張海燕 李綺玉 江偉銨 全江霞

(1.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；2.廣州市潤意房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，廣東 廣州 511455)

植筋技術(shù)是一種常見的后錨固加固技術(shù)，在混凝土結(jié)構(gòu)[1]、磚石結(jié)構(gòu)[2- 3]中應(yīng)用廣泛。常用的植筋錨固膠包括有機(jī)膠和無機(jī)膠兩種類型。有機(jī)膠強(qiáng)度高、施工簡便，但價(jià)格貴、耐高溫性能與耐久性能較差[4]。因此，近年來不少學(xué)者開展了無機(jī)植筋膠的粘結(jié)錨固性能研究。丁鑄等[5]采用磷酸鎂水泥砂漿植筋，當(dāng)錨固深度大于17.5d(d為鋼筋直徑)時(shí)，鋼筋屈服先于粘結(jié)破壞發(fā)生。高天寶等[6]研究了一種商業(yè)無機(jī)植筋膠的錨固性能，結(jié)果表明，植筋深度大于15d可以使鋼筋屈服，植筋試件靜力性能可靠。鄭奕鵬[3]在條形花崗巖上進(jìn)行了水泥基無機(jī)膠的植筋錨固試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥基無機(jī)膠的錨固性能較差，所有試件均發(fā)生了粘結(jié)破壞。王欣等[7]開展了氯氧鎂水泥無機(jī)膠和喜利得HIT-RE 500有機(jī)膠植筋梁的明火試驗(yàn)，試驗(yàn)中有機(jī)膠植筋梁均發(fā)生錨固破壞，破壞突然且耐火極限短，無機(jī)膠植筋梁在滿足錨固深度大于20d時(shí)不會(huì)發(fā)生錨固破壞。

結(jié)構(gòu)在長期使用過程中除了承受靜力荷載，也可能受到動(dòng)力荷載。為考察動(dòng)力荷載作用下無機(jī)植筋膠的粘結(jié)錨固性能，戴夢希[8]對(duì)磷酸鎂水泥砂漿植筋試件開展了反復(fù)加載-卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該無機(jī)膠存在較大收縮性，在植筋后第100天無法承受1～15 kN范圍內(nèi)的反復(fù)荷載，極限荷載值相對(duì)于第28天齡期的下降了約20%。唐仕霖[9]開展了水泥基無機(jī)膠植筋試件的靜力拉伸試驗(yàn)和低周反復(fù)拉壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在低周反復(fù)荷載下水泥基無機(jī)膠的粘結(jié)力和粘結(jié)剛度都有明顯降低。陶立興等[10]對(duì)植筋加固后的框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抗震性能研究，試驗(yàn)時(shí)進(jìn)入位移循環(huán)后的植筋加固試件均發(fā)生了鋼筋拔出破壞，因此該文認(rèn)為植筋加固工程應(yīng)考慮反復(fù)荷載影響。

從上述研究可以看到，水泥基無機(jī)植筋膠雖然耐火性能較好，但收縮較大、粘結(jié)性能較差，且在動(dòng)力荷載下存在性能嚴(yán)重退化的問題。此外，水泥生產(chǎn)過程需消耗巨大的能量，并排放大量的二氧化碳和粉塵，被認(rèn)為是溫室氣體和PM2.5的主要來源，因此研發(fā)綠色無機(jī)膠凝材料以取代水泥一直是學(xué)術(shù)界追求的目標(biāo)。近年來一種綠色環(huán)保的無機(jī)膠凝材料——地聚物引起了人們的關(guān)注。地聚物的生產(chǎn)過程碳排放量和能耗低，且具有快硬早強(qiáng)、收縮小[11]、粘結(jié)性能和耐高溫性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)[12- 13]。Hu等[14]進(jìn)行了一系列地聚物、水泥基植筋膠的“8”字模粘結(jié)試驗(yàn)，結(jié)果表明，地聚物的3天和28天強(qiáng)度分別比普通水泥砂漿高了588%和49%。Songpiriyakij等[15]開展了以地聚物凈漿和商業(yè)有機(jī)膠為植筋膠的鋼筋-植筋膠-混凝土基體三相粘結(jié)拔出試驗(yàn)，結(jié)果顯示，地聚物凈漿的粘結(jié)強(qiáng)度約為后者的1.81倍。尚守平等[16]研究了堿激發(fā)礦渣在混凝土基材上的植筋錨固性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于d≤10 mm的鋼筋，錨固深度大于8d即可滿足錨固要求，而d>10 mm時(shí)，錨固深度≥10d才能滿足錨固要求。還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)[17]，與有機(jī)植筋膠相比，地聚物對(duì)附著面的粗糙度要求也較低。上述研究表明采用地聚物作為植筋膠是可行的，但目前尚缺乏地聚物植筋膠在混凝土以外的其他基體以及在重復(fù)加卸載作用下的研究。

本研究以偏高嶺土-粉煤灰基地聚物砂漿為植筋錨固膠，開展不同基體(混凝土、花崗巖)-地聚物砂漿-鋼筋三相粘結(jié)試件的拔出試驗(yàn)，考察錨固長度、鋼筋直徑、加載方式(單調(diào)拉拔、重復(fù)加卸載)等因素對(duì)地聚物砂漿粘結(jié)錨固性能的影響，并與普通水泥砂漿、商業(yè)有機(jī)植筋膠以及文獻(xiàn)中的地聚物植筋膠的粘結(jié)錨固性能進(jìn)行比較。本研究可為地聚物材料作為植筋膠用于混凝土及磚石結(jié)構(gòu)后錨固工程提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及其力學(xué)性能

試驗(yàn)采用3種植筋錨固材料：地聚物砂漿(GM)、普通水泥砂漿(CM)和有機(jī)植筋膠(EP)。

制備地聚物砂漿的原材料包括：粉煤灰，偏高嶺土，模數(shù)1.0、濃度40%的鉀水玻璃溶液，最大粒徑為1.18 mm的河砂以及自來水。地聚物砂漿中偏高嶺土∶粉煤灰∶鉀水玻璃∶河砂配合比為350∶350∶636.3∶2 290.8(單位為kg/m3)，粉煤灰和偏高嶺土的成分詳見文獻(xiàn)[11]。

制備水泥砂漿的原材料有：石井牌P.F.32.5粉煤灰硅酸鹽水泥、最大粒徑為1.18 mm的河砂、自來水。水泥砂漿配制采用的水灰比為0.4，砂灰比為1.5。

參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)[18]制作尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的GM和CM棱柱體各3個(gè)，用于抗壓和抗折強(qiáng)度測試；參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13:2009)[19]制作尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的GM和CM棱柱體試樣各3個(gè)，開展雙面直剪試驗(yàn)。

為測試GM和CM這兩種無機(jī)膠與混凝土之間的粘結(jié)性能，制作混凝土基體-無機(jī)膠推出試驗(yàn)試件各2個(gè)?；炷粱w尺寸為300 mm×300 mm×100 mm，中部鉆有一個(gè)直徑為40 mm的圓孔，孔底部注入20 mm高的GM或CM，如圖1所示。試件放置在自制鋼框架上，鋼框架頂板中部開洞并對(duì)齊注漿體，注漿體下部露空，注漿體上部放置推出加載頭，采用量程為200 kN的電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。試驗(yàn)加載采用位移控制，速率為0.2 mm/min。

圖1 推出試驗(yàn)試件示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of push-out test specimen(Unit:mm)

由于GM具有快硬早強(qiáng)的特性，上述所有GM試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7天、CM試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)行力學(xué)性能測試。

表1示出了GM和CM兩種砂漿的抗壓、抗折、抗剪強(qiáng)度以及與混凝土基體的粘結(jié)強(qiáng)度測試結(jié)果平均值，其中砂漿的抗壓、抗折和抗剪強(qiáng)度按文獻(xiàn)[18]和[19]中的相應(yīng)公式計(jì)算，粘結(jié)強(qiáng)度由推出試驗(yàn)測得的最大推力除以注漿體與混凝土基體的粘結(jié)面積獲得。可以看出，本研究所配制的GM和CM的抗折、抗壓和抗剪強(qiáng)度相差不大，但GM與混凝土基體的粘結(jié)強(qiáng)度比CM的高出較多，是CM與混凝土基體粘結(jié)強(qiáng)度的1.4倍。Songpiriya-kij等[15]和曹亮[20]也得到類似結(jié)論，前者通過拉拔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)地聚物凈漿與混凝土基體的粘結(jié)強(qiáng)度約為CM的1.03～1.60倍，后者通過“8”字模拉伸粘結(jié)試驗(yàn)得到的GM與混凝土材料的粘結(jié)強(qiáng)度約為CM的4倍。GM與混凝土基體具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度的原因可能是，GM中未反應(yīng)的硅酸鉀與混凝土中未反應(yīng)的氫氧化鈣反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，從而提高了GM與混凝土的粘結(jié)力[21]。

表1 CM和GM的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of CM and GM

有機(jī)植筋膠采用喜利得HIT-RE 500植筋膠，主要成分為環(huán)氧聚合物和間苯二甲胺。廠家提供的資料顯示其抗壓強(qiáng)度為82.7 MPa，壓縮彈性模量為2 600 MPa，抗拉強(qiáng)度為49.3 MPa[22]。

植入鋼筋采用直徑d為16 mm和12 mm的HRB400帶肋鋼筋，測得前者的屈服強(qiáng)度為408.39 MPa，極限強(qiáng)度為527.87 MPa；后者的屈服強(qiáng)度為417.2 MPa，極限強(qiáng)度為535.2 MPa。

1.2 拉拔試件制作

1.2.1 混凝土基體上的拉拔試件

在一塊已靜置2年、尺寸為1 050 mm(長)×1 050 mm(寬)×450 mm(高)的混凝土基體上植入鋼筋，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C30。試驗(yàn)前根據(jù)《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 384—2016)[23]，對(duì)混凝土基體進(jìn)行鉆芯取樣，芯樣為φ67 mm×67 mm(高度)的圓柱體，實(shí)測的3個(gè)芯樣的抗壓強(qiáng)度平均值為37 MPa。

在基體上表面垂直鉆孔，孔徑取25 mm，約為鋼筋直徑(d=16 mm)的1.5倍，孔深分別為5d、8d、10d或12d。用鋼絲刷和高壓水槍清理孔內(nèi)殘余粉塵，然后注入GM、CM或EP植筋膠，旋轉(zhuǎn)植入鋼筋，最后通過水平尺調(diào)整鋼筋垂直度并加以臨時(shí)固定，所有試件養(yǎng)護(hù)28天以上進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。圖2為加載前的試件?；炷粱w上共植入16根鋼筋，分為8組，每組2個(gè)試件，試驗(yàn)參數(shù)包括錨固膠類型和錨固深度，試件命名格式為“基體類型-錨固劑類型-鋼筋直徑-錨固深度”，具體參數(shù)見表2。

圖2 混凝土基體中的鋼筋拉拔試驗(yàn)試件Fig.2 Rebar pull-out test specimens in concrete substrate

表2 混凝土基體拉拔試驗(yàn)試件參數(shù)

已有研究表明，鋼筋拉拔試驗(yàn)過程中可能發(fā)生基體劈裂破壞、粘結(jié)破壞、組合破壞、鋼筋拉斷破壞等破壞模式[24- 25]。本試驗(yàn)?zāi)康闹皇潜容^GM、CM和EP這3種植筋膠的粘結(jié)錨固性能，因此要避免發(fā)生劈裂破壞。根據(jù)徐有鄰等[26]的研究結(jié)果，當(dāng)基體邊緣至鋼筋外邊緣的距離(定義為c，即保護(hù)層厚度)與鋼筋直徑(d)之間滿足c/d>4.5時(shí)，一般不會(huì)發(fā)生基體劈裂破壞。為此，本研究在混凝土基體上植入鋼筋時(shí)，混凝土基體邊緣至最近的鋼筋外邊緣距離取137.5 mm(c/d=8.6 )，相鄰兩鋼筋的凈距取125 mm(c/d=7.8),滿足c/d>4.5 的要求。

1.2.2 花崗巖基體上的拉拔試件

在對(duì)3種植筋錨固膠在混凝土基體中的粘結(jié)錨固性能進(jìn)行比較之后，為進(jìn)一步考察地聚物砂漿在其他類型基體中的錨固性能，開展了花崗巖基體中的鋼筋拉拔試驗(yàn)。由于大尺度花崗巖試塊獲取較為困難，因此采用小型花崗巖塊體植入單根鋼筋的試件制作方式。

切割12個(gè)尺寸為200 mm(長)×200 mm(寬)×300 mm(高)的花崗巖塊體，用手持沖擊鉆在其上表面中心鉆孔(c/d=5.75)至指定深度，孔徑為25 mm。清孔后注入地聚物砂漿，再旋轉(zhuǎn)植入鋼筋，并用水平尺調(diào)整鋼筋垂直度。試件分為6組，每組有2個(gè)完全相同的試件，試驗(yàn)參數(shù)包括鋼筋直徑、錨固深度和加載方式，具體如表3所示。圖3為花崗巖基體中的鋼筋拉拔試件示意圖。

表3 花崗巖基體拉拔試驗(yàn)試件參數(shù)

圖3 花崗巖基體中的鋼筋拉拔試驗(yàn)試件Fig.3 Rebar pull-out test specimens in granite substrate

1.3 加載裝置及測試方案

1.3.1 混凝土基體的鋼筋拉拔試驗(yàn)

采用穿心式手動(dòng)液壓千斤頂對(duì)混凝土基體中的鋼筋進(jìn)行拉拔試驗(yàn)(如圖4所示)，拉拔力通過力傳感器采集、力傳感器和千斤頂放置在自制的鑄鋼反力架上。為測量拉拔過程中鋼筋的滑移量，在鋼筋靠近混凝土基體上表面的位置套一個(gè)鋼夾片，鋼夾片兩側(cè)對(duì)稱布置兩個(gè)位移計(jì)。加載過程采用位移控制，加載速率約為1 mm/min。加載模式為單調(diào)加載，直到鋼筋拔出或拉斷。

圖4 混凝土基體加載裝置示意圖

1.3.2 花崗巖基體的鋼筋拉拔試驗(yàn)

花崗巖基體的鋼筋拉拔試驗(yàn)加載裝置和混凝土基體上的類似，不同的是花崗巖基體加載裝置中，在基體與反力架間放置了一塊中心開有小孔(孔徑為30 mm)的厚鋼板(如圖5所示)，其目的是使花崗巖基體表面受力均勻，避免由于局部受壓而使基體發(fā)生劈裂破壞。

圖5 花崗巖基體加載裝置示意圖

花崗巖基體的鋼筋拉拔試驗(yàn)采用兩種加載方式：單調(diào)加載和重復(fù)加卸載，加載速率均為1 mm/min。重復(fù)加卸載的過程分為3級(jí)，第1級(jí)加載至單調(diào)加載時(shí)獲得的最大拉拔力Tmax的30%后卸載至0，然后再重復(fù)加載；第2級(jí)加載至最大拉拔力Tmax的50%后卸載再重復(fù)加載，第3級(jí)加載至Tmax的70%后卸載再重復(fù)加載。每級(jí)荷載下循環(huán)3次加卸載過程，如圖6所示。三級(jí)加卸載結(jié)束之后，持續(xù)增加荷載直至試件破壞。

圖6 重復(fù)加卸載過程示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 混凝土基體中的鋼筋拉拔試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 試件破壞模式

在對(duì)錨固在混凝土基體中的鋼筋進(jìn)行拉拔試驗(yàn)的過程中，發(fā)生了3種破壞形態(tài)：錨固膠-鋼筋界面的粘結(jié)破壞、組合破壞和鋼筋拉斷破壞，見圖7。所有試件的錨固膠與混凝土基體的界面粘結(jié)完好。

圖7 混凝土基體中的鋼筋拉拔試驗(yàn)破壞模式

錨固膠-鋼筋界面的粘結(jié)破壞是指鋼筋被部分或完全拔出，一般發(fā)生在錨固膠粘結(jié)強(qiáng)度較低或鋼筋錨固深度較淺的情況[24]，如錨固深度為8d和12d的2組CM錨固鋼筋試件均發(fā)生了粘結(jié)破壞。組合破壞是指在鋼筋拔出的同時(shí)，基體表面產(chǎn)生混凝土淺錐體破壞，一般發(fā)生在錨固膠粘結(jié)強(qiáng)度較大但錨固深度較淺的情況下，錨固深度為5d、8d、10d的GM試件以及錨固深度為8d的EP試件發(fā)生的是組合破壞。鋼筋拉斷破壞則一般發(fā)生在錨固膠粘結(jié)強(qiáng)度和錨固深度均足夠大的情況下，錨固深度為12d的GM和EP試件發(fā)生的即為這種破壞。各組試件的破壞模式見表4。

表4 混凝土基體中的鋼筋拉拔試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 極限拉拔荷載及粘結(jié)強(qiáng)度

表4示出了各組混凝土基體試件的極限拉拔荷載及粘結(jié)強(qiáng)度。表中的粘結(jié)強(qiáng)度為名義粘結(jié)強(qiáng)度，由極限拉拔荷載除以錨入基體的鋼筋外周面積獲得。

分析CM、GM和EP錨固試件的極限拉拔荷載，在錨固深度同為8d(128 mm)的情況下，GM試件的極限拉拔荷載為CM試件的1.8倍，約為EP試件的0.98倍，由此可看出，GM的粘結(jié)強(qiáng)度明顯高于CM，但稍遜于EP；當(dāng)錨固深度為12d時(shí)，由于GM和EP錨固試件均發(fā)生了鋼筋拉斷破壞，因此這兩組試件的極限拉拔荷載為鋼筋的極限抗拉荷載，故差異不大；而CM試件發(fā)生的是粘結(jié)破壞，其極限拉拔荷載低于GM和EP錨固試件。

比較GM錨固試件在不同錨固深度下的極限拉拔荷載，當(dāng)錨固深度從5d增加到8d時(shí)，極限拉拔荷載約增加了12%。之后隨著錨固深度的增加，極限拉拔荷載基本保持不變。不同破壞模式的3組試件極限荷載差異不大，這是因?yàn)殄^固深度為8d的試件破壞時(shí)鋼筋就已達(dá)到屈服，并接近拉斷。

2.1.3 荷載-滑移曲線

錨固深度為8d和12d時(shí)，混凝土基體中3種不同植筋膠錨固的鋼筋拉拔試件的荷載-滑移曲線見圖8。對(duì)于發(fā)生粘結(jié)破壞的Concrete-CM-16-12d試件，其荷載-滑移曲線包括線性增長段、屈服平臺(tái)段、非線性增長段(強(qiáng)化段)和下降段。在線性增長段，鋼筋應(yīng)力處于彈性范圍內(nèi)，鋼筋滑移很小。隨著荷載增加，鋼筋進(jìn)入屈服，此時(shí)曲線進(jìn)入平臺(tái)段，鋼筋拉力幾乎不再增加，但變形量不斷增長，該變形量包含鋼筋的滑移以及埋入混凝土內(nèi)的鋼筋伸長量。接著鋼筋進(jìn)入強(qiáng)化階段，荷載進(jìn)一步增加，鋼筋變形也快速增加，此時(shí)鋼筋和錨固膠之間的化學(xué)粘結(jié)已失效，錨固力主要來源于兩者之間的機(jī)械咬合力和摩擦力。當(dāng)鋼筋肋間錨固膠被壓碎，機(jī)械咬合力逐漸喪失，拉拔力達(dá)到峰值，隨后曲線進(jìn)入下降段。在下降段，錨固力主要來源于鋼筋與錨固膠之間的摩擦力，當(dāng)鋼筋與錨固膠之間的界面連接被完全剪斷之后，界面摩擦力幾乎保持不變，因此下降段的后部分逐漸趨于平緩。試件Concrete-CM-16-8d發(fā)生粘結(jié)破壞，由于鋼筋被拔出前尚未屈服，因此曲線無屈服平臺(tái)段。

圖8 混凝土基體中不同植筋膠錨固試件的荷載-滑移曲線

錨固深度為8d的GM與EP錨固試件發(fā)生了組合破壞，相比于粘結(jié)破壞試件，其荷載-滑移曲線沒有測得下降段，原因是這兩組試件在尚未完全拔出時(shí)鋼筋已發(fā)生較大塑性變形(鋼筋已屈服)，導(dǎo)致端部滑移超出了液壓千斤頂?shù)男谐?，無法繼續(xù)加載。盡管這兩組試件的鋼筋并未完全拔出，但鋼筋也未被拉斷，且在達(dá)到千斤頂行程前鋼筋已發(fā)生了較大的滑移，混凝土基體也發(fā)生了輕微的淺椎體破壞，因此仍將其破壞劃為組合破壞。

對(duì)于鋼筋被拉斷的試件，如錨固深度為12d的GM與EP錨固試件，其荷載-滑移曲線類似于鋼筋拉伸試驗(yàn)的荷載-伸長量曲線，僅包括線性增長段、屈服平臺(tái)段、強(qiáng)化段這3個(gè)階段，沒有下降段。

比較錨固深度為8d和12d時(shí)的CM、GM和EP錨固試件可以看出，GM錨固試件的荷載-滑移曲線與EP試件的非常接近，二者均明顯優(yōu)于CM錨固試件，表明GM具有良好的粘結(jié)錨固性能。

2.2 花崗巖基體中的鋼筋拉拔試驗(yàn)

2.2.1 試件破壞模式

花崗巖基體中的鋼筋全部采用GM進(jìn)行錨固。在拉拔試驗(yàn)過程中，除錨固深度為5d的試件發(fā)生鋼筋-砂漿界面的粘結(jié)破壞(見圖9(a))外，其余試件均發(fā)生鋼筋拉斷破壞(見圖9(b))。表5示出了各組試件的破壞模式。相比于混凝土基體試件，花崗巖基體試件沒有發(fā)生組合破壞，這主要有兩方面的原因：一是花崗巖自身的強(qiáng)度高于混凝土，不易發(fā)生淺錐體破壞；二是兩種基體試件的加載裝置有所區(qū)別，花崗巖基體試件加載時(shí)，反力架和基體之間放置了一塊厚鋼板，使得基體加載面均勻受壓，抑制了基體表面裂縫和淺錐體破壞面的形成，避免了組合破壞的發(fā)生。

圖9 花崗巖基體中的鋼筋拉拔試驗(yàn)試件的破壞形態(tài)

2.2.2 試件極限荷載和粘結(jié)強(qiáng)度

表5示出了花崗巖基體的鋼筋錨固試件的極限荷載和粘結(jié)強(qiáng)度。從表中可以看到，對(duì)于d=16 mm的鋼筋，當(dāng)錨固深度從5d(80 mm)增加到12d(192 mm)時(shí)，極限荷載基本保持不變。但深度為5d的試件破壞模式為粘結(jié)破壞，其余試件的破壞模式為鋼筋拉斷破壞。這表明深度為5d時(shí)，試件的極限荷載就已經(jīng)接近能使鋼筋發(fā)生拉斷破壞的荷載。由于不同錨固深度的試件極限荷載相近，因此隨著錨固深度增加，鋼筋和植筋膠的粘結(jié)面積越大，名義粘結(jié)強(qiáng)度就越小。在花崗巖基體的鋼筋拉拔試驗(yàn)中，當(dāng)錨固深度大于8d時(shí)，試件即發(fā)生鋼筋拉斷破壞，因此8d為花崗巖基體中鋼筋的最小錨固深度。

表5 花崗巖基體中的鋼筋拉拔試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比d=12 mm和d=16 mm的情況可知，錨固深度同為5d的試件，兩者均發(fā)生的是粘結(jié)破壞，但并沒有呈現(xiàn)粘結(jié)強(qiáng)度隨直徑增加而降低的一般規(guī)律[27]，這是因?yàn)閮烧叩匿摻罹堰M(jìn)入屈服后的強(qiáng)化階段，極限荷載接近鋼筋的極限抗拉荷載。不同加載方式下的試件粘結(jié)強(qiáng)度略有差異，但差異較小，重復(fù)加卸載模式下的極限荷載僅比單調(diào)加載模式下的降低約0.7%。

2.2.3 荷載-滑移曲線

圖10示出了單調(diào)荷載下花崗巖基體中不同錨固深度的鋼筋拉拔試件的荷載-滑移曲線(每組取1個(gè)試件為代表)，除2組錨固深度為5d的試件出現(xiàn)了下降段之外，其余3組試件(錨固深度為8d、10d和12d)的曲線基本重合，并與鋼筋拉伸試樣的荷載-伸長量曲線趨勢接近。這是因?yàn)?組試件均發(fā)生鋼筋拉斷破壞。錨固深度為5d、鋼筋直徑分別為12 mm和16 mm的兩組試件因鋼筋被拔出，荷載-滑移曲線呈現(xiàn)出下降段，且可以看到這兩組試件的鋼筋均已屈服，并進(jìn)入了硬化階段，尤其是直徑為16 mm的試件，其峰值荷載前的曲線段與其他d=16 mm的試件曲線幾乎完全重合。

圖10 花崗巖基體中的鋼筋拉拔試驗(yàn)荷載-滑移曲線

隨著時(shí)間增長，地聚物砂漿可能會(huì)發(fā)生輕微收縮，從而削弱其粘結(jié)錨固性能。為更準(zhǔn)確地考察地聚物砂漿的粘結(jié)錨固性能，將兩個(gè)重復(fù)加卸載試件(Granite-GM-16-5d-Rpt-1、Granite-GM-16-5d-Rpt-2)在室內(nèi)環(huán)境放置了60天之后進(jìn)行加載。圖11(a)示出了2個(gè)重復(fù)加卸載模式的試件以及1個(gè)相同鋼筋直徑和錨固深度的單調(diào)加載試件的荷載-滑移曲線。從圖中可以看出，重復(fù)加卸載試件的曲線與單調(diào)加載的較為接近，峰值荷載相比于單調(diào)加載試件的沒有顯著降低，前期重復(fù)加卸載過程在圖11(a)中難以分辨。為此，對(duì)其中一個(gè)重復(fù)加卸載試件曲線的前期加卸載過程進(jìn)行局部放大，如圖11(b)所示，可以看出每一次重復(fù)加載的路徑基本重合，卸載路徑也幾乎重合，重復(fù)加卸載后的殘余變形在0.10～0.15 mm范圍內(nèi)，表明在經(jīng)歷不超過70%峰值荷載水平的重復(fù)加卸載后，GM的粘結(jié)錨固性能沒有明顯退化。

圖11 重復(fù)加卸載下花崗巖基體中的鋼筋拉拔荷載-滑移曲線

圖12示出了2種不同基體中相同鋼筋直徑和錨固深度的試件的荷載-滑移曲線?？梢钥闯觯?種基體中的試件曲線在線性上升段基本重合，但是在鋼筋屈服后至承載力下降前，在相同荷載水平下，花崗巖基體中的鋼筋滑移量小于混凝土基體中的，這可能與基體本身的強(qiáng)度和剛度有關(guān)[25]。本次試驗(yàn)用的混凝土基體抗壓強(qiáng)度為37 MPa，而花崗巖的名義強(qiáng)度達(dá)到了100 MPa，基體強(qiáng)度越高，對(duì)植筋膠的圍壓約束作用越明顯，從而增加了植筋膠的粘結(jié)剛度。另外，如前文所述，花崗巖基體在加載過程中表面受壓，限制了淺錐體破壞面的形成，自由端附近基體不開裂，能在中后期仍保持錨固能力，因此花崗巖基體試件在錨固深度為8d和10d時(shí)均為鋼筋拉斷破壞，而混凝土基體中的相應(yīng)試件為組合破壞，故花崗巖基體試件的峰值荷載稍大，中后期的粘結(jié)剛度也更強(qiáng)。

圖12 不同基體的荷載-滑移曲線對(duì)比

2.3 與其他文獻(xiàn)中植筋膠的粘結(jié)強(qiáng)度比較

表6示出了部分文獻(xiàn)中與本研究相似的試驗(yàn)條件下(基體材料相似，植筋膠抗壓強(qiáng)度、鋼筋直徑和錨固深度相近)無機(jī)植筋膠的粘結(jié)強(qiáng)度結(jié)果?？梢钥吹?，雖然本研究中GM的抗壓強(qiáng)度分別為文獻(xiàn)[28]和文獻(xiàn)[29]中無機(jī)膠的93%和72%，但在混凝土基體中的粘結(jié)強(qiáng)度為15.7 MPa，仍略高于其他文獻(xiàn)中的結(jié)果，這說明本研究所配制的地聚物植筋膠粘結(jié)性能優(yōu)異。

表6 本研究和其他文獻(xiàn)中粘結(jié)材料對(duì)比

2.4 與規(guī)范的比較

《混凝土后錨固技術(shù)規(guī)程》[30]第C.5.4條規(guī)定，植筋破壞性檢驗(yàn)結(jié)果滿足式(1)時(shí)，錨固質(zhì)量可評(píng)定為及格。

(1)

當(dāng)錨固深度為8d時(shí)，GM在混凝土基體中的極限拉拔力最小值為101.02 kN，大于直徑為16 mm的HRB400鋼筋設(shè)計(jì)拉力的1.25倍(90.5 kN)。因此，當(dāng)錨固深度為8d時(shí)，已滿足規(guī)范要求。

《混凝土結(jié)構(gòu)工程無機(jī)材料后錨固技術(shù)規(guī)程(JGJ/T271—2012)》[31]要求實(shí)際工程中無機(jī)材料植筋的錨固深度構(gòu)造要求應(yīng)大于12d，而在混凝土基體與花崗巖基體中，采用GM植筋時(shí)錨固深度分別為12d和8d就能使d=16 mm的鋼筋拉斷。因此，使用地聚物砂漿作為植筋膠，錨固深度僅需滿足規(guī)范規(guī)定12d的構(gòu)造要求即可。

需要指出的是，上述結(jié)論是在基體不發(fā)生劈裂破壞的前提下獲得的。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需采取措施避免劈裂破壞的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

本研究開展了地聚物砂漿植筋錨固試件的拉拔試驗(yàn)，研究了基體類型、錨固長度、鋼筋直徑和加載方式對(duì)地聚物砂漿粘結(jié)錨固性能的影響，得到以下的結(jié)論：

(1)在抗折、抗壓和抗剪強(qiáng)度相近的情況下，地聚物砂漿與混凝土基體的粘結(jié)強(qiáng)度高于水泥砂漿的，在本試驗(yàn)中，前者約為后者的1.4倍。

(2)地聚物砂漿植筋的粘結(jié)錨固性能遠(yuǎn)優(yōu)于抗壓強(qiáng)度相近的普通水泥砂漿，稍遜于商業(yè)有機(jī)膠。

(3)在混凝土基體和花崗巖基體中采用地聚物砂漿植筋，達(dá)到12d的構(gòu)造錨固深度即可滿足規(guī)范關(guān)于植筋膠的粘結(jié)錨固質(zhì)量要求。

(4)地聚物砂漿的植筋錨固性能幾乎不受重復(fù)加卸載的影響，在不高于70%峰值荷載水平下進(jìn)行多次重復(fù)加卸載，其粘結(jié)力和粘結(jié)剛度沒有明顯降低。