混凝土结构加大截面加固水泥基灌浆混合料抗压强度的现场实体试验研究

尹萌萌

（淄博职业学院建筑工程学院，淄博255314）

0 引 言

整体混凝土结构系统与各组件之间具备联合效应，且安全结构系统需要层层防御，在这当中各组件的重要性不尽相同［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会落下［2］。以往的地震灾害显示地震时的建筑结构崩塌和破坏一般都由于柱子遭受到损坏而引起［3］。最常用的柱体加固方式为增加截面法，采用被凿毛的柱子表面以去除柱子角，但这种方式除了建设效率慢、伴有大量的灰尘外，激烈振动还会损伤钢筋，并造成混凝土内部损伤的扩大化［4］。因此，在确保建筑构造物的安全性前提下，需要提出一种有利于生态环境的经济性接合表面处理方法。为了研究各种结合表面处理方法对结构力学性能的影响，本研究将核心柱体的外部面分为三类研究参数，具体为未经过处置、凿毛和黏贴钢丝网格处理，并对3 根以水泥灌浆料为基础强化的柱状试验件进行轴向压力测试。

1 研究试件的设计制作

试样材料接合面的力传递效果直接影响扩大截面法加固后的材料性能［5］。为了调查结合表面处理方法给柱体的机械特性带来的影响，制造了3 个以水泥灌浆料为基础强化的柱状试验件。具体设计参数如表1 所示，三个核心柱体的外部面处置方法分别是表面不处理、凿毛和黏贴钢丝网。为了强化突出表面处理方式对受力性能的影响，本研究减少了柱子中钢筋的比例。核心柱体和水泥灌浆材料增强的一部分柱体都配备有48 个纵肋条，柱体端部边缘的箍筋是3根φ6@30，非加密领域的箍筋是φ6@100。

2 加固试验的测试步骤

经过水泥基灌浆加固的柱子，各种材料的强度协作水平，都会致使应力情况变得非常复杂［7］。柱体强化固定最为理想化的情况是在柱子的支撑力到达其极限的时候，各种材料也都在自身的强度范围之内达到了最高的数值强度［8］。为了研究水泥基灌浆材料强化实施后柱体的形变特性以及不同材料的协作能力，本测试研究轴向载荷下加固柱的横向以及纵向量变、极端工况下的支撑能力等，以及连续负荷时强化柱的形变特性与损坏特性。

表1 试验件的具体参数Table 1 Specific parameters of test pieces

图1 核心柱体及增强柱体的设计图（单位：mm）Fig.1 Design drawing of core column and reinforced column（Unit：mm）

2.1 应变测量步骤

使用水泥基灌浆材料作为增强材料可以最大限度地利用水泥基灌浆材料的高水平抗压特性［9-10］。经过强化后的水泥基灌浆材料在其抗压水平方面是否有所提升，并且在运用过程当中是否能够最大程度地发挥效用，取决于水泥基灌浆材料的应变情况。为此，应变仪要靠近柱体自身的中央，同时，为了判断接合面的连接成效，判断相对滑动位移情况是否出现，应变仪必须在核心柱体和增强部件之间的接合面上，如图2所示。

图2 柱体表面应变量配置（单位：mm）Fig.2 Strain gauge configuration of cylinder surface（Unit：mm）

2.2 电阻应变片的布置

根据图3 显示，为了研究这种情况下的钢筋是否屈服，以及各钢筋的变化和各柱体之间支撑力的关系，将标准距离2 mm的电阻应变片配置在核心柱体和水泥基灌浆材料的增强区域中。ZZY代表纵向柱体的应变量片，ZGY 代表柱体箍筋应变量片。

图3 增强柱体应变片的布局（单位：mm）Fig.3 Layout of cylinder reinforced strain gauge strain gauge layont of strengthenedcylinder（Unit：mm）

2.3 位移测量仪的布置

轴方向的压缩应力会引起加固柱体的压缩形变，垂直拉伸应力会引起加固柱的膨胀变形。柱体压缩变量反映了负载进程中柱体塑性进展，膨胀量反映了柱体的拉伸容量，还可以更加明显地反映由于负荷时的滑动而导致的加固接合面的脱离程度，并可以此对比不同接合面的强化成效。为了避免相位计之间的关联效应影响，在柱体的上部到10 mm 距离配置2 个相位计，用以测量柱体的垂直压缩位移，在柱子的中央部位4 边侧配置4个位移测量计，具体配置情况如图4所示。压缩与膨胀状态下的位移计算公式如下：

式中：ΔLx代表相位计所测量出来的X数值；ΔH表示柱体在压缩条件下的位移情况；δ1表示柱体在膨胀条件下的位移情况。

图4 柱试件位移计的配置（单位：mm）Fig.4 Displacement meter layout of spelimen（Unit：mm）

2.4 试验测试步骤

测试使用单轴负荷法，研究轴向载荷条件下加固柱的力学性能。

2.4.1 测试装载装置

钢筋混凝柱体的负荷范围是0～5 000 kN，在三轴应力试验机中精准施加压力，具体情况如图5所示。

图5 柱轴压加载装置Fig.5 Column axial pressure loading device

2.4.2 试验加载步骤

柱体的试验负荷按照最大压缩负荷的20%逐级递增，直至加载到裂缝负荷的60%，在负荷保持阶段测量裂缝的宽度及发展方向，直到载荷无法增加为止。

2.4.3 试验破坏特征

三根强化柱体的破损特性不像理论上所讲述的那样是从柱体中央呈现灯笼状破损，而是柱体中央部和柱体上部最出现裂缝。其主要原因是加工误差导致。在负荷的初期阶段，强化柱体的试验件整体承受轴方向的压力，随着荷重达到最终支持力水平的50%，“吱吱”的声音从试验片的内部向外界传出，表示柱体的不同材料变形开始不一致，同时微裂纹逐渐增大。由于水泥基灌浆材料和混凝土弹性率的不同，接合面产生了剪切应力，当结合力度比剪切应力小的时候，在混凝土和水泥基灌浆材料的黏合面发生滑动。当负荷增加到极端支持力的70%的时候，柱体中央上部的水泥基灌浆材料的微小裂缝开始增加，出现垂直裂缝。如果负荷持续的增长的话，垂直裂缝的数量也会持续增加。

柱体上面水泥基底灌浆材料的一部分开始小范围破碎，横向裂缝开始产生，柱子上水泥底层灌浆材料的强化层和核心柱体在很大程度上完全分离，水泥基灌浆材料梯度强化形成了薄壁的“口”形状，水泥基灌浆材料受到了不稳定损伤。在极限负荷邻近区域，水泥基层灌浆材料和混凝土开始进入塑性变形，裂缝呈现扩大化趋势，由于混凝土横向没有约束力，发生较大的变形，从而产生大的“卸载”现象。柱体试验件瞬时达到最大耐力，同时还有“嘭”的爆炸声响起。柱体上部的水泥基灌浆材料彻底进入可塑性阶段，进而大面积被撕裂，柱体遭受损伤，试验件的耐力大幅度降低。

3 试验应变分析

3.1 水泥基灌浆料应变

根据图6 显示，在负荷的初始阶段，水泥基灌浆材料的应变曲线与负荷呈现线性相关。这表明，强化后的试验件整体承受压力，连接面没有出现滑动等现象。如果试验件的裂缝拓展到中央部位的话，应变随之突然变化，应变量进而破损。比较3个强化柱体试验件的负荷-应力曲线能够得知，在同样的负荷条件下，没有实施过任何结合面处置的RCZ-1柱体，应变应当比其他的2个柱体显著大一点，表明混凝土和水泥基灌浆材料出现了滑动情形。基于水泥基灌浆材料的接合面处理后得到了改善，水泥基灌浆材料与其他材料能够更加容易地发挥协同作用，相对滑动也会随之减少。因此，对于柱体的强化，必须要进行结合表面处理。

图6 各试件灌浆料的力-应变曲线Fig.6 Force-strain curve of each specimen

3.2 钢筋应变曲线分析

根据图7 所示，在加载初始阶段，加强柱内的钢筋及水泥灌浆基料应变均减小，在继续加载出现裂缝时，钢筋的应变曲线出现拐点，随后加强柱内的应变开始迅速增大，而灌浆料内的钢筋应变并无增大。由此可以看到，进行灌浆施工后的强度逐渐增大，同时为了充分利用钢筋的强度，尽量不要选择低强度钢筋。

图7 各试件钢筋的力-应变曲线Fig.7 Force-strain curve of each specimen

3.3 加载曲线特性

如图8（a）所示，柱体的压缩位移程度和负荷之间呈现出显著的关联效应。主要原因是负荷结束后，水泥基灌浆料产生了裂缝，加强柱的四角脱落，压力面减少，混凝土和水泥基灌浆料呈现出明显的弹性形变。测试件RCZ-2和RCZ-3的压缩量曲线，在负荷的后期阶段展现出了特定的可塑形变特性。试验件RCZ-1 的极端负荷水平不高，压缩量微小，并且损坏情况显著。这表明，如果没有处理黏合面，水泥基灌浆料和混凝土会轻易滑脱，导致类似于薄壁组件的失稳现象。经过对比实施能够得知，包裹钢线网格处置下的RCZ-3 的压缩刚性最大，凿毛处置的RCZ-2 试验件的压缩刚性位列第二，没有经过处置的RCZ-1 试验件的压缩刚性最小。其主要成因是黏接面处理后，新旧材料脱开较晚，整体截面的刚度大于两个截面叠加的刚度，钢丝网包裹的混凝土具有更强的握裹力。另外从图中可以看到，实施了凿毛处理的RCZ-2测试块能源消耗性能最高，实施了线网格处理的RCZ-3 能源消耗性能位列第二，试验件RCZ-1 能源消耗最少。

4 结 论

（1）柱体采用水泥基灌浆料进行强化可以充分发挥水泥基灌浆料高强度的抗压特性。

（2）强化柱体接合面的处理能够提高部件的承载力，此外还能够提升各种材料的协调性能。

（3）通过运用钢网状的接口处置模式，能够大幅度提升工作效率，避免对环境产生太大的污染。

（4）在混凝土柱体上使用水泥基灌浆料时，不应当使用强度水平较高的钢筋，如果柱体受损，钢筋在大多数情况下都不会屈服。

图8 柱体的位移力曲线Fig.8 Force-displace of cylinder