高鈦型高爐渣混凝土植筋抗拔試驗(yàn)研究分析

付 建，謝冰瑩，阮小龍，王 偉，黃小愷

(1.攀枝花學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2.四川省工業(yè)固態(tài)廢棄物土木工程綜合開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 攀枝花 617000)

0 前 言

國內(nèi)外對(duì)于高鈦型高爐渣的開發(fā)利用，主要觀點(diǎn)基本上分為兩種路線，即高鈦型高爐渣提鈦利用和高鈦型高爐渣不提鈦利用。對(duì)于高鈦型高爐渣提鈦利用，主要技術(shù)路線為制備鈦硅合金、制備碳化鈦及碳化鈦分選技術(shù)、高鈦高爐渣酸浸提取TiO2、直接選礦富集回收TiO2、高鈦高爐渣冶金改性-選擇性分離技術(shù)和堿處理技術(shù)等[1-4]。盡管對(duì)其進(jìn)行提鈦利用是實(shí)現(xiàn)高鈦型高爐渣價(jià)值的首要選擇，而且從目前高鈦型高爐渣綜合利用研究進(jìn)展來看，研究技術(shù)及工藝具備，但是低成本提鈦技術(shù)尚未取得關(guān)鍵性成果，高鈦型高爐渣提鈦技術(shù)還未廣泛使用，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。對(duì)于高鈦型高爐渣不提鈦利用，學(xué)者們研究成果較多，利用方式多樣，主要技術(shù)路線為利用高鈦型高爐渣為骨料或利用高鈦型高爐渣粉末為摻合料制備混凝土、制備礦渣磚和制備新型礦棉等[1-5]。盡管對(duì)其進(jìn)行不提鈦利用沒能實(shí)現(xiàn)其最大價(jià)值，但是可以有效促進(jìn)高爐渣的消耗，減少環(huán)境污染，能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

從目前高鈦型高爐渣混凝土研究現(xiàn)狀及前景來看，基于高鈦型高爐渣混凝土的研究成果最多、應(yīng)用最廣，主要包括高鈦型高爐渣混凝土的制備、物理和力學(xué)性能研究和高鈦型高爐渣混凝土構(gòu)件的抗震性能研究等。高鈦型高爐渣混凝土的研究成果不斷運(yùn)用于工程實(shí)踐當(dāng)中，取得了較好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保及社會(huì)效益[6-7]，但針對(duì)在役高鈦型高爐渣混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷之后的加固方式、加固材料的研究，國內(nèi)外學(xué)者研究還不夠深入，這將成為今后國內(nèi)外學(xué)者研究的重要方向之一。在混凝土結(jié)構(gòu)的眾多加固方法中，植筋技術(shù)均是配合混凝土結(jié)構(gòu)加固方法必須要使用的技術(shù)，希望通過本文的研究工作及研究成果，能夠?yàn)樵谝鄹哜佇透郀t渣混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)和施工提供后植筋技術(shù)方面的參考，為高鈦型高爐渣混凝土的推廣應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，進(jìn)而促進(jìn)高鈦型高爐渣的推廣應(yīng)用。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用攀鋼高爐渣和普通碎石作為粗骨料、采用普通砂為細(xì)骨料，采用普通硅酸鹽水泥42.5級(jí)為膠凝材料，分別制備強(qiáng)度等級(jí)C40的高鈦型高爐渣混凝土試件和普通混凝土試件，采用直徑為8 mm和12 mm的HRB400級(jí)鋼筋分別與兩種類型的混凝土試件，進(jìn)行后植筋錨固抗拔對(duì)比試驗(yàn)，從而得到高鈦型高爐渣混凝土后植筋錨固抗拔試驗(yàn)的相關(guān)成果。

1.2 混凝土試件制備

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2000)和學(xué)者現(xiàn)有高鈦型高爐渣混凝土配合比的研究成果，本試驗(yàn)采用為的C40普通混凝土配合比(水泥∶砂∶碎石∶水)為1∶1.30∶2.76∶0.42，C40高鈦型高爐渣混凝土配合比(水泥：砂：高爐渣：水)為1∶1.85∶2.64∶0.50。本試驗(yàn)采用的混凝土試件尺寸均為300 mm×300 mm×400 mm，試件數(shù)量為高鈦型高爐渣混凝土試件6個(gè)、普通混凝土試件6個(gè)，養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 混凝土試件植筋

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》(JGJ145-2013)要求，有抗震要求的錨固連接，應(yīng)選用化學(xué)植筋、能防止膨脹片松弛的擴(kuò)孔型錨栓或扭矩控制式膨脹型錨栓，抗震錨固連接錨栓的最小有效錨固深度易滿足相應(yīng)要求，本試驗(yàn)錨栓類型為化學(xué)植筋，鋼筋為HRB400級(jí)、直徑為8 mm和12 mm，兩種類型混凝土構(gòu)件強(qiáng)度等級(jí)均為C40，最小有效錨固深度hef，min=21d，d為植筋鋼筋直徑[8]。本試驗(yàn)中對(duì)于直徑為8 mm鋼筋hef，min=168 mm，直徑為12 mm鋼筋hef，min=252 mm，化學(xué)植筋孔徑為d+4 mm，即直徑為8 mm鋼筋為12 mm，直徑為12 mm鋼筋為16 mm。錨固膠采用淮南求新錨固材料有限公司生產(chǎn)的高強(qiáng)型建筑結(jié)構(gòu)膠，包括甲組分和乙組分，配比為甲組分：乙組分=100∶4。本試驗(yàn)采用化學(xué)植筋為單個(gè)試件單根植筋，主要工藝流程為植筋定位、鉆孔、清孔、注膠、植入鋼筋和植筋固化。

1.4 試驗(yàn)方法及加載方式

本試驗(yàn)采用手動(dòng)加壓錨桿拉拔儀，分別對(duì)3個(gè)高鈦型高爐渣混凝土C40后植筋(8 mm)試件、3個(gè)高鈦型高爐渣混凝土C40后植筋(12 mm)試件和3個(gè)普通混凝土C40后植筋(8 mm)試件、3個(gè)普通混凝土C40后植筋(12 mm)試件，進(jìn)行連續(xù)加載，分別讀取12個(gè)試件后植筋抗拔力試驗(yàn)峰值。試驗(yàn)加載(部分)過程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)加載(部分)

2 抗拔試驗(yàn)研究分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 普通混凝土C40基材試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)表明，普通混凝土C40后植筋抗拔試驗(yàn)破壞主要有兩種形態(tài)：錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞和鋼筋屈服斷裂破壞。普通混凝土C40(植8 mm鋼筋)試件鋼筋屈服破壞1個(gè)，普通混凝土C40(植12 mm鋼筋)試件鋼筋屈服破壞2個(gè)，其余試件均為錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞。

對(duì)于普通混凝土C40后植筋試件錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞，加載初期，鋼筋抗拔力逐漸增加，且上升穩(wěn)定，繼續(xù)加載，鋼筋根部周圍混凝土開裂，發(fā)出破碎的聲音，繼續(xù)加載，在鋼筋本部形成明顯的混凝土錐體，鋼筋隨即被徐徐拔出，加載荷載隨即明顯下降，最終試件喪失加載能力，形成明顯的錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞。如圖2所示。

圖2 普通混凝土C40錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞

對(duì)于普通混凝土C40后植筋試件鋼筋屈服斷裂破壞，加載初期，鋼筋抗拔力穩(wěn)步上升，繼續(xù)加載，鋼筋根部混凝土破裂，鋼筋位移很小，持續(xù)加載，鋼筋屈服直至斷裂，形成明顯的鋼筋屈服斷裂破壞。如圖3所示。

圖3 普通混凝土C40的鋼筋屈服斷裂破壞

普通混凝土C40后植筋試件抗拔試驗(yàn)相關(guān)結(jié)果如表1所示。

表1 普通混凝土C40后植筋試件抗拔試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 高鈦型高爐渣混凝土C40基材試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)表明，高鈦型高爐渣混凝土C40后植筋抗拔試驗(yàn)破壞主要有兩種形態(tài)：錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞和混凝土與結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)破壞。礦渣混凝土C40(植8mm鋼筋)試件混凝土與結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)破壞1個(gè)，其余試件均為錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞。

對(duì)于礦渣混凝土C40后植筋試件錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞，加載過程及破壞形成過程同普通混凝土C40后植筋試件。如圖4所示。

圖4 礦渣混凝土C40錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞

對(duì)于礦渣混凝土C40后植筋試件混凝土與結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)破壞，加載初期，鋼筋抗拔力上升穩(wěn)定，繼續(xù)加載鋼筋根部混凝土破裂，鋼筋位移明顯增加，繼續(xù)加載鋼筋位移持續(xù)增加，直至被拔出，加載荷載隨即顯著下降，最終試件尚失加載能力，形成明顯的混凝土與結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)破壞。如圖5所示。

圖5 礦渣混凝土C40混凝土與結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)破壞

高鈦型高爐渣混凝土C40后植筋試件抗拔試驗(yàn)相關(guān)結(jié)果如表2所示。

表2 礦渣混凝土C40后植筋試件抗拔試驗(yàn)結(jié)果

2.2 試驗(yàn)分析

2.2.1 破壞形態(tài)分析

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》(JGJ145-2013)相關(guān)條文要求，對(duì)于滿足錨固深度要求的化學(xué)植筋，不應(yīng)產(chǎn)生混凝土基材破壞及拔出破壞。本次試驗(yàn)采用兩種直徑的鋼筋，針對(duì)同一直徑的鋼筋，在兩種混凝土基材上面均采用相同的錨固深度，錨固深度均滿足抗震錨固連接錨栓的最小有效錨固深度。普通混凝土C40后植筋6個(gè)試件抗拔破壞形態(tài)為錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞和鋼筋屈服斷裂破壞，均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；高鈦型高爐渣混凝土C40后植筋6個(gè)試件中，僅有1個(gè)試件為混凝土與結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)破壞，其余5個(gè)試件均為錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞，綜合評(píng)判，能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2.2.2 極限承載力發(fā)展趨勢(shì)分析

本試驗(yàn)表明，加載初期后植筋抗拔力，隨著加載速度的增加而穩(wěn)步上升，加載速率與抗拔力增加呈線性關(guān)系。在兩種混凝土基材上面，均表現(xiàn)出后植筋抗拔力與鋼筋直徑關(guān)系較大，后植筋抗拔力隨著鋼筋直徑增大而增加。在鋼筋直徑及錨固深度相同的情況下，普通混凝土C40后植筋試件與礦渣混凝土C40后植筋試件，后植筋抗拔極限承載力相當(dāng)。

2.2.3 極限承載力評(píng)價(jià)

本試驗(yàn)表明，針對(duì)高鈦型高爐渣混凝土基材，采用化學(xué)植筋工藝進(jìn)行后植筋，在滿足抗震錨固連接錨栓的最小有效錨固深度的條件下，化學(xué)植筋錨固性能良好，能夠滿足現(xiàn)在規(guī)范要求。通過本試驗(yàn)，能夠?yàn)閱五^混凝土錐體受拉破壞時(shí)的受拉承載力計(jì)算提供采用化學(xué)植筋方式時(shí)受拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的參考，進(jìn)而推動(dòng)化學(xué)植筋工藝在配合各類混凝土結(jié)構(gòu)加固施工等方面的使用。

3 結(jié) 論

1)在鋼筋直徑及錨固深度相同的情況下，普通混凝土基材與高鈦型高爐渣混凝土基材，后植筋抗拔極限承載力相當(dāng)。

2)在滿足抗震錨固連接錨栓的最小有效錨固深度的條件下，高鈦型高爐渣混凝土基材后植筋抗拔試驗(yàn)，試件破壞形態(tài)主要以錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞為主。

3)高鈦型高爐渣混凝土基材，采用化學(xué)植筋工藝進(jìn)行后植筋，在滿足抗震錨固連接錨栓的最小有效錨固深度的條件下，化學(xué)植筋錨固性能良好，能夠滿足現(xiàn)有規(guī)范要求。

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