花崗巖石材植筋錨固性能試驗

鄭奕鵬，郭子雄，柴振嶺，葉勇

（華僑大學 土木工程學院，福建 廈門361021）

我國東南沿海地區存在著大量石結構房屋，這些獨具特色的石結構房屋多數采用了石板樓蓋.石板樓蓋不僅存在材料脆性的問題［1］，同時也有整體性差和支撐長度不足等抗震薄弱環節，是當前石結構抗震加固改造的重點與難點.本課題組擬通過在石樓板與石墻搭接處增設內圈梁，以此來增加石樓板的支撐長度和整體性［2］.內圈梁通過后錨固植筋技術，將鋼筋植入石墻內，通過鋼筋的拉力以及混凝土與石墻之間的界面作用力將樓板荷載傳遞到石墻上.花崗巖和鋼筋作為兩種不同的建筑材料，二者的植筋錨固性能是內圈梁發揮作用的前提條件.國內外植筋錨固技術已經開展了大量研究，但主要研究集中在鋼筋混凝土結構［3-10］.關于石結構的植筋錨固技術，至今仍未見相關的研究報道.為研究花崗巖石材內植入鋼筋的粘結錨固性能，以便為石結構的植筋錨固及相關加固應用提供依據，本文花崗巖石材植筋錨固性能試驗.

1 試驗概況

1.1 試驗設計及制作

試驗使用的石材為福建省地產花崗巖粗料石，條石尺寸為400 mm×200 mm×200 mm.花崗巖石材立方體及圓柱體單軸抗壓強度平均值分別為128.5，101.8 MPa，劈裂抗拉強度為8.3 MPa，彈性模量為50.55 GPa.鋼筋材料性能如表1所示.表1中：Fy為屈服力；fy為屈服強度；fu為極限強度；E為彈性模量.試驗使用的植筋膠為SF-100環氧型植筋膠和RM-Z水泥基植筋膠.SF-100環氧型植筋膠抗剪強度為60 MPa，RMZ水泥基植筋膠立方體試塊28天單軸抗壓強度為57.8 MPa.

試驗共制作10組試件，每組3個相同參數試件，共30個試件.試件主要尺寸如圖1所示.試驗重點研究鋼筋的最小錨固長度，并考察錨固長度、植筋膠種類、鋼筋表面特征對錨固性能的影響.主要研究參數如表2所示.表2中：la為錨固長度；E為環氧型植筋膠；C為水泥基植筋膠；R為帶肋鋼筋；P為光圓鋼筋.同時為了減少試驗誤差，每組試件的3根植入鋼筋均在同一條石材的同一個面上鉆孔植入，盡量避免因花崗巖石材的離散性而影響試驗結果.試件制作完成后，由于粗料石表面平整度較差，為了便于加載時荷載的均勻傳遞，在加載面澆筑一層約10 mm厚的自流平砂漿找平層.

表1 鋼筋材料性能Tab.1 Mechanical properties of steel bar

圖1 試件特征（單位：mm）Fig.1 Dimension of specimens（unit：mm）

表2 試件參數Tab.2 Parameters of specimens

1.2 加載制度及測量方案

試驗加載裝置如圖2所示.采用300 k N穿孔液壓千斤頂加載，并通過壓力傳感器量測拉拔荷載，用位移計量測加載端位移，加載端位移主要包括錨固段外鋼筋受拉變形和錨固段的滑移.加載過程中，荷載與加載端位移由DH3816靜態應變采集測試系統進行連續采集，采集間隔時間為3 s.每級荷載施加1 k N，加載速度約為1 k N·min-1，每級荷載持荷1 min.加載中，一旦發生加載端滑移量超過錨固長度一半或鋼筋拉斷，即停止加載.

圖2 加載裝置Fig.2 Test setup

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態分析

試驗的主要破壞形態有3種模式：1）鋼筋錨固失效（S1）；2）膠體滑移（S2）；3）鋼筋拉斷（P）.

1）鋼筋錨固失效（S1）.主要指植筋膠與鋼筋界面粘結失效并滑移，其破壞形態如圖3（a）所示.將試驗中鋼筋的極限荷載與材性試驗時鋼筋的屈服荷載的比值定義為ζ.當ζ大于1時，鋼筋達到屈服；當ζ小于1時，鋼筋未達到屈服.因此，該破壞模式包括以下2種情況.第1種情況為鋼筋達到屈服強度后，在鋼筋強化過程中發生粘結滑移.如試件 E-6-R-5-1，E-6-R-5-3，E-6-P-5-2，E-6-P-5-3，E-8-P-5-1，E-8-P-5-3和E-6-R-3-（1～3）皆為該破壞情況.該類試件均采用環氧型植筋膠，膠體具有較高的粘結強度.第2種情況為鋼筋未達到屈服強度，該試件已發生粘結滑移現象.如試件C-6-P-5-（1～3），C-8-P-5-（1～3），C-6-P-10-（1～3）和C-8-P-10-（1～3），該類試件均采用水泥基植筋膠，該植筋膠具有較高抗壓強度，但粘結強度較低.發生該類破壞形態時，整個破壞過程較為緩慢，荷載隨著鋼筋滑移逐漸減小.當荷載低于最大荷載的一半時，結束試驗.

2）膠體滑移（S2）.該破壞形態是指鋼筋被拔起，并將植筋膠帶起，花崗巖與植筋膠之間為發生粘結滑移，破壞形態如圖3（b）所示.這種破壞形態主要發生在鋼筋帶肋且植筋膠粘結強度較高，且鋼筋直徑較大，如試件E-8-R-3-（1～3）.在整個加載過程中，荷載不斷增大，當達到破壞荷載時，植筋膠與花崗巖之間的界面粘結失效，鋼筋帶著植筋膠拔起，表面局部找平層砂漿被壓碎.

3）鋼筋拉斷（P）.該破壞形態是指試驗過程中鋼筋未滑移直接拉斷，破壞形態如圖3（c）所示.這種破壞形態發生在鋼筋帶肋和植筋膠粘結強度較高，且錨固長度較長時.如試件E-6-R-5-2，E-8-R-5-（1～3），加載過程中未出現明顯的粘結滑移，當荷載超過鋼筋極限拉力后，鋼筋被拉斷.整個破壞過程較為緩慢鋼筋逐漸被拉長，并出現頸縮現象和鋼筋斷裂.

圖3 典型破壞形態Fig.3 Typical failure modes

2.2 粘結強度及影響因素分析

2.2.1 粘結強度-滑移關系 由于錨固長度較小，假設粘結應力沿鋼筋錨固長度均勻分布，將鋼筋的粘結強度定義為錨固長度內粘結應力的平均值.各試件粘結強度τ為拉拔力F與實際粘結面積S的比值，即

式（1）中：τ為鋼筋粘結強度；F為鋼筋拉拔力；d為鋼筋直徑；la為鋼筋錨固長度.

試驗過程中，鋼筋的滑移值s取為試件加載端位移Δ與鋼筋變形δ的差值，即

若試件滑移過程中，鋼筋屈服、鋼筋變形值δ取為同批鋼筋材性試驗時，三根鋼筋相同拉伸長度相同荷載下，鋼筋的實際變形值平均值.若試件滑移過程中，鋼筋未屈服，鋼筋變形值取為δ，即

式（3）中：δ為鋼筋變形值；F為鋼筋的拉拔力；E為鋼筋彈性模量；A為鋼筋截面面積；L為未錨固段長度.由式（1）～（3）可以得到滑移試件粘結強度-滑移關系曲線，如圖4所示.

圖4 粘結滑移關系曲線Fig 4 Relationship of bond and slip

2.2.2 影響因素分析 通過試件的極限粘結強度平均值以及試件粘結滑移曲線可知：鋼筋強度、植筋膠種類和錨固長度等因素對鋼筋與花崗巖的粘結強度具有一定的影響.試驗的主要結果如表3所示.表3中：Fu為試驗極限荷載；ζ為試驗極限荷載與鋼筋材性試驗屈服荷載的比值；試件編號最后一列表示同組試件的編號；τmax為平均粘結強度最大值；τmax，ave為同組試件最大粘結強度平均值.

1）錨固長度的影響如圖4（a）所示.采用相同強度鋼筋和相同植筋膠的情況下，鋼筋的錨固長度越長，試件的粘結強度越低.試件C-8-P-5和試件C-8-P-10均發生粘結滑移.試件 C-8-P-5的粘結滑移曲線始終在試件C-8-P-10的粘結滑移曲線上方.由表3可知：C-8-P-5的極限粘結強度平均值是試件C-8-P-10的極限粘結強度平均值的1.39倍.主要原因在于：鋼筋粘結應力沿錨固長度呈非線性分布，隨錨固深度的增加而逐漸減小.

表3 試驗結果Tab.3 Test results

2）植筋膠種類的影響如圖4（b）所示.在鋼筋強度和錨固長度相同的情況下，采用環氧型植筋膠的試件，其粘結強度比采用水泥基植筋膠的試件的粘結強度高.試件E-8-P-5的粘結強度始終比試件C-8-P-5的粘結強度高，并且前者的極限粘結強度平均值是后者的極限粘結強度平均值的1.90倍.因此，在進行鋼筋植入花崗巖石材中錨固時，應采用粘結強度更高的環氧型植筋膠.

3）鋼筋表面特征的影響如圖4（c）所示.對比試件E-6-R-5與試件E-6-P-5可以發現，在相同植筋膠和錨固長度的情況下，采用帶肋鋼筋比采用光圓鋼筋的具有更高的粘結強度.同時由表3可知：試件E-6-R-5的極限粘結強度平均值相對試件E-6-P-5提高了5%，試件 E-8-R-5的極限粘結強度平均值相對試件E-8-P-5提高了67%.鋼筋表面特征對粘結強度有一定的影響，采用帶肋鋼筋可以提高試件的粘結強度.

2.3 最小錨固長度的確定

ζ為試驗極限荷載與鋼筋材性試驗屈服荷載的比值.當ζ大于1時，表明鋼筋在滑移前已經達到屈服強度，因此認為試件的錨固長度滿足要求；而當ζ小于1時，則鋼筋滑移前鋼筋未達到屈服強度.由表3可知：采用環氧型植筋膠對帶肋鋼筋進行錨固時，錨固長度為3d的試件，不能保證ζ大于1；而錨固長度為5d的試件（E-6-R-5（1～3）和E-8-R-5（1～3）），其ζ值均大于1.這表明：采用環氧型植筋膠對變形鋼筋進行植筋時，錨固長度為5d可以滿足試件的錨固要求.但同樣錨固長度的光圓鋼筋（試件E-6-P-5（1～3）和E-8-P-5（1～3）），平均ζ值均比帶肋鋼筋的值小，且在6個試件中有2個試件的ζ值（0.92和0.95）小于1，相差不大.當采用水泥基植筋膠進行花崗巖上光圓鋼筋的植筋錨固時，錨固長度10d的兩組試件C-6-P-10（1～3）和C-8-P-10（1～3）的ζ值均小于1.可見，水泥基植筋膠的錨固性能明顯劣于環氧型植筋膠，若需采用高粘聚力的水泥基植筋膠，應適當增加錨固長度.對水泥基植筋膠進行帶肋鋼筋植筋錨固性能和最小錨固長度取值，仍有待進一步研究.

鑒于鋼筋具有較長的強化段，工程運用中可以適當利用鋼筋的強化段，提高鋼筋強度利用率.一般光圓鋼筋為碳素鋼，強屈比為1.54～1.67；一般帶肋鋼筋為低碳合金鋼，強屈比為1.33～1.54.將試驗臨界錨固長度與鋼筋的強屈比的乘積定義為最小錨固長度.采用環氧型植筋膠進行花崗巖上光圓鋼筋的植筋錨固時，臨界錨固長度取為6d，最小錨固長度為9.24d～10.02d，取10d.進行花崗巖上帶肋鋼筋的植筋時，臨界錨固長度為5d，最小錨固長度為6.65d～7.25d，取7d.因此，工程中采用環氧型植筋膠進行植筋時，對于帶肋鋼筋，建議的最小錨固長度為7d.對于光圓鋼筋，可適當增加錨固長度，建議最小錨固長度取10d.

3 結論

由花崗巖石材植筋錨固拉拔試驗可得出以下3點結論.

1）鋼筋與花崗巖石材的粘結強度隨鋼筋的錨固長度的增大而減小.采用帶肋鋼筋能夠在一定程度上提高錨固鋼筋的粘結強度.

2）環氧型植筋膠的粘結性能明顯優于水泥基植筋膠的粘結性能，進行花崗巖石材的植筋錨固時，優先采用環氧型植筋膠.若需采用高粘聚力的水泥基植筋膠時，應適當增加錨固長度.

3）采用環氧型植筋膠進行花崗巖上的帶肋鋼筋植筋錨固時，建議工程應用的最小錨固長度為7d.進行花崗巖上光圓鋼筋植筋錨固時，建議工程應用的最小錨固長度為10d.

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