混凝土結(jié)構(gòu)加大截面加固水泥基灌漿混合料抗壓強度的現(xiàn)場實體試驗研究

尹萌萌

（淄博職業(yè)學院建筑工程學院，淄博255314）

0 引 言

整體混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與各組件之間具備聯(lián)合效應(yīng)，且安全結(jié)構(gòu)系統(tǒng)需要層層防御，在這當中各組件的重要性不盡相同［1］。梁一旦落下柱子即存在倒下的可能，而柱子一旦倒下梁就必然會落下［2］。以往的地震災(zāi)害顯示地震時的建筑結(jié)構(gòu)崩塌和破壞一般都由于柱子遭受到損壞而引起［3］。最常用的柱體加固方式為增加截面法，采用被鑿毛的柱子表面以去除柱子角，但這種方式除了建設(shè)效率慢、伴有大量的灰塵外，激烈振動還會損傷鋼筋，并造成混凝土內(nèi)部損傷的擴大化［4］。因此，在確保建筑構(gòu)造物的安全性前提下，需要提出一種有利于生態(tài)環(huán)境的經(jīng)濟性接合表面處理方法。為了研究各種結(jié)合表面處理方法對結(jié)構(gòu)力學性能的影響，本研究將核心柱體的外部面分為三類研究參數(shù)，具體為未經(jīng)過處置、鑿毛和黏貼鋼絲網(wǎng)格處理，并對3 根以水泥灌漿料為基礎(chǔ)強化的柱狀試驗件進行軸向壓力測試。

1 研究試件的設(shè)計制作

試樣材料接合面的力傳遞效果直接影響擴大截面法加固后的材料性能［5］。為了調(diào)查結(jié)合表面處理方法給柱體的機械特性帶來的影響，制造了3 個以水泥灌漿料為基礎(chǔ)強化的柱狀試驗件。具體設(shè)計參數(shù)如表1 所示，三個核心柱體的外部面處置方法分別是表面不處理、鑿毛和黏貼鋼絲網(wǎng)。為了強化突出表面處理方式對受力性能的影響，本研究減少了柱子中鋼筋的比例。核心柱體和水泥灌漿材料增強的一部分柱體都配備有48 個縱肋條，柱體端部邊緣的箍筋是3根φ6@30，非加密領(lǐng)域的箍筋是φ6@100。

2 加固試驗的測試步驟

經(jīng)過水泥基灌漿加固的柱子，各種材料的強度協(xié)作水平，都會致使應(yīng)力情況變得非常復(fù)雜［7］。柱體強化固定最為理想化的情況是在柱子的支撐力到達其極限的時候，各種材料也都在自身的強度范圍之內(nèi)達到了最高的數(shù)值強度［8］。為了研究水泥基灌漿材料強化實施后柱體的形變特性以及不同材料的協(xié)作能力，本測試研究軸向載荷下加固柱的橫向以及縱向量變、極端工況下的支撐能力等，以及連續(xù)負荷時強化柱的形變特性與損壞特性。

表1 試驗件的具體參數(shù)Table 1 Specific parameters of test pieces

圖1 核心柱體及增強柱體的設(shè)計圖（單位：mm）Fig.1 Design drawing of core column and reinforced column（Unit：mm）

2.1 應(yīng)變測量步驟

使用水泥基灌漿材料作為增強材料可以最大限度地利用水泥基灌漿材料的高水平抗壓特性［9-10］。經(jīng)過強化后的水泥基灌漿材料在其抗壓水平方面是否有所提升，并且在運用過程當中是否能夠最大程度地發(fā)揮效用，取決于水泥基灌漿材料的應(yīng)變情況。為此，應(yīng)變儀要靠近柱體自身的中央，同時，為了判斷接合面的連接成效，判斷相對滑動位移情況是否出現(xiàn)，應(yīng)變儀必須在核心柱體和增強部件之間的接合面上，如圖2所示。

圖2 柱體表面應(yīng)變量配置（單位：mm）Fig.2 Strain gauge configuration of cylinder surface（Unit：mm）

2.2 電阻應(yīng)變片的布置

根據(jù)圖3 顯示，為了研究這種情況下的鋼筋是否屈服，以及各鋼筋的變化和各柱體之間支撐力的關(guān)系，將標準距離2 mm的電阻應(yīng)變片配置在核心柱體和水泥基灌漿材料的增強區(qū)域中。ZZY代表縱向柱體的應(yīng)變量片，ZGY 代表柱體箍筋應(yīng)變量片。

圖3 增強柱體應(yīng)變片的布局（單位：mm）Fig.3 Layout of cylinder reinforced strain gauge strain gauge layont of strengthenedcylinder（Unit：mm）

2.3 位移測量儀的布置

軸方向的壓縮應(yīng)力會引起加固柱體的壓縮形變，垂直拉伸應(yīng)力會引起加固柱的膨脹變形。柱體壓縮變量反映了負載進程中柱體塑性進展，膨脹量反映了柱體的拉伸容量，還可以更加明顯地反映由于負荷時的滑動而導(dǎo)致的加固接合面的脫離程度，并可以此對比不同接合面的強化成效。為了避免相位計之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)影響，在柱體的上部到10 mm 距離配置2 個相位計，用以測量柱體的垂直壓縮位移，在柱子的中央部位4 邊側(cè)配置4個位移測量計，具體配置情況如圖4所示。壓縮與膨脹狀態(tài)下的位移計算公式如下：

式中：ΔLx代表相位計所測量出來的X數(shù)值；ΔH表示柱體在壓縮條件下的位移情況；δ1表示柱體在膨脹條件下的位移情況。

圖4 柱試件位移計的配置（單位：mm）Fig.4 Displacement meter layout of spelimen（Unit：mm）

2.4 試驗測試步驟

測試使用單軸負荷法，研究軸向載荷條件下加固柱的力學性能。

2.4.1 測試裝載裝置

鋼筋混凝柱體的負荷范圍是0～5 000 kN，在三軸應(yīng)力試驗機中精準施加壓力，具體情況如圖5所示。

圖5 柱軸壓加載裝置Fig.5 Column axial pressure loading device

2.4.2 試驗加載步驟

柱體的試驗負荷按照最大壓縮負荷的20%逐級遞增，直至加載到裂縫負荷的60%，在負荷保持階段測量裂縫的寬度及發(fā)展方向，直到載荷無法增加為止。

2.4.3 試驗破壞特征

三根強化柱體的破損特性不像理論上所講述的那樣是從柱體中央呈現(xiàn)燈籠狀破損，而是柱體中央部和柱體上部最出現(xiàn)裂縫。其主要原因是加工誤差導(dǎo)致。在負荷的初期階段，強化柱體的試驗件整體承受軸方向的壓力，隨著荷重達到最終支持力水平的50%，“吱吱”的聲音從試驗片的內(nèi)部向外界傳出，表示柱體的不同材料變形開始不一致，同時微裂紋逐漸增大。由于水泥基灌漿材料和混凝土彈性率的不同，接合面產(chǎn)生了剪切應(yīng)力，當結(jié)合力度比剪切應(yīng)力小的時候，在混凝土和水泥基灌漿材料的黏合面發(fā)生滑動。當負荷增加到極端支持力的70%的時候，柱體中央上部的水泥基灌漿材料的微小裂縫開始增加，出現(xiàn)垂直裂縫。如果負荷持續(xù)的增長的話，垂直裂縫的數(shù)量也會持續(xù)增加。

柱體上面水泥基底灌漿材料的一部分開始小范圍破碎，橫向裂縫開始產(chǎn)生，柱子上水泥底層灌漿材料的強化層和核心柱體在很大程度上完全分離，水泥基灌漿材料梯度強化形成了薄壁的“口”形狀，水泥基灌漿材料受到了不穩(wěn)定損傷。在極限負荷鄰近區(qū)域，水泥基層灌漿材料和混凝土開始進入塑性變形，裂縫呈現(xiàn)擴大化趨勢，由于混凝土橫向沒有約束力，發(fā)生較大的變形，從而產(chǎn)生大的“卸載”現(xiàn)象。柱體試驗件瞬時達到最大耐力，同時還有“嘭”的爆炸聲響起。柱體上部的水泥基灌漿材料徹底進入可塑性階段，進而大面積被撕裂，柱體遭受損傷，試驗件的耐力大幅度降低。

3 試驗應(yīng)變分析

3.1 水泥基灌漿料應(yīng)變

根據(jù)圖6 顯示，在負荷的初始階段，水泥基灌漿材料的應(yīng)變曲線與負荷呈現(xiàn)線性相關(guān)。這表明，強化后的試驗件整體承受壓力，連接面沒有出現(xiàn)滑動等現(xiàn)象。如果試驗件的裂縫拓展到中央部位的話，應(yīng)變隨之突然變化，應(yīng)變量進而破損。比較3個強化柱體試驗件的負荷-應(yīng)力曲線能夠得知，在同樣的負荷條件下，沒有實施過任何結(jié)合面處置的RCZ-1柱體，應(yīng)變應(yīng)當比其他的2個柱體顯著大一點，表明混凝土和水泥基灌漿材料出現(xiàn)了滑動情形。基于水泥基灌漿材料的接合面處理后得到了改善，水泥基灌漿材料與其他材料能夠更加容易地發(fā)揮協(xié)同作用，相對滑動也會隨之減少。因此，對于柱體的強化，必須要進行結(jié)合表面處理。

圖6 各試件灌漿料的力-應(yīng)變曲線Fig.6 Force-strain curve of each specimen

3.2 鋼筋應(yīng)變曲線分析

根據(jù)圖7 所示，在加載初始階段，加強柱內(nèi)的鋼筋及水泥灌漿基料應(yīng)變均減小，在繼續(xù)加載出現(xiàn)裂縫時，鋼筋的應(yīng)變曲線出現(xiàn)拐點，隨后加強柱內(nèi)的應(yīng)變開始迅速增大，而灌漿料內(nèi)的鋼筋應(yīng)變并無增大。由此可以看到，進行灌漿施工后的強度逐漸增大，同時為了充分利用鋼筋的強度，盡量不要選擇低強度鋼筋。

圖7 各試件鋼筋的力-應(yīng)變曲線Fig.7 Force-strain curve of each specimen

3.3 加載曲線特性

如圖8（a）所示，柱體的壓縮位移程度和負荷之間呈現(xiàn)出顯著的關(guān)聯(lián)效應(yīng)。主要原因是負荷結(jié)束后，水泥基灌漿料產(chǎn)生了裂縫，加強柱的四角脫落，壓力面減少，混凝土和水泥基灌漿料呈現(xiàn)出明顯的彈性形變。測試件RCZ-2和RCZ-3的壓縮量曲線，在負荷的后期階段展現(xiàn)出了特定的可塑形變特性。試驗件RCZ-1 的極端負荷水平不高，壓縮量微小，并且損壞情況顯著。這表明，如果沒有處理黏合面，水泥基灌漿料和混凝土會輕易滑脫，導(dǎo)致類似于薄壁組件的失穩(wěn)現(xiàn)象。經(jīng)過對比實施能夠得知，包裹鋼線網(wǎng)格處置下的RCZ-3 的壓縮剛性最大，鑿毛處置的RCZ-2 試驗件的壓縮剛性位列第二，沒有經(jīng)過處置的RCZ-1 試驗件的壓縮剛性最小。其主要成因是黏接面處理后，新舊材料脫開較晚，整體截面的剛度大于兩個截面疊加的剛度，鋼絲網(wǎng)包裹的混凝土具有更強的握裹力。另外從圖中可以看到，實施了鑿毛處理的RCZ-2測試塊能源消耗性能最高，實施了線網(wǎng)格處理的RCZ-3 能源消耗性能位列第二，試驗件RCZ-1 能源消耗最少。

4 結(jié) 論

（1）柱體采用水泥基灌漿料進行強化可以充分發(fā)揮水泥基灌漿料高強度的抗壓特性。

（2）強化柱體接合面的處理能夠提高部件的承載力，此外還能夠提升各種材料的協(xié)調(diào)性能。

（3）通過運用鋼網(wǎng)狀的接口處置模式，能夠大幅度提升工作效率，避免對環(huán)境產(chǎn)生太大的污染。

（4）在混凝土柱體上使用水泥基灌漿料時，不應(yīng)當使用強度水平較高的鋼筋，如果柱體受損，鋼筋在大多數(shù)情況下都不會屈服。

圖8 柱體的位移力曲線Fig.8 Force-displace of cylinder