無機膠植筋構件粘結滑移性能研究

謝 群，趙永強，唐仕霖

（濟南大學土木建筑學院，山東 濟南 250022）

植筋是目前廣泛應用于結構加固改造的技術，該技術采用的粘結劑通常分為無機膠和有機膠兩種，后者以環氧樹脂為主要成分，具有施工便捷、粘結可靠等優勢，但其正常工作溫度范圍僅限于-10℃～40℃，在超出該溫度范圍的使用環境下粘結性能會顯著下降而導致連接失效[1]．為解決上述問題，近年來以水泥基材料為主要成分的無機膠以耐火(高溫)、耐久性好受到了較多關注，我國已有無機膠植筋構件的標準規范《混凝土結構工程無機材料后錨固技術規程》(JGJ/T271-2012)．目前無機膠已應用在植筋加固和碳纖維加固等領域，且鄭州大學劉立新、湖南大學趙洪波、山東建筑大學李安起等諸位學者先后對水泥基無機膠植筋構件進行靜力拉伸試驗等研究，研究結果表明水泥基無機膠植筋構件的平均粘結強度和拉拔力均較高,可以滿足建筑物的加固改造要求[2-5]．山東建筑大學張鑫教授采用無機膠粘貼碳纖維加固梁，并對其受彎和受剪性能進行研究，結果表明無機膠的粘結性能能夠滿足使用要求[6]．王欣進一步研究了無機膠植筋柱的高溫性能[7-8]．目前的研究成果為無機膠植筋技術提供了有力的理論支持，但對于無機膠粘結應力分布特別是粘結滑移本構模型尚缺乏深入分析，而且粘結應力沿錨固長度是不均勻分布的，若要準確掌握粘結性能，上述模型至關重要，而且粘結滑移是進行其它理論分析的基礎，因此本文將通過一系列靜力拉伸試驗，并結合有限元數值模擬，建立無機膠粘結滑移模型，為更加安全有效地使用該材料提供技術支持．

1 實驗研究

用于拉伸試驗的混凝土設計強度等級為C40，實測混凝土抗壓強度為46.4 MPa．無機膠采用氯氧鎂水泥基材料(MOC)，植入鋼筋采用HRB400級鋼筋，直徑12 mm，分為兩種具有代表性的錨固長度10 d和15 d(120 mm和180 mm)，按照埋深不同將試件分為2組，每組試件2個．為防止局部擠壓的影響，在混凝土基材制作時加載端放置 50 mm長PVC管以形成無粘結區．試件尺寸見圖1．

圖1 試件的尺寸Fig.1 Specimen information

為掌握沿埋深不同位置的粘結應力分布情況，預先將鋼筋沿軸線一分為二，將劈開的鋼筋開槽，每部分鋼筋凹槽尺寸為 3 mm×6 mm,合攏后成為6 mm×6 mm空腔，在槽內粘貼箔式電阻應變片，見圖2(a)，每根鋼筋內設置5個應變片，10 d試件應變片間距30mm，15d試件應變片間距45 mm，鋼筋應變片從加載端到自由端編號依次為1、2、3、4、5，將導線引出后采用環氧樹脂膠將兩部分鋼筋粘接合攏并用鋼絲箍緊以保證兩部分鋼筋可靠連接，如圖2(b)所示．鋼筋應變片布置見圖3．

圖2 鋼筋加工貼片Fig.2 Reinforcement processing

圖3 應變片布置圖Fig.3 Strain gauges layout

試件植筋養護完成后，在電液伺服試驗機上進行拉伸試驗，如圖4所示．采用分級加載，以2KN為一級，每級荷載保持5min．加載初期臨近加載端的鋼筋應變基本呈比例發展，加載端位移很小，隨著荷載的增加，加載端的鋼筋應變較其它位置增長明顯要快，兩種埋深情況下均是加載端鋼筋先達到屈服，此時的加載端位移仍很小，繼續加載，直到臨近破壞前試件表面均未發現開裂，鋼筋出現屈服后承載力還可增加，此時鋼筋其它位置處的應變逐漸加大，加載端位移發展較快，至極限荷載時發生鋼筋拉斷，最終破壞照片見圖 5．主要試驗結果見表1．

圖4 加載裝置圖Fig.4 Loading setup

表1 主要試驗結果Tab.1 Experimental results

圖6為兩種埋深下拉力-加載端位移曲線，可以看出各曲線的發展規律較為接近，在荷載達到50kN前基本呈線性發展，此時加載端鋼筋先達到屈服，隨后承載力增長明顯放緩，而位移發展加快，兩種埋深情況下最終均由鋼筋拉伸破壞控制，粘結性能能夠滿足設計要求．

圖5 試件破壞照片Fig.5 Failure pictures

兩種埋深下鋼筋應變沿埋深的變化情況見圖 7，距離加載端越近，鋼筋應變越大，隨著荷載的加大，應變沿埋深方向的分布也由直線變為曲線，10 d埋深下曲線化分布特性更為明顯．通過量測的鋼筋應變差值可得到粘結應力分布如圖8所示，無機膠粘結應力并非均勻分布，表現為中間部位粘結應力較高，而兩端相對較小，最大值出現在距離加載端0.25l～0.3l處(l為鋼筋埋深)．10 d時最大粘結應力較15 d要大，因為承載力由鋼筋強度控制，10 d時埋深相對較小，相同拉力情況下必然要增大粘結強度．而且隨著埋深的增加，最大粘結應力的位置也逐漸向鋼筋中部轉移．

圖6 力-加載端位移曲線Fig.6 Force-loaded-end displacement curves

圖7 鋼筋應變沿錨固長度分布Fig.7 Rebar strains distribution along embedment depth

圖8 粘結應力分布圖Fig.8 Bond stress distribution

2 理論分析

通過上述試驗發現，無機膠粘結應力沿埋深并非均勻分布，如要準確掌握某滑移量下任一位置的粘結應力τ，需要綜合考慮位置函數和粘結滑移模型，其通用表達如下式所示[9-12]：

式中： f1(s)為粘結應力-滑移關系； f2(x)為位置函數，同濟大學張建榮提出了有機膠植筋構件的位置函數表達式如下[13]：

在上述研究成果基礎上結合本次試驗數據對其進行修正，得到無機膠粘結滑移模型如式(3)所示，位置函數仍采用式(2)．

3 有限元分析

為進一步了解無機膠植筋構件的粘結性能，采用ABAQUS軟件對植筋試件進行了粘結性能模擬分析，采用實體單元模擬混凝土基材和植入鋼筋，無機膠的粘結作用采用非線性彈簧單元模擬[14-16]，材料性能與模型尺寸與試驗相同，有限元模型見圖9，采用位移控制加載．試驗和數值模擬得到的承載力和破壞形式對比如下表 2，表中試驗承載力取兩個試件的平均值．

圖9 有限元模型Fig.9 FE model

兩種埋深下的力-滑移曲線如圖10所示，10 d時峰值承載力為52 kN，峰值位移為2.0 mm；15 d時峰值承載力為57.5 kN，峰值位移2.3 mm，兩種情況下鋼筋均能達到屈服，表現為鋼筋延性破壞，與試驗結果吻合，說明有限元模型具有良好適用性．

圖11所示為不同滑移量下鋼筋應力沿埋深的分布，與試驗結果相似，鋼筋最大應力出現在加載端臨近混凝土基材表面，由加載端到自由端逐漸減小，而且隨著滑移量加大，加載端鋼筋應力增長明顯快于其它位置，鋼筋應力曲線斜率逐漸增大，靠近自由端的鋼筋應力變化很小．兩種埋深下鋼筋均可達到屈服，屬于鋼材延性破壞．在數值模型中采用修正后的粘結本構關系式(3)，以荷載為25kN時得到的粘結應力分布為例，將有限元模擬結果與試驗數據對比見圖12，兩種埋深下有限元模擬結果與試驗較為吻合，而且模擬結果低于試驗值，具有較好的安全儲備．

表2 試驗結果和數值模擬對比Tab.2 Comparisons of experimental data and numerical results

圖10 不同埋深下的力-位移曲線Fig.10 Force-displacement curves under different embedment depth

圖11 鋼筋應力沿埋深分布Fig.11 Rebar stress distribution along embedment depth

圖12 粘結應力分布對比Fig.12 Comparison of bond stress

4 結論

本文對無機膠植筋構件的粘結性能進行研究，通過試驗和數值模擬相結合的方式，重點分析了不同埋深情況下粘結應力沿埋深的變化規律，在現有的研究成果基礎上，提出了基于位置函數的無機膠植筋構件粘結滑移本構模型，最后通過有限元分析進一步完善驗證了理論模型的可行性，結論如下：

(1)粘結應力沿埋深的分布是不均勻的，最大粘結應力出現在距離加載端0.25～0.3l位置處．

(2)10 d和15 d兩種埋深情況下破壞過程相似，均為鋼筋先達到屈服，最終破壞形態為鋼筋拉斷，同時出現較大的鋼筋滑移．

(3)在現有粘結滑移本構理論的基礎上，依據試驗結果進行修正，考慮了粘結應力與滑移的關系以及位置函數的影響，經有限元模擬對比該修正后的模型可作為無機膠粘結分析的依據．

References

[1] SALIH Yilmaz, MUHAMMET Ali Ozen, YAVUZ Yardim. Tensile behavior of post-installed chemical anchors embedded to low strength concrete[J].Construction and Building Materials, 2013,47: 861-866.

[2]劉立新.許化彬.甘元初.等.水泥基無機黏結材料植筋承載力的試驗研究[J].鄭州大學學報：工學版,2006,27(1):5-8.LIU Lixin, XU Huabin, GAN Yuanchu, et al. Experimental investigation of the bonded rebar bearing capacity of cement based inorganic anchoring material[J]. Journal of Zhengzhou University: Engineering Science,2006,27(1):5-8.

[3] 趙洪波. 無機植筋技術研究[D].長沙: 湖南大學,2006.ZHAO Hongbo. Study on bonded-in reinforcement with inorganic adhesive[D].Changsha:Hunan University,2006.

[4] 張世濤.混凝土結構水泥基(MOC)無機膠植筋試驗研究[D].濟南:山東建筑大學,2013.ZHANG Shitao. Experimental study on bonded-in rebar in concrete with cement-based (MOC) adhesive[D]. Jinan:Shandong Jianzhu University, 2013.

[5] QIAN Jueshi, YOU Chao, WANG Qingshen. A methods for assessing bond performance of cement-based repair materials. Construction and Building Materials, 2014(68):307-313.

[6] 張婷婷.無機膠粘貼碳纖維布加固鋼筋混凝土梁高溫性能的試驗研究[D].濟南:山東建筑大學,2011.ZHANG Tingting. Experimental study on high temperature behavior of RC beams strengthened with carbon fiber reinforced polymer[D]. Jinan: Shandong Jianzhu University, 2011.

[7] 姜長玖.無機膠植筋式后錨固連接的抗火性能研究[D].濟南:山東建筑大學,2013.JIANG Changjiu. Experimental study on fire behavior of the post-installed rebar anchorage with inorganic adhesive[D]. Jinan: Shandong Jianzhu University, 2013.

[8] 王欣.無機膠植筋式后錨固連接的抗火性能研究[J].四川大學學報: 工程科學板,2013,45(4):27-33.WANG Xin, JIANG Changjiu, HUI Shoujiang, et al. Fire resistance behavior of the inorganically post-installed rebar connection[J]. Journal of Sichuan University: Engineering Science Edition, 2013,45(4):27-33.

[9] 徐有鄰, 沈文都, 汪洪. 鋼筋混凝土黏結錨固性能的試驗研究[J]. 建筑結構學報,1994,15(3): 45-47.XU Youlin, SHEN Wendu, WANG Hong. An experimental study of bond-anchorage properties of bars in concrete[J].Journal of Building Structures, 1994, 15(3):45-47.

[10] 趙羽習, 金偉良. 鋼筋與混凝土粘結本構關系的試驗研究[J]. 建筑結構學報,2002(2): 32-37.ZHAO Yuxi, JIN Weiliang. Experimental study on bond-slip performance of concrete and steel bar[J]. Journal of Building Structures, 2002(2): 32-37.

[11] 王玉新. 反復荷載作用下銹蝕鋼筋與混凝土粘結滑移研究[D]. 鄭州: 華北水利水電大學,2014.WANG Yuxin. Bond-slip behavior of corrosion reinforcement in concrete under cyclic loading[D]. Zhengzhou: North China University of Water Resources and Electric Power, 2014.

[12] 肖小瓊. 銹蝕鋼筋混凝土粘結性能試驗研究[D].長沙:中南大學,2011.XIAO Xiaoqiong, Experimental study on the bond performance of corroded reinforcenet in concrete[D].Changsha: Central Sourth University, 2011.

[13] 張建榮. 混凝土化學植筋錨固性能的試驗研究[J].建筑結構,2006,36(3):17-21.ZHANG Jianrong, SHI Lizhong, YANG Jianhua, et al.Experimental research on the behavior of chemical adhesive steel bar in concrete under tensile load[J]. Building Structure, 2006,36(3):17-21.

[14] GERARDO M.Verderame, PAOLO Ricci, GIOVANNI De Carlo, et al. Cyclid bond behavior of plain.Part I:Experimental investigation. Construction and Building Materials, 2009 (23):3499-3511.

[15] LUIS A.M.Mendes, LUIS M.S.S.Castro. A new RC bond model suitable for three-dimensional cyclic analyses.Computers and Structures, 2013,12:47-64.

[16] 張川, 譚璐. 錨固鋼筋粘結-滑移性能的滯回模型[J].建筑科學與工程學報,2011,28(3):93-100.ZHANG Chuan, TAN Lu. Bond-slip hysteretic model of rebar[J]. Journal of Architecture Science and Engineering,2011,28(3): 93-100.