不同混凝土基体与植筋的粘结锚固性能试验研究

於秋江，唐兴荣

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011）

混凝土结构后植筋锚固技术在建筑物改造、扩建、加固、维修中多有应用，技术也逐渐成熟。国内外学者已经对混凝土化学植筋粘结锚固的破坏模式[1-4]、粘结锚固性能[5-6]、拉拔承载力等方面做了大量试验[7-8]，得出了一些有益的结论，为后植筋锚固技术的应用提供了技术支撑。在实际结构构件加固改造中往往会遇到构件截面尺寸扩大后再植筋的情况[9]，这时植筋锚固长度要穿越两种不同强度的混凝土基体，目前尚未发现有关不同混凝土基体与植筋的粘结锚固性能研究方面的文献。

为了研究不同混凝土基体与植筋的粘结锚固性能，以植筋的锚固长度、植筋的锚固长度比系数等为设计参数，设计制作了14个不同混凝土基体单筋植筋试件，并进行了不同混凝土基体单筋植筋试件的拉拔试验，对不同混凝土基体与植筋的粘结锚固性能进行了分析。在试验结果分析的基础上，建立不同混凝土基体植筋拉拔承载力的计算模型和计算公式。

1 试验概况

1.1 试件设计

为研究不同混凝土基体与植筋的粘结锚固性能，以植筋锚固长度（la）和植筋锚固长度比系数ξ（ξ=lb/lu，其中，lu为植筋在上层混凝土基体中的锚固长度，lb为植筋在下层混凝土基体中的锚固长度）为设计参数，设计制作了14个不同混凝土基体单筋植筋试件，其中试件CSPB1-4d、CSPB2-5d、CSPB3-6d变化植筋锚固长度（la）；试件CSPB1-6d、CSPB2-6d、CSPB3-6d变化植筋锚固长度比系数（ξ=0.50、0.20、0）；试件CSPB1-7.5d、CSPB2-7.5d、CSPB3-7.5d变化植筋锚固长度比系数（ξ=0.875、0.50、0.25）；试件CSPB1-8d、CSPB2-8d、CSPB3-8d变化植筋锚固长度比系数（ξ=1.00、0.60、0.33）；试件CSPB1-9d、CSPB2-9d、CSPB3-9d变化植筋锚固长度比系数（ξ=1.25、0.80、0.50）。为了与实际结构构件相一致，不同混凝土基体的上层采用C60灌浆料，下层采用C35混凝土。不同混凝土基体的几何尺寸均为800 mm×240 mm×1 800 mm，其中A组上层灌浆料厚度hu=80 mm，下层混凝土厚度hb=160 mm；B组上层灌浆料厚度hu=100 mm，下层混凝土厚度hb=140 mm；C组上层灌浆料厚度hu=120 mm，下层混凝土厚度hb=120 mm。

所有试件的植筋钢筋均为直径20mmHRB400级钢，植筋胶层厚度均为3 mm，钻孔直径均为26 mm。植筋胶采用上海HM-500改性环氧注射式植筋胶。各试件的几何尺寸和配筋见表1所列和图1所示。

图1 各试件几何尺寸及配筋

表1 各试件几何尺寸及配筋

1.2 材料性能

植筋钢筋采用HRB400级钢，实测钢筋屈服强度平均值435.5 MPa，极限强度平均值670.5 MPa，弹性模量206 400 MPa；混凝土设计强度等级C35，采用商品混凝土（配合比为水泥∶水∶砂∶石=1∶0.53∶2.46∶3.63），实测立方体（150 mm×150 mm×150 mm）抗压强度平均值33.3 MPa、棱柱体抗压强度平均值25.8 MPa，弹性模量30 356 MPa；灌浆料设计强度等级C60，采用南京翰德特种建材有限公司生产的H-40水泥基豆石型灌浆料，水料比按照12%进行配比，实测立方体（100 mm×100 mm×100 mm）抗压强度平均值为65.2 MPa。植筋胶采用上海HM-500改性环氧注射式植筋胶，植筋胶的性能见表2所列。

表2HM-500改性环氧注射式植筋胶 MPa

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1.3 试件制作

按设计图纸，先浇筑下层基体混凝土（hb），待混凝土养护28 d后，再浇筑上层基体灌浆料（hu），待灌浆料养护7 d后进行植筋。植筋的施工工艺：定位—钻孔—清孔—注胶—植筋—养护，由苏州中固建筑科技有限公司制作。为了增强上、下基体混凝土结合面间的粘结力，在设计时设置竖向箍筋穿过结合面，在施工时将下层混凝土基体表面充分打毛，并用毛刷清理结合面。

1.4 加载装置及加载制度

加载装置采用的拉拔加载装置[10]（专利号CN201921401297.7），可以实现单筋和多筋植筋拉拔试验，加载装置见图2。

图2 加载装置

加载制度：峰值荷载前采用荷载控制加载，荷载增量ΔP约为预估峰值荷载的2%；峰值荷载后改为位移控制加载，通过控制液压千斤顶的加载杆数，基本保证每次加载位移相同，直至拉拔试验结束。

1.5 测量内容及测试方式

（1）拉拔荷载值:采用500 kN液压千斤顶及配套的载荷仪（WH-1000型）测读，在试验前应对液压千斤顶和载荷仪配套标定。

（2）植筋钢筋应变：在植筋钢筋上黏贴应变片，以测量拉拔加载过程中植筋应变的变化规律；

（3）混凝土基体表面位移：在植筋两侧对称布置两个位移计①测读混凝土基体表面位移；

（4）植筋的位移：在植筋上固定制作的表架，对称布置两个位移计②测读植筋的位移；

（5）植筋端部的位移：在植筋的端部布置1个位移计③，测读植筋端部位移；

（6）加载板顶部的位移：在加载板的顶部对称布置两个位移计④，测读加载板的位移。

位移计的布置见图2，所有应变片及位移计均通过DN3821NET型号静态电阻应变仪采集仪采集。

2 试验结果及分析

各试件主要试验结果见表3所列。

表3 各试件主要试验结果

2.1 试件破坏形态及分析

试验结果表明，不同混凝土基体植筋拉拔破坏形态均为锥体-粘结复合破坏，最终破坏形态见图3。

图3 各试件最终破坏形态

（1）植筋锚固长度比系数ξ=0。试件CSPB1-4d、CSPB2-5d和CSPB3-6d的植筋锚固长度比系数ξ=0，即锚固长度均在上层混凝土基体内。试件拉拔破坏时，试件植筋均未达到其屈服应变。其他条件相同，植筋锚固长度越大，植筋与混凝土基体界面的接触面积增大，试件的峰值拉拔荷载也越大。

（2）植筋锚固长度6d。试件CSPB1-6d、CSPB2-6d和CSPB3-6d的锚固长度为6d，锚固长度比系数ξ分别为0.50、0.20、0.00，峰值拉拔荷载（Pm）分别为116.40、110.3和106.0 kN；不同混凝土基体表面出现环状裂缝时的拉拔荷载值分别为峰值的80.76%、78.88%和75.47%。试件峰值拉拔荷载时，除试件CSPB2-6d植筋达到屈服应变外，其余植筋应变小于其屈服应变。可见，植筋锚固长度（la=6d）一定，随着植筋锚固长度比系数ξ增大，试件基体表面出现环状裂缝的拉拔荷载及峰值拉拔荷载逐渐提高。

（3）植筋锚固长度7.5d。试件CSPB1-7.5d、CSPB2-7.5d和CSPB3-7.5d的锚固长度（la）为7.5d，植筋锚固长度比系数ξ分别为0.875、0.50、0.25，各试件发生植筋屈服后的锥体-粘结滑移破坏。在植筋锚固长度一定时，各试件混凝土基体表面出现环向裂缝时的拉拔荷载、峰值拉拔荷载Pm随着植筋锚固长度比系数ξ增大而增大。

（4）植筋锚固长度8d。试件CSPB1-8d、CSPB2-8d和CSPB3-8d植筋锚固长度（la）均为8d，锚固长度比系数ξ分别为1.00、0.60、0.33。各试件发生植筋屈服后的锥体-粘结滑移破坏。试件CSPB1-8d基体表面先出现环状裂缝，后发生植筋屈服，而试件CSPB2-8d和CSPB3-8d在植筋屈服后，基体表面出现环状裂缝。在植筋锚固长度一定时，随着植筋锚固长度比系数ξ的增大，试件的峰值拉拔荷载随之增大。

（5）植筋锚固长度9d。试件CSPB1-9d、CSPB2-9d和CSPB3-9d植筋的锚固长度9d，锚固长度比系数ξ分别为1.25、0.80、0.50。各试件发生植筋屈服后的锥体-粘结滑移破坏。试件CSPB3-9d基体表面先出现环状裂缝，后发生植筋屈服，而试件CSPB1-9d和CSPB2-9d在植筋屈服后，基体表面出现环状裂缝。在植筋锚固长度一定时，随着植筋锚固长度比系数ξ的增大，试件的峰值拉拔荷载随之增大。

2.2 植筋的荷载-位移曲线分析

图4给出了一定植筋锚固长度，不同锚固长度比系数下各试件钢筋端部拉拔荷载-位移曲线（P-δ）。由图4可见，植筋端部拉拔荷载-位移曲线可以分为三个阶段，第一阶段为弹性粘结段，加载初期，拉拔荷载与位移曲线呈线性变化，植筋与不同强度混凝土界面粘结力以化学粘结力为主，植筋的极限弹性拉拔荷载随植筋锚固长度比系数ξ的增大而逐渐提高。极限弹性拉拔荷载后，随着荷载加载的增大，拉拔荷载-位移曲线呈非线性关系，植筋的位移增量比荷载增量要大，植筋与不同强度混凝土界面粘结力主要以机械咬合力为主，峰值拉拔荷载随着植筋锚固长度比系数的增大而增大；峰值拉拔荷载后，植筋与不同混凝土界面的粘结力以摩擦力为主，粘结应力明显减小，致使拉拔荷载降低，植筋位移明显增大。

图4 各试件植筋端部P-δ曲线

2.3 拉拔承载力分析

图5分别给出了植筋锚固长度比系数ξ=0、ξ=0.5时，植筋峰值拉拔荷载与锚固长度关系（Pm-la）。试件CSPB1-4d、试件CSPB2-5d和试件CSPB3-6d的峰值拉拔荷载分别为77.4、78.9和106.0 kN；当植筋锚固长度比系数ξ=0时，植筋锚固于上层混凝土基体中，峰值拉拔荷载随着植筋锚固长度增大而提高。

图5 Pm-la关系曲线

图6给出了不同锚固长度时，峰值拉拔荷载与锚固长度比系数关系（Pm-ξ）。在植筋锚固长度一定时，随着植筋锚固长度比系数ξ的增大，峰值拉拔荷载Pm大致呈线性提高。这是由于基体上层混凝土强度等级大于下层混凝土，出现锥体-粘结破坏时，锥体高度较小，同时，上层混凝土对下层混凝土具有约束作用，会增加植筋与混凝土界面的粘结力。

图6 不同锚固长度时Pm-ξ关系曲线

图7给出了各试件峰值拉拔荷载与锚固长度比系数关系（Pm-ξ），图8给出了各试件峰值拉拔荷载与锚固长度关系（Pm-la）。由图7和图8可见，不同强度混凝土基体植筋峰值拉拔荷载（Pm）与植筋锚固长度比系数ξ大致呈线性关系（相关系数R2=0.734 1），与植筋锚固长度呈线性关系（相关系数R2=0.941 9）。

图7 各试件峰值拉拔荷载与锚固长度比系数关系（Pm-ξ）

图8 各试件峰值拉拔荷载与锚固长度关系（Pm-la）

3 不同混凝土基体植筋拉拔承载力计算

试验表明，所有不同混凝土基体植筋拉拔试验均发生锥体-粘结复合破坏。发生锥体-粘结破坏时，不同强度混凝土基体植筋拉拔承载力计算模型见图9。

图9 不同混凝土基体单筋植筋锥体-粘结复合破坏计算模型

基本假定如下：

（1）上层混凝土基体与下层混凝土基体结合界面共同工作；

（2）基体混凝土破坏锥体发生在上层混凝土基体；

（3）锥体-粘结复合破坏时，植筋拉拔承载力由三部分组成：植筋与上层混凝土基体锥体部分承受的拉力Pu（x0）、植筋与上层混凝土基体界面粘结力Pu（hu-x0）和植筋与下层混凝土基体界面粘结力Pb（la-hu），即

3.1 Pu（x0）计算

考虑上层混凝土锥体抗拉强度降低系数α，即破坏锥面上层混凝土抗拉强度取αft，u，则锥体破坏时的拉拔力

式中，Ac，u（x0）为锥体-粘结复合破坏时，混凝土锥体的水平投影面积，按式（3）计算；x0为拉拔承载力取最小值时混凝土锥体高度，按式（4）计算；D为植筋孔直径；ft，u为上层混凝土基体轴心抗拉强度；α为混凝土轴心抗拉强度降低系数，根据文献[11]，取0.7；θ为混凝土锥面与水平面的夹角，根据本次试验数据分析，θ的平均值为17.15°，锥体锥角计算值取具有95%保证率的锥角值：θ=θ+1.645σ=23.41°，故锥体锥角计算值θ=23.41°

3.2 Pu（hu-x0）计算

假定植筋胶与上层混凝土界面的粘结应力为均匀分布，则植筋与上层混凝土基体界面粘结力

式中，τu为上层混凝土基体与植筋胶界面的平均粘结应力，由试验确定。

试件CSPB1-4d、试件CSPB2-5d、试件CSPB3-6d的锚固长度比系数ξ=0，即锚固长度均位于上层混凝土基体内，其平均粘结应力τu=10.81 MPa.

3.3 Pb（la-hu）计算

植筋与下层混凝土基体界面粘结力可表示为

式中，τb为植筋胶与下层混凝土界面的平均粘结力，按下式计算

式中，ft，u为上层混凝土轴心抗拉强度；ft，b为下层混凝土轴心抗拉强度；τu为植筋胶层与上层混凝土界面平均粘结应力，k为系数，由试验确定。

则式（6）可表示为

将式（2）、式（5）、式（8）代入式（1）可得

对于上层灌浆料混凝土，根据文献[12]可得，灌浆料混凝土的轴心抗拉强度ft，u=0.37×（fcu，u）（2/3），fcu，u（150）=0.82×fcu，u（100）（注：150是指混凝土试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，100是指混凝土试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，当时做的试件为非标试件）；对下层混凝土的轴心抗拉强度ft，b=0.395×（fcu，b）0.55。

根据本次试验，确定系数k的平均值为2.10，代入式（9）可得不同混凝土基体植筋拉拔承载力表达式

表4给出了本次试验11个试件按式（10）计算值与试验值比较。

由表4可见，计算值与试验值比值（Pu，scal/Pu，stest）平均值为0.997，离散系数为0.04，计算值与试验值符合较好，可以作为不同混凝土基体植筋拉拔承载力的计算公式。

表4 不同混凝土基体植筋拉拔承载力计算值和试验值比较

4 主要结论

（1）所有不同混凝土基体单筋植筋试件拉拔破坏均发生锥体-粘结复合破坏，建议承载力计算时，锥面与水平面的夹角可取具有一定保证率（95%）时的值。

（2）其它条件相同，不同混凝土基体单植筋拉拔承载力随植筋锚固长度比系数的增大大致呈线性增大。

（3）其他条件相同，不同混凝土基体单植筋拉拔承载力随着植筋锚固长度的增大呈线性增大。

（4）基于试验结果分析，建立了不同混凝土基体单植筋拉拔承载力计算模型和计算公式，公式的计算值与试验值符合较好，可以作为不同混凝土基体单植筋拉拔承载力的计算公式。