 、 C 3 3 、 C 4 5 ： 选取了3 种不同型号的Q 2 3 5 等边角钢， 分别为L 3 0 x 3 、 IA0 x 4 、 L 5 0 x 5 ， 静力拉拔试验设计见表 1 。 表 1 静力拉拔试验设计 编角钢 混凝土 锚 固 编角钢 混凝土 锚 固 号型号强度等级深度 m m 号型号强度等级深度 m m 1 3 0 x3 C3 0 1 8 O( 6 D 6 4 0 x 4 C4 0 2 4 0( 6 L ) 2 3 0 x3 C3 5 2 2 5( 75 L ) 7 5 0 x5 C3 0 4 5 0( 9 D 3 3 O x3 C4 0 2 7 0( 9 L) 8 5 0 x5 C35 3 0 O( 6 L) 4 4 0 x 4 C3 0 3 0 0( 75 L) 9 5 0 x5 C 4 0 3 7 5( 7 5 L) 5 4 0 x4 C3 5 3 6 0( 9 L ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 穆建春， 等： 混凝土中化学植钢的静力拉拔试验研究 通过试验发现，化学植钢与化学植筋在静力拉拔下的破 坏模式有所不同。化学植筋的大量试验表明l 1 l， 植筋在静力拉 拔下通常有 5 种变形模式( 见图4 ) ， 而每一种变形模式均伴 随有混凝士的锥形破坏。 究其原因， 主要是因为二者的传力方 式有所不同造成的。 化学植筋在静力拉拔时， 其传力是通过化 学粘结、 机械摩擦及机械锁固来完成的。 而化学植钢的传力则 主要是通过化学粘结、 机械摩擦来完成的， 在传力的过程中化 学植钢的机械摩擦力较化学植筋的要大很多，但是其机械咬 合力却小得多。植钢前， 我们已存型钢外表面4 5 。 方向刻痕， 但是冈为型钢很薄，刻痕不宜太深，在拉拔时其作用不甚明 显。由此可见， 化学植筋时， 混凝土表面的锥形破坏主要是由 于植筋的机械咬合力产生的。 上+ t a ) 【 b ) ( c ) 【 d ) ( 0 ) ( a ) 混凝士椎体破坏 ； ( b ) 混凝土一 胶界面破坏 ； ( c ) 钢筋一 胶 界面破 坏； ( d ) 混合界面破坏 ； ( e ) 钢 筋破坏 图 4 植筋静 力拉拔下的破坏模式 2 - 2 化学植钢的破坏过程 试件 2 ， 对于每一组试验， 加载制度均按型钢破坏极限的 5 、 2 0 、 4 0 、 屈服极限、 6 0 、 8 0 等分级加载， 每一级荷载 加载完成后均有5 m i n 或 1 0 m i n的持荷时间。当拉力至第4 级3 6 k N时， 可听到轻微的啪啪声， 混凝土表面残留的结构胶 出现裂纹； 当加载至第5级4 3 8 k N时， 可明显听到爆裂声、 观察到裂纹变成裂缝， 并扩展了3 5 m m ； 继续加载， 爆裂声增 大， 裂缝扩展加速； 当加载至第 8 级8 7 k N时， 可听到很大的 爆裂声： 加载至9 8 I 4 k N时， 型钢断， 混凝土表面隆起破坏， 隆 起高度达3 c m， 长度约 1 0 c m 。 本次试验中发生型钢拔断破坏 的还有试件3 、 试件5 和试件7 。 对于试件 1 ， 加载至2 9 2 k N时， 可听到啪啪声， 结构胶与 型钢接触处出现裂纹； 加载至4 3 8 k N时， 可听到连续啪啪声， 裂纹明显扩展； 加载至8 3 k N时， 粘贴的应变片全部溢出； 加 载至9 3 k N时， 型钢发生较大塑性变形并被拔出， 属胶钢界面 破坏， 观察发现， 这时混凝土没有发生任何破坏。 试件4 ， 加载至7 8 k N时， 可听到啪啪声， 混凝土表面残 留的结构胶出现裂纹； 加载至 1 0 4 k N时， 发出爆裂声； 加载 至 1 3 0 k N时， 型钢被拔出。 这时可观察到除发生胶钢界面破 坏外， 混凝土表面出现裂纹， 属胶钢界面及混凝土破坏。与 试件 l 相比， 二者的破坏模式都是型钢发生颦性变形， 并被 拔出，但是由于试件 l 埋深较浅，混凝土没有发生任何破 1 6 新型建筑材料 2 0 1 3 1 1 坏， 而试件4 埋深较深， 随着型钢拔出， 混凝土表面也发生了 破坏。 试件 8 ， 加载至6 0 k N左右时， 发出啪的一声； 加载至 1 2 0 k N时， 连续发出啪啪声， 接着型钢被拔出， 发生胶钢界面破 坏。这时型钢基本没有发生塑性变形， 混凝土没有任何破坏。 2 3 植钢应变分布 图5 为试件 l 和试件2 的荷载一 应变试验实测曲线。其 中， 应变片1 、 2为一组， 3 、 4为一 组， 5 、 6为一组， 粘贴位置见 图l ， 3 组应变片分别粘贴在型钢锚固段两翼内侧基本同一深 度处。 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 荷载 k N ( a ) 试件 1 0 2 0 4 0 6 0 8 O 1 O 0 荷载 k N ( b ) 试件2 图 5 试件 1 和试件 2的六测点荷载一 应变曲线 从图5 可以看出： 每组应变片的荷载一 应变曲 线基本重合， 这说明型钢种植较好，在拉拔过程中，型钢只发生了拉伸变 形， 基本没有弯曲变形。同时还可以看出， 当型钢受到的拉拔 力逐渐增大时， 锚固深度最浅处的应变片 1 、 2 处的型钢受力 最大， 首先屈服。锚固深度越深的地方， 型钢应变越小， 粘结 力也越小。型钢初始屈服后继续增大拉拔力， 型钢应变继续 增大，屈服区域逐渐向锚固深度较大的地方扩展。由此可 见， 在一定拉拔力下， 植钢应变由浅到深， 应变呈减小趋势， 在植钢锚固最深处， 应变较小。 图5 ( b ) 对应的试件 2 的破坏 模式是型钢断， 由于植钢深度较深， 在拉拔的初始( P 4 0 k N ) 阶段， 应变片5 、 6 处型钢基本没有发生任何变形， 粘结 应力基本为0 ， 这时最深处的型钢锚固段对型钢的锚固作用 甚小。 图5 ( a ) 对应的试件 1 的破坏模式是胶钢界面破坏， 由 于植钢深度较浅， 随着拉拔力的增加， 3 组应变片处的型钢都 瑚 伽 蝴 0 蜘伽 蚕 ； 湖 姗枷 啪 印 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 穆建春， 等： 混凝土中化学植钢的静力拉拔试验研究 发生了不同程度的变形， 在型钢拔出前， 整个型钢都发生了 不同程度的塑性变形。本文试验显示， 即使植钢锚固深度进 一 步加深， 随着拉拔力的增加， 应变片5 、 6处的型钢都会发 生变形。文献【 2 】 表明， 随着拉拔力的增加， 钢筋屈服甚至破坏 时， 锚固深度最大处的钢筋应变仍为0 。 与植筋试验结果 比 较发现，植钢较植筋更易充分发挥整个锚固段粘结力的作 用。 3 植钢拉拔力与位移的关系曲线 图6 、 图7 分别是植钢和植筋锚固拉力与滑移量的关系曲 线， 大量试验表明， 植钢在静力拉拔下的滑移量远远大于植筋 下的滑移量，本文试验对应的植钢最大滑移量约为1 5 0 m m ， 而文献 1 】 中植筋的最大滑移量只有5 m m左右。 从图6 和图7 可以看出， 二者的拉力一 滑移曲线有较大差异。 2 O 0 1 7 5 1 5 0 互 1 2 5 1 0 0 7 5 5 0 25 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 委 1 0 0 8 0 6 0 4 0 20 0 滑移 m m ( b ) 胶钢界面破坏 图 6 植钢拉力一 滑 移曲线 图 7 植筋拉 力一 滑移曲线 植筋拉力一 滑移曲线可分为4 个阶段： 粘结阶段、 粘滞阶 段、 劈裂阶段、 滑移阶段； 植钢拉力一 滑移曲线最多只有 3 个 阶段四 ： 线弹性胶结段、 类强化段、 摩阻段或下降段。二者第一 阶段的曲线发展趋势相同， 均可以称为线弹性胶结阶段( 植筋 的粘结阶段) ； 植钢的类强化段相当于植筋的粘滞阶段及劈裂 阶段的组合。对于植筋来说， 第二阶段发生的原因是： 当拉力 超过钢筋与结构胶或混凝土与结构胶之间的附着粘结力时， 钢筋上部附近胶与界面发生相对位移，胶结区域向锚固深度 方向转移， 但是因为钢筋有肋， 这时的钢筋拉拔力不仅可以通 过胶结区域的胶结力传递到混凝土上，还可以通过失去胶结 力的锚固段的机械摩擦和机械咬合作用传递到混凝土上， 在 这一段上植筋拉拔力的增加不会随着滑移量的增加而减缓， 只会产生一个转折。植筋拉拔试验曲线第三阶段( 劈裂阶段) 产生的原因同样是因为钢筋有肋， 在钢筋向上滑移的同时， 会 引起钢筋周围胶和混凝土的劈裂，使混凝土发生钢筋周围的 锥体破坏。 而对于植钢来说， 当拉力超过型钢与结构胶或混凝 土与结构胶之间的附着粘结力时，型钢上部附近胶与型钢界 面发生相对位移， 胶结区域向锚固深度方向转移， 因为型钢没 有肋( 试验前的刻痕作用不大) ， 所以这时型钢拉拔力主要靠 胶结区的胶结力以及失去胶结力的锚固段的机械摩擦力传递 到混凝土上。因为型钢与结构胶或与混凝土的接触面远远大 于钢筋与结构胶或与混凝土的接触面，所以植钢中机械摩擦 力要比植筋中的大得多。 但因为型钢没有像钢筋那么强的肋， 所以在滑移过程中通常不会发生混凝土劈裂至锥体破坏。故 植钢拉拔试验曲线的第二阶段既不会像植筋粘滞阶段那样 陡， 也不会像植筋劈裂阶段那样平缓。 观察图6 可以发现，植钢的2 种破坏模式下的拉力一 滑 移曲线在第一阶段和第二阶段的交接处均有一个小平台， 在 这一平台区域荷载不变， 随着时间的延长滑移量增加。 这是因 为植钢在拉拔力作用下，锚固段上部胶钢界面破坏的短时间 内应力还无法传递到锚固段下部， 应力来不及重新分布。 这一 ( 下转第 3 4页) NE W BUI L DI NG MATE RI AL S 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 房福贤， 等： 缓释型聚羧酸减水剂的开发与性能研究 发了一种超长缓释型聚羧酸减水剂。通过控制聚合物与水泥 颗粒的吸附速率， 使水化初始时吸附速率慢， 吸附量小， 随时 间的延长吸附量增加， 起到缓释保坍作用。 ( 2 ) 新拌混凝土中， 掺缓释型聚羧酸减水剂H S R的初始 坍落度为1 9 5 m m， 2 h 坍落度为2 0 0 m m ， 坍落度保持性良 好， 保坍性能与国外同类产品相当。 ( 3 ) 在中等坍落度混凝土中， 掺缓释型聚羧酸减水 IJ H S R 的初始坍落度为1 6 0 m i ll ， 1 h 坍落度为2 1 5 m m， 2 h 坍落度为 2 0 5 m m ， 经时坍落度增加显著， 保坍性能超过国外同类产品。 ( 4 ) 缓释型聚羧酸减水剂H S R可以单独使用， 也可以与 通用型聚羧酸外加剂复配使用， 不影响混凝土的凝结时问， 符 合预拌混凝土的使用要求。 参考文献： 1 】 王子 明 聚羧酸系高性 能减 水剂一 制备、 性能与应用【 M】 北京： 中 国建筑工业出版社， 2 0 0 9 f 2 J C o l l e p a r d i M， V a l e n t e MR e e e n t d e v e l o p m e n t i n s u p e r p l a s t i c i z e r s C # 8t h CANME T AC I I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n S u p e r p l a s t i c i z e r s a n d Ot h e r Ch e mi c al Ad mi x t U r e s j n Co n c r e t e Ame r i ( a n Co n c r e t e I n s t i t u t e ， 2 O 06， 2 3 9 ：l 一1 4 3 S c h o b e r I ， F l a t t R J O p t i mi z i n g p o l y c a b o x y l a t e p o l y m e r s C 8 t h CANME T ACI I n t e r n a t i o na l C o n f e r e n c e o n S u p e r p l a s t i c i z e r s a n d Ot h e r Ch e mi c a l Ad mi x t u r e s i n Co n c r e t e Ame r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 2 0 0 6， 2 3 9： 1 6 9 1 8 4 【 4 Ya ma d a K A s u m ma r y o f i m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i c s of c e me n t a n d s u p e r p l a s t i e i z e r C 9 t h C A N ME T A C I I n t e r n a t i o n al C o n f e r e n c e O i l S u p e r p l a s t i c i z e r s a n d Ot h e r Ch e mi c a l Ad mi x t u r e s i n Co n c r e t e Ame r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 2 0 0 9， 2 6 2： 8 5 9 5 5 H o n d a S u s u mu ， H a r a T a d a s i D i s p e r s a n t c o mp o s i t i o n f o r c e me n t h a v i n g e x c e l l e n t p r o p e y i n i n h i b i t i o n o f s l u mp - s l o s s ： US， 5 4 3 2 2 1 2 P 】 1 9 9 5 0 7 1 1 6 】 刘勇 聚丙烯酸 高效减水 剂构效关系及吸附一 分 散作用【 D 】 武汉 ： 武 汉理工大 学， 2 0 0 8 7 赵婷婷 ， 王玲 ， 窦琳， 等 聚羧酸盐减水剂与水泥 的吸附性 能研 究 J J 新型建筑材料 ， 2 0 1 1 ， 3 8 ( 1 ) ： 5 7 5 9 8 H i r a t a T s u y o s h i ， Y u a s a T s u t o mu C e me n t c o mp o s i t i o n ： US ， 5 9 2 5 1 8 4 P I 1 9 9 9 0 7 2 0 A ( 上接 第 l 7页) 点在植筋中不存在， 因为植筋中钢筋有较强的肋， 当植筋锚固 端上部发生胶钢界面或胶混凝土界面破坏时，外界施加的拉 拔力完全可以通过机械摩擦力和机械咬合力传递。 植钢中的摩阻段相当于植筋中的滑移段。摩阻段产生的 原因主要是因为植钢深度不够，使得施加的极限拉拔力小于 型钢的极限荷载，这时对应型钢被拔出。摩阻段没有滑移段 陡， 是因为型钢与混凝土接触面大， 摩擦力较植筋大得多的原 因。 摩阻段与类强化段交接处有 1 个明显的荷载降， 是由于胶 结力突然完全丧失造成的。 4 结论 ( 1 ) 与植筋一样， 当植钢深度足够深， 混凝土强度也足够 时， 型钢能有效地锚固在混凝土中， 也即型钢被拔出时， 型钢 的锚固抗拉拔力超过了型钢抗拉强度，由此可知植钢是一种 可行的建筑物后加固技术。 ( 2 ) 植钢锚固段对植钢的锚固作用发挥比植筋锚固技术充 分。 ( 3 ) 静力拉拔下植钢有3 种破坏模式： 胶钢界面破坏， 胶 钢界面、 混凝土同时破坏， 型钢断。 3 4 新型建筑材料 2 0 1 3 1 1 ( 4 ) 拉拔力一 滑移曲线可以分为3 段： 线弹性胶结段、 类 强化段、 摩阻段( 下降段) 。 通过上述试验可知，化学植钢技术与化学植筋技术都可 以作为建筑物的后锚固技术。 比较二者， 植筋技术施工较植钢 技术简单， 主要体现在打孔上， 植筋技术可以用电钻直接打出 圆孔， 而植钢技术对于不同的型钢需要打不同样的孔， 这就大 大增加了施工难度。 但是另一方面， 植钢技术的问世不仅解决 了所需种植钢筋数量很多，在需加固构件上不能植入计算所 需钢筋数的问题，而且该技术还可充分发挥型钢截面特性的 优点， 为大跨度建筑物的有效加固奠定了基础。 参考文献： 1 】 张建荣， 石丽忠， 杨建华 ， 等 混凝土化 学植筋 锚固性能的试验研 究 J 建筑结构， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 1 7 2 1 【 2 】 文 国想 ， 程才渊 植筋及植筋混凝土梁力学性 能的试验研 究 J 】 佳 木斯大学学报： 自然科学版， 2 0 1 l ( 9 ) ： 6 6 7 - 6 7 2 3 习会峰 ， 穆 建春 ， 吴永 河 植钢锚 固技术破坏 机理及粘 结滑移本 构关系 的试验研究I J 1 混凝土 与水泥制 品， 2 0 1 3 ( 6 ) ： 5 4 5 7 A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m