钢丝网砂浆层和附加肋提升嵌入式复材筋锚固性能试验研究

苏伟强 李 婷 朱 虹 王 强 胡修秀

(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)

纤维增强复合材料筋(简称复材筋)嵌入式加固法常用于提高既有钢筋混凝土结构的抗弯及抗剪性能[1-5].加固后的构件在受力过程中主要包括弯曲破坏、剪切破坏以及复材筋的剥离破坏.其中,剥离破坏是嵌筋位置混凝土保护层与构件之间、复材筋与混凝土保护层之间或复材筋与槽道黏结剂之间发生的界面破坏,其发生的原因是嵌筋处具有较高的局部黏结剪应力或剥离正应力,同时复材筋自身的锚固性能较差.剥离破坏过早发生时,构件非正常破坏,材料强度不能充分发挥[6-7].

针对上述嵌入式加固构件中复材筋存在的剥离问题,国内外学者提出了一些解决方案.Sharaky等[8-9]通过设置短槽和钢压条的方式提高构件界面黏结承载力,但承载力的提升效果仅为8%;王勃等[10]提出了设置粘贴钢板的方法来阻止剥离破坏的提前发生,经试验验证,该方法可使嵌入式加固梁的剥离荷载提高18.9%.本课题组提出在复材筋表面设置附加肋的增强锚固方法来提高复材筋的锚固性能[11],试验结果表明,复材筋与附加肋界面抗剪性能相比于埋入式复材筋与新浇混凝土界面抗剪性能有明显提升,提升幅度可达90%以上,但对其用于嵌入式复材筋的效果尚未开展试验研究.

为进一步提高嵌入式加固法中复材筋的锚固性能,本文提出并研究了结构构件锚固区范围内联合运用外覆钢丝网砂浆防护层和复材筋设置附加肋的增强锚固方法.附加肋采用快速挤压法锚固于复材筋表面,外覆钢丝网砂浆层仅替代构件两端局部区域内常规砂浆防护层,因此该联合增强方法对工期及造价的影响很小,有利于工程推广应用.

采用直接拉拔试验(DP),对比分析了外覆钢丝网砂浆防护层厚度、复材筋附加肋数量、槽道黏结剂材料类型、复材筋种类等主要参数对嵌入式复材筋极限拉拔力和滑移的影响,并探讨了联合采用外覆钢丝网砂浆防护层与附加肋2种增强锚固方法对复材筋锚固性能的综合提高效果.

1 试验方案

本文共开展了20个试件的试验研究.试件尺寸均为120 mm×150 mm×370 mm,其加载端混凝土留有长度为30 mm的缺口,以消除加载端混凝土受压对试验结果的影响.试件表面槽道截面尺寸为20 mm×20 mm.铝合金管附加肋采用快速挤压法锚固于复材筋表面[11],其挤压前的外径、壁厚和长度分别为20,4,20 mm.此外,试件中配置纵筋和箍筋以模拟实际钢筋混凝土构件.试件具体尺寸、配筋、钢丝网砂浆防护层设计及附加肋布置如图1所示.

(a) 无钢丝网砂浆防护层试件

(b) 有钢丝网砂浆防护层试件

(c) 复材筋附加肋布置

试件的混凝土设计强度为 C30,立方体抗压强度实测值为48.22 MPa(成型后70 d数据).附加肋用材为6061-T6铝合金,其极限抗拉强度为298 MPa,弹性模量为69 GPa,延伸率9%,泊松比为0.33,布氏硬度90 HB.复材筋共有碳纤维复材筋(CFRP bars)和玄武岩纤维复材筋(BFRP bars)2种,几何尺寸和力学性能列于表1.外覆钢丝网为丝径1.8 mm、网格20 mm×20 mm的轧花钢丝网.试验中使用的2种槽道黏结剂为有机类的环氧植筋胶和无机类的聚合物砂浆,其力学性能见表2.

表1 复材筋的几何尺寸和力学性能

表2 槽道黏结剂的力学性能

注：ER型号为RE500(喜利得产品);CM型号为HPM-S(固特邦产品).

试件详细参数如表3所示.试件编号中字母和数字的含义依次为：试验方法、复材筋种类和直径、黏结剂类型、锚固长度、附加肋数量及钢丝网砂浆防护层厚度.其中,锚固长度用筋材直径d的倍数来表示.试验采用如图2所示的加载装置进行直接拉拔试验,荷载通过穿心式千斤顶手动加载.正式加载前先对试件进行预加载以使加载装置各连接部位预紧,然后按照0.5 kN/s的速率进行加载.加载过程中始终注意观察构件的变化,临近破坏时,降低荷载施加的速率,直至构件发生破坏,试验结果如表4所示.

图2 加载装置示意图

序号试件编号复材筋种类直径/mm黏结剂类型锚固长度附加肋数量钢丝网砂浆保护层符号厚度/mmDP-1DP-B10-ER-16-0BFRP10植筋胶16d0DP-2DP-B10-ER-24-0BFRP10植筋胶24d0DP-3DP-B10-ER-16-3BFRP10植筋胶16d3DP-4DP-B10-ER-24-4BFRP10植筋胶24d4DP-5DP-B10-ER-16-0-MBFRP10植筋胶16d0M30DP-6DP-B10-ER-24-0-MBFRP10植筋胶24d0M30DP-7DP-B10-ER-16-3-MBFRP10植筋胶16d3M30DP-8DP-B10-ER-24-4-MBFRP10植筋胶24d4M30DP-9DP-B10-ER-24-4-SBFRP10植筋胶24d4S20DP-10DP-B10-ER-24-4-LBFRP10植筋胶24d4L40DP-11DP-C10-ER-24-0CFRP10植筋胶24d0DP-12DP-C10-ER-24-4CFRP10植筋胶24d4DP-13DP-C10-ER-24-0-MCFRP10植筋胶24d0M30DP-14DP-C10-ER-24-4-MCFRP10植筋胶24d4M30DP-15DP-C10-CM-24-0CFRP10砂浆24d0DP-16DP-C10-CM-24-4CFRP10砂浆24d4DP-17DP-C10-CM-24-0-MCFRP10砂浆24d0M30DP-18DP-C10-CM-24-4-MCFRP10砂浆24d4M30DP-19DP-C10-CM-24-4-SCFRP10砂浆24d4S20DP-20DP-C10-CM-24-4-LCFRP10砂浆24d4L40

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态

2.1.1 无附加肋和钢丝网砂浆防护层试件

黏结剂为植筋胶的试件主要发生胶条劈裂破坏和混凝土保护层剥离破坏(DP-1, DP-2, DP-11),如图3所示.在高应力状态下,胶层劈裂裂纹首先在加载端出现,随后向自由端发展,同时混凝土在加载过程中也出现了裂纹,最后胶层发生劈裂破坏,混凝土保护层也开裂剥离.

(a) 试件DP-1

(c) 试件DP-11

同样是无附加肋、无钢丝砂浆防护层,但黏结剂为砂浆的试件主要发生砂浆条劈裂和槽道界面黏结破坏(DP-15),这是因为砂浆材料本身具有脆性性质,复材筋与砂浆的黏结强度与复材筋和植筋胶的黏结强度相比较小.试件破坏时整体应力水平较低,因此,混凝土部分仍然保持着较为完好的状态,试件的破坏主要集中在砂浆条与槽道界面上.

2.1.2 无附加肋、有钢丝网砂浆防护层试件

当试件未采用附加肋,仅采用钢丝网砂浆防护层这种锚固方法时(DP-13,DP-17,DP-5,DP-6),试件发生胶条(砂浆条)和钢丝网砂浆防护层共同劈裂破坏.试件加载时,劈裂裂纹从胶条(砂浆条)开始出现,逐渐扩展到外覆钢丝网砂浆防护层.最初防护层裂纹出现于加载端,随着荷载的增加逐渐向自由端扩展,而后贯穿整个防护层.最终,胶条和钢丝网砂浆防护层均发生劈裂破坏,复材筋从胶条中拔出,混凝土加载端出现“八”字形裂缝,见图4.

表4 各试件直接拉拔试验结果

注：①*表示由于加载时出现的少量偏心导致数据有偏差的试件.② ES表示胶条劈裂;BR表示筋材断裂;DC表示混凝土保护层剥离破坏;MS表示砂浆条劈裂;M/C表示槽道界面黏结破坏;CS表示钢丝网砂浆防护层纵向劈裂.

(a) 试件DP-13

(b) 试件DP-17

与2.1.1节中破坏形态相比,本节中试件没有出现复材筋的剥离破坏与槽道的黏结破坏,表明钢丝网砂浆防护层的存在为锚固区域提供了较强的约束作用,使试件的破坏从胶条(砂浆条)、槽道混凝土逐渐转移到钢丝网砂浆防护层,从而令复材筋、黏结材料(植筋胶、砂浆)的性能得以充分发挥,最终显著提升复材筋的锚固性能.

2.1.3 有附加肋、无钢丝网砂浆防护层试件

有附加肋、无钢丝网砂浆防护层试件(DP-3,DP-16,DP-4,DP-12)的破坏形态与2.1.1节试件的破坏形态相似.如图5所示,黏结剂为植筋胶的试件主要发生胶条劈裂、混凝土保护层剥离破坏;黏结剂为砂浆的试件主要发生砂浆条劈裂、槽道界面黏结破坏.但是有附加肋、无钢丝网砂浆防护层的试件破坏程度更大,分析认为,附加肋的存在有效地提高了复材筋的锚固性能,有附加肋的试件的峰值荷载显著高于无附加肋试件,复材筋强度发挥更加充分,因此试件的破坏程度也更大.但附加肋的存在并没有改变试件的破坏形态,混凝土保护层的剥离破坏仍然发生.

(a) 试件DP-3

(b) 试件DP-16

2.1.4 有附加肋和钢丝网砂浆防护层试件

黏结剂为植筋胶、黏结长度为24d时,试件发生筋材的断裂破坏(DP-8).如图6所示，复材筋断裂位置在第1个附加肋附近,同时加载端钢丝网砂浆防护层局部有劈裂裂纹出现.附加肋与钢丝网砂浆防护层的联合锚固使复材筋强度得到充分发挥.

(a) 试件DP-8

(b) 试件DP-7

(c) 试件DP-18

黏结剂为植筋胶、黏结长度为16d(DP-7)或黏结剂为砂浆的试件(DP-18,DP-19,DP-20)破坏形态与2.1.2节试件的破坏形态相似,试件发生胶条(砂浆条)和钢丝网砂浆防护层共同劈裂破坏,钢丝网砂浆防护层出现纵向的贯穿裂缝,混凝土加载端出现“八”字形裂缝.分析认为,虽然试件采用的都是联合增强锚固方法,但试件DP-7 因其黏结长度较小(仅为16d),试件DP-18,DP-19,DP-20因砂浆材料较脆,故而两者都没有发生复材筋的断裂破坏.

2.2 荷载-滑移曲线

如图7所示,试验测得的荷载-滑移曲线基本可以划分为3段：线性上升段、非线性上升段和下降段.图中纵坐标P表示荷载值,横坐标S表示滑移量.由图7可看出,采用植筋胶作为黏结剂的试件,其荷载-滑移曲线表现出明显的脆性,荷载达到峰值后构件破坏,曲线下降段未能测得完整曲线.而黏结剂采用砂浆的试件其荷载-滑移曲线达到峰值后,曲线进入平稳下降阶段,荷载逐渐降低,滑移迅速增大,构件整体表现出较好的延性.

不采用任何附加锚固方法时,试件荷载-滑移曲线的斜率与荷载的峰值均处于较低的水平;当单独使用附加肋锚固方法时,曲线的非线性上升段变长,黏结刚度退化减慢,荷载峰值有所增大;当单独使用外覆钢丝网砂浆防护层时,曲线有着比单独使用附加肋锚固方法时更长的非线性上升段、更慢的黏结刚度退化及更大的荷载峰值,荷载达到峰值后的降幅更小,试件表现出更好的延性;当采用附加肋与钢丝网砂浆防护层的联合增强锚固方法时,非线性上升段进一步增长,黏结刚度的退化变得更加缓慢,荷载峰值再次提高,试件延性进一步提升.

(a) BFRP筋黏结长度16d构件

(b) BFRP筋黏结长度24d构件

(c) CFRP筋植筋胶构件

(d) CFRP筋砂浆构件

(e) 不同防护层厚度的砂浆构件

(f) 不同防护层厚度的植筋胶构件

图7 荷载-滑移曲线

此外,钢丝网砂浆防护层的厚度对不同黏结剂试件的荷载-滑移曲线有不同的影响.当黏结剂为锚固能力较弱的砂浆时(见图7(e)),试件表现为拔出破坏,厚度越大,拔出力越大,防护层厚度对荷载-滑移曲线峰值、非线性上升段和下降阶段的影响显著.当试件防护层厚度增大到40 mm时,复材筋峰值荷载有较大的提高,黏结刚度退化更慢,荷载达到峰值后的降幅更小,试件表现出更好的延性.当黏结剂为锚固能力较强的植筋胶时(见图7(f)),防护层的增加明显提高了试件的荷载-滑移曲线的峰值和非线性上升段的斜率.但随着防护层厚度的增加,曲线的峰值和非线性上升段的斜率基本保持不变.这主要是因为试件发生筋材的拉断破坏(极限拉拔力受附加肋位置处筋材极限抗拉强度控制),此时防护层厚度对结果的影响未能体现.此外,与植筋胶相比,砂浆受力时产生的微裂纹更容易扩展,防护层厚度越大刚度越大,对内部砂浆条的约束越强,从而能更好地限制内部砂浆的变形和微裂纹的扩展,因此,钢丝网砂浆防护层厚度对砂浆黏结剂的试件的影响更大.

2.3 基于极限拉拔力比较的提升效果分析

各试件中复材筋极限拉拔力的对比见图8.其中,基本组是指复材筋表面未锚固附加肋且试件外表面未设置钢丝网砂浆防护层的试件.图8中的试件分为4组,第1组为黏结长度16d且黏结剂为植筋胶的BFRP试件,第2组为黏结长度为24d且黏结剂为植筋胶的BFRP试件,第3组为黏结长度为24d且黏结剂为植筋胶的CFRP试件,第4组为黏结长度为24d且黏结剂为砂浆的CFRP试件.

图8 不同锚固方法的极限拉拔力对比

2.3.1 附加肋对复材筋锚固性能的提升效果分析

从图8可看出,黏结剂为植筋胶、锚固长度为24d的BFRP试件(DP-4)的极限拉拔力提升幅度为5.7%;黏结剂为植筋胶、锚固长度为24d的CFRP试件(DP-12)的极限拉拔力提升幅度为14.4%;黏结剂为砂浆、锚固长度为24d的CFRP试件(DP-16)的极限拉拔力提升幅度为40.7%.由此可见,附加肋对复材筋锚固能力的提升有着良好的效果.此外,附加肋对CFRP锚固性能的提升效果大于BFRP,这是因为CFRP筋有着更大的表面刚度与横向抗剪强度,在受到剪切作用时,带内应力的环状附加肋能更好地与复材筋成为整体,延迟筋材滑移的出现,从而提高复材筋的锚固性能.附加肋对以砂浆为黏结剂的试件的提升幅度大于以植筋胶为黏结剂的试件,这是因为复材筋与砂浆的黏结强度低于复材筋与植筋胶的黏结强度,附加肋的存在一定程度上改善了砂浆与复材筋的黏结性能,大大地提高了复材筋的锚固性能.

2.3.2 钢丝网砂浆防护层对复材筋锚固性能的提升效果分析

钢丝网砂浆防护层对复材筋锚固性能的提升效果显著.黏结剂为植筋胶的CFRP试件(DP-13)发生破坏时的极限拉拔力相比于基本组提高了52.2%,而黏结剂为砂浆的试件(DP-17)相比于基本组则提高了69.7%.分析认为,钢丝网砂浆防护层刚度较大,当其外覆于嵌入式加固构件表面后,对整个黏结锚固区起到了良好的约束作用,可有效防止嵌入式加固试件混凝土保护层剥离破坏的发生,从而增强复材筋的锚固性能.

与2.3.1节附加肋对复材筋锚固性能的影响比较可看出,钢丝网砂浆防护层增强锚固方法对锚固承载力的贡献大于附加肋锚固方法.这是因为在嵌入式加固构件中,端部剥离破坏是限制复材筋性能发挥的主要因素.受开槽影响,试件原混凝土保护层对复材筋提供的外部约束较小,使得筋材在受拔出力作用时仍易发生界面剥离破坏,钢丝网砂浆防护层能较好地提高筋材开槽一侧的外部约束能力,减小筋材发生端部剥离破坏的可能.而当单独采用附加肋锚固方法时,虽然筋材锚固性能可得到提高,但筋材对外部保护层的约束需求也随之增加,而普通混凝土保护层不能满足这种需求,这使得附加肋锚固方法的增强效果不能得到充分发挥.因此,单独采用钢丝网砂浆防护层增强锚固方法对锚固承载力的贡献大于单独采用附加肋锚固方法.

2.3.3 联合增强锚固方法对复材筋锚固性能的提升效果

在采用附加肋与钢丝网砂浆防护层联合增强锚固方法的情况下,试件DP-14中复材筋发生断裂破坏时,其极限拉拔力相比于基本组提高了74.4%;试件DP-18发生劈裂破坏时,复材筋的极限拉拔力提高了114.3%,提升幅度非常显著.后者的提高效果明显高于前者,一方面是因为砂浆的黏结性能较差,劈裂强度比植筋胶低,且其微裂纹易于扩展,而附加肋可以更有效地改善复材筋与砂浆的黏结性能;另一方面是因为钢丝网砂浆防护层与砂浆黏结剂为同种材料,两者更易形成统一的整体,从而有利于应力的传递.

比较不同锚固长度试件的试验结果可以看出,在无附加肋且无钢丝网砂浆防护层时,锚固长度为24d的BFRP试件的极限拉拔力比16d时高41.9%,而采用联合增强锚固方法后,该幅度减小为8.6%,复材筋所需的锚固长度大大减小.

分析认为,单独使用附加肋的锚固方法可有效减小复材筋拔出破坏的可能性,提高复材筋的锚固能力,但嵌入式复材筋外侧约束的不足会在一定程度上限制其锚固效果的提升;单独使用外覆钢丝网砂浆防护层的锚固方法可改变试件的破坏模式,有效地避免剥离破坏的发生,但这种锚固方法对防止发生拔出破坏的作用有限.因此,同时采用外覆钢丝网砂浆防护层和附加肋的锚固方法,充分利用两者优势,可进一步提升复材筋的锚固性能.

3 结论

1) 附加肋及钢丝网砂浆层这2种锚固方法均可以有效地提高复材筋的锚固性能.附加肋能更好地与复材筋成为整体,延迟筋材滑移的出现.钢丝网砂浆防护层能够对嵌入式加固构件端部的复材筋起到良好的侧向约束,可有效防止嵌入式加固复材筋端部剥离破坏的发生.钢丝网砂浆防护层增强锚固方法对锚固承载力的贡献大于附加肋增强锚固方法.

2) 附加肋与钢丝网砂浆层联合增强锚固的方法可显著提升嵌入式复材筋的锚固性能,且对表面刚度和横向抗剪强度较高的CFRP试件的锚固承载力提升效果高于BFRP试件,对砂浆黏结剂试件的锚固承载力的提升效果大于植筋胶黏结剂的试件.联合增强锚固方法能显著改善试件延性性能.

3) 黏结剂为植筋胶时,由于筋材发生断裂破坏,钢丝网砂浆防护层厚度对复材筋锚固性能的提升效果未能体现;但黏结剂为砂浆时,钢丝网砂浆防护层的厚度越大,其增强效果越显著.