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

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.

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)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

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

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.

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:

f^c_cu=A*F+B(1)

表1 无筋素RPC试件试验数据
Tab.1 Experimental data of plain RPC column

A=(∑ⁿ_i=1f_jF_1i-1/n*(∑ⁿ_i=1F_1i)(∑ⁿ_i=1f_j))/(∑ⁿ_i=1F²_1i-1/n*(∑ⁿ_i=1F_1i)²)(2)

B=f^--AF^-(3)

式中:f^c_cu为混凝土强度推定值(MPa); F为拔出力代表值(kN); A、B为测强公式回归系数; n为先装拔出法测点数; F_li为第i个先装拔出测点的拔出力(kN); f_j为第j组该强度等级立方体试块的抗压强度(MPa); F_<sup>-为先装法拔出力平均值(kN); f^-为立方体试块抗压强度平均值(MPa).

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

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

相关系数R²表示RPC试件的强度推定值f^c_cu和拔出力F线性关系的强弱,R²的值越接近1说明两者之间的线性相关性越好,拟合方程式的准确度越高.代入试验数据可算得:R²=0.973,相关系数大于 0.8表明RPC的抗压强度与拔出力之间有良好的线性相关性.

相对标准差e_R是衡量回归方程的规律性强弱的参数,计算可得:e_R=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C_v是揭示数据离散程度的参数,通过计算可得C_v=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.

配筋RPC试件相关拔出力数据如表2.

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
Tab.2 Experimental data of plain RPC column

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
Tab.3 Strength curve and parameter in regression analysis between RPC columns of different distance longitudinal tendons

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