先装拔出法检测配筋RPC抗压强度试验研究

卜良桃，宋扬逸

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

活性粉末混凝土(简称RPC)是一种超高强度的水泥复合基材料[1].较之传统的高强混凝土，RPC剔除了其中的粗骨料，添加了硅粉、矿灰等活性粉末，具有强度高、韧性好、自重轻、耐久性极佳等优点[2].由于RPC具有优异的物理力学性能和耐久性能，自问世以来该材料越来越受到各国工程界的青睐，并逐渐应用于高耸建筑、大跨桥梁、综合管网、国防设施等领域[3-4].

虽然现今RPC的应用愈发广泛，但是对其现场检测方法的研究目前还很少，故选择一种有效的RPC强度现场检测方法成为了亟需解决的问题.因此，笔者尝试将普通混凝土的无损检测技术运用于RPC强度的现场检测.目前，我国工程界常用的普通混凝土无损检测方法有5种[5]，拔出法是其中的一种，即通过拔出仪检测混凝土中锚固件拔出力来推定混凝土强度的方法.较之回弹法、钻芯法等等其余几种检测技术，该法具有费用低廉、测试方便、对结构损伤低等优点；较之预留立方体抗压试块，此法是针对结构本身进行检测，被测之处与结构处于完全相同的环境和受荷状况，更加合理.大量试验研究证明，此法误差小，可靠度较高[6].故本文采取先装拔出法对RPC的强度检测进行试验研究，探索此法对RPC的适用性及其规律.

国家既有拔出法规范适用范围只涵盖抗压强度80 MPa以下的素混凝土[7]，在超高强度混凝土领域还缺乏进一步的研究.过去的拔出法研究为了追求准确性，一般都选择远离钢筋.然而实际工程中很多构件的配筋都是很密集的，无法简单地回避.因此，笔者选用超高强度配筋RPC试件为试验对象，力求与实际工程更吻合，在探究拔出法对RPC适用性的同时，考虑构件中纵筋间距对拔出力的影响.

1 试验方案

1.1 试验材料及仪器设备

试验材料：木模板、模板夹、直径25 mm的HRB335级钢筋(试件纵筋用)、直径10 mm的HRB335级钢筋(试件箍筋用)、RPC干混料(湖南固力工程新材料有限责任公司提供)、自来水.(不同强度等级的RPC干混料与水的质量比分别为：RPC120：9.5%；RPC150：8.5%；RPC180：8.0%)

试验仪器和设备：强制式混凝土搅拌机、压力试验机、ZH-60型多功能后锚固拔出仪(圆环支撑式，拉杆直径14 mm，锚盘直径25 mm，反力支承内径55 mm)、电锤及直径为15 mm的钻头、锚固件(8.8级外六角型高强螺栓，如图1所示)、三角固定架[8].(RPC试件的保护层厚度取25 mm，锚固件的埋深30 mm)

图1 锚固件(单位：mm)Fig.1 The anchor/mm

1.2 试验分组

制作的试验试件分为RPC180、RPC150、RPC120三组强度等级.每组由5个尺寸为300 mm×300 mm×700 mm的RPC试件及3个100 mm×100 mm×100 mm的标准立方体抗压试块组成.每组中4个试件的纵筋间距(钢筋净间距)分别设为25 mm、50 mm、75 mm、100 mm，另外一个试件为无配筋的空白对照.所有测点之间箍筋间距一致，取100 mm.

1.3 试件制作

绑扎钢筋笼，将木模板钻孔并支好模板(钻孔位置见图2布置点)，用三角固定架将锚固件固定在模板上，然后将RPC干混料与自来水按配比混合，使用强制式混凝土搅拌机搅拌并浇筑RPC.浇筑完成后用塑料薄膜覆盖于试件表面静置24 h，再转移至90℃的恒温水槽中进行热水养护72 h[9].养护结束后拆除模板，将试件静置于自然条件下28 d，期间定期撒水保持试件表面湿润[10].

图2 RPC试件先装拔出测点布置Fig.2 The arrangement of RPC column’s cast-in-place pullout points

1.4 试验过程

(1)各试拔出测点的布置见图2(保证相邻两测点的间距不小于250 mm且测点距构件边沿距离不小于100 mm[7])，锚固件的锚入深度为30 mm；

(2)逆时针旋转拔出仪把手，使其退到最远.将拔出仪拉杆上的螺帽与锚固件上的螺纹杆连接、拧紧，安装拔出仪，调节固定螺栓使拔出仪的支撑环与RPC表面贴紧；

(3)将拔出仪与读数表连接，打开数据记录开关并清零；

(4)缓慢、均匀地摇动遥杆，使拔出仪给锚固件增加拔出力(如图3所示)，速度控制在0.5～1.0 kN/s，待读数表显示的拔出力不再增大时停止摇动，记录此时的数据即极限拔出力；

(5)用压力机对预留试块进行立方体抗压强度试验[11]，并记录抗压强度值.

图3 先装拔出试验Fig.3 Experiment of cast-in-place pullout method

1.5 试验现象

拔出试验的破坏形态与普通混凝土类似，均为近似椎体的喇叭状[12]，故可认为RPC的破坏机理与普通混凝土破坏机理相同.在达到极限拔出力后，人为地继续施加拉拔力，大部分的测点锚固部分能与原试件分离.小部分的测点锚固部分难以或无法与原试件分离，且此情况多发生于拔出力位于75～95 kN之间.试验表明，随着试件的强度等级的提高以及纵筋间距的减小，极限拔出力提高，锚固部分与原试件分离的难度越来越大.试件部分破坏形态见图4.

图4 先装拔出法的破坏形态Fig.4 Failure mode of cast-in-place pullout method

与普通混凝土的拔出试验相比，RPC拔出试件的测点多为规则破坏(截面不完整破坏、锚固件变形或拉断的现象很少)，试验效果理想.这是因为RPC材料的主要成分是粒径很细的活性粉末混凝土，不含对拔出力测定影响很大的粗骨料成分[13].

2 无筋素RPC试件的试验数据及分析

2.1 试验数据

根据规范[7]计算可得各组试件的拔出力代表值F和立方体抗压强度代表值f，汇总后的数据如表1所示.

2.2 试验数据回归分析

参照相关规范[7]使用最小二乘法将RPC试件的立方体抗压强度与拔出力进行线性拟合，回归方程式如下：

(1)

表1 无筋素RPC试件试验数据

(2)

(3)

将试验所得的立方体抗压强度与拔出力数据代入式(2)～(3)得：A=2.766，B=-44.031.回归分析得到的无筋素RPC试件的拟合直线见图5.

图5 无筋素RPC试件拟合直线Fig.5 Plain RPC column’s fitting line

2.3 回归方程的评价

回归方程精度的评价指标包括：相关系数R2、相对标准差eR、平均相对误差δ、变异系数Cv等，相关评价指标的计算方法参照文献[13].

相对标准差eR是衡量回归方程的规律性强弱的参数，计算可得:eR=4.11%,小于规范[7]规定的12%，符合要求.

平均相对误差δ是反映方程值偏离实际值范围的参数，将数据代入相关计算公式可得：δ=3.23%，相对误差值很小，说明拟合公式的精确度很高.

变异系数Cv是揭示数据离散程度的参数，通过计算可得Cv=3.77%，这说明变异系数很小，数据的离散程度不高.

拟合回归方程各指标分析可表明：无筋素RPC试件的抗压强度推定值和拔出力F之间线性相关性显著，先装拔出法适用于RPC的强度检测.

3 配筋RPC试件的试验数据及分析

3.1 试验数据

配筋RPC试件相关拔出力数据如表2.

3.2 试验数据回归分析及评价

测强方程式及精度评价参数如表3所示.四组数据的平均相对误差小于10%，相对标准差均小于12%，符合规范[7]的要求，说明该组拟合直线方程的误差在允许范围之内.

表2 不同纵筋间距配筋RPC试件试验数据

表3 不同纵筋间距配筋RPC试件的测强曲线及回归分析评价参数

3.3 纵筋间距的影响分析

对比无筋素RPC试件和配筋RPC试件，得到拟合直线如图6.由图6可以看出，在一定范围内，RPC试件的拔出力在受到其抗压强度影响的同时，还受到纵筋间距的影响.当纵筋间距为100 mm的时候，试件的拔出力几乎与无筋素RPC试件相当，其拟合直线非常接近；随着纵筋间距的减小，拔出力有一定程度的提高.当纵筋间距分别为25 mm、50 mm、75 mm时，其提高幅度的平均值为：14.9%、8.0%、2.9%.从试验数据可以看出，当纵筋间距小于50 mm时，其对拔出力的影响是比较显著的；当纵筋间距大于75 mm时，其对拔出力的影响已经很微弱了.

从试验结果来看，钢筋间距对拔出力的影响应该与其破坏机理有着密不可分的关系.现阶段国内学者们普遍认为混凝土的破坏是由拉应力(或压应力)与剪应力组合而成的复合应力所导致的[15].混凝土在拔出荷载的作用下，始终处于一个三向应力状态，混凝土的拔出破坏主要由剪应力t与压应力s共同作用下形成的拉应力作用造成的.拔出过程中，锚头圆盘顶面外缘混凝土由于应力集中受到很大的竖向压应力，压应力沿锚固部分高度的变化改变，引起了剪应力集中，在剪应力集中的作用下，锚头圆盘外围边缘最先产生环向的竖向裂缝，裂缝发展到一定范围，混凝土开始在压应力和剪应力形成的主拉应力下产生斜裂缝，伴随着拔出力的增大斜裂缝逐渐发展并最终导致破坏.为了便于表述，把锚固件的端部边缘至反力支承圆环内缘的锥面定义为拔出区域.考虑到破坏形态不是严格的椎体，而是边界有一定弧度的喇叭状，故拔出区域的边界线应该是弧线而不是直线，如图7所示.当纵筋间距为100 mm时，其已经远大于圆环支撑的内径，离拔出区域的位置很远，故纵筋对拔出力的影响消失，此时试件拔出力与素RPC试件相当.

图6 RPC试件各拟合直线的对比 Fig.6 Comparison between all RPC columns’ fitting line

图7 拔出区域Fig.7 The pull out area

4 检测应用可行性分析

由于先装拔出法得到的RPC试件的拔出力与其抗压强度之间存在良好的线性关系，故采用此方法检测RPC构件的抗压强度是可行的.但当RPC构件中存在钢筋时，应综合考虑构件中钢筋的位置、锚固件的锚入深度、以及拔出仪的圆环支撑内径对拔出力的影响.在进行拔出试验时，确保钢筋远离拔出区域，能提高试验的准确度.如若钢筋落在拔出区域内或附近，极限拔出力会有一定程度的提高，则应排除钢筋对拔出力的影响.详细具体的影响效应，还有待后人进一步的研究和发掘.

5 结论

(1)本次试验先装拔出法得到的RPC试件的抗压强度与拔出力之间存在良好的线性关系.

(2)本次试验先装拔出法得到的RPC试件的破坏形态均与普通混凝土的破坏形态相似，说明RPC的破坏机理与普通混凝土的破坏机理相同.

(3)RPC试件中的纵筋间距对拔出力的大小有影响，在同等强度条件下，当纵筋的间距小于50 mm时，拔出力随着纵筋间距的减小而增大，纵筋对拔出力的影响显著；当纵筋的间距大于75 mm时，纵筋对拔出力的影响逐渐减弱；当纵筋的间距为100 mm时，纵筋对拔出力大小没有影响.