非正常灌漿對鋼筋套筒灌漿連接接頭受力性能影響的試驗研究*

高潤東，肖 順，李向民，王卓琳，劉 輝，許清風

(上海市建筑科學研究院有限公司 上海市工程結構安全重點實驗室， 上海 200032)

0 引言

2016年9月30日發(fā)布的《國務院辦公廳關于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》(國辦發(fā)〔2016〕71號)，要求力爭用10年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%。2016年我國新開工裝配式建筑面積為1.14億m2，2017年為1.6億m2，2018年則達到2.9億m2，裝配式建筑在我國呈快速發(fā)展趨勢。目前，裝配式混凝土結構是裝配式建筑采用的主要結構形式，鋼筋套筒灌漿連接則是裝配式混凝土結構豎向構件采用的主要連接方式，灌漿質量對鋼筋套筒灌漿連接接頭受力性能以及結構整體性能具有重要影響[1-6]。2015年以來，課題組對上海、江蘇、安徽、北京等多個省市大量實際工程的灌漿作業(yè)進行了調研[7]，發(fā)現(xiàn)仍存在以下少量非正常灌漿情況：1)用水泥凈漿代替灌漿料；2)現(xiàn)場現(xiàn)澆作業(yè)時混凝土凈漿(試驗中用水泥砂漿模擬)濺到鋼筋上未處理；3)使用過期灌漿料；4)隨意調高灌漿料水灰比；5)攪拌好的灌漿料放置時間超過規(guī)定時間后再使用。

本文通過試驗研究了以上非正常灌漿情況對鋼筋套筒灌漿連接接頭受力性能的不利影響，同時，基于試驗結果，對實際工程用灌漿料及其灌漿工藝提出具體建議。

1 試驗設計

1.1 原材料

鋼筋強度等級為HRB400，直徑為20mm，屈服強度為420.5MPa，抗拉強度為615.2MPa，斷后伸長率為28.7%。套筒為GTZQ4-20型全灌漿套筒，基本性能滿足行業(yè)標準《鋼筋連接用灌漿套筒》(JG/T 398—2012)[8]的要求。灌漿料與套筒配套，包括正常灌漿料(在保質期3個月以內，基本性能滿足行業(yè)標準《鋼筋連接用套筒灌漿料》(JG/T 408—2013)[9]的要求)、超過保質期6個月、超過保質期12個月三種。水泥為P·O 42.5號和P·O 52.5號兩種型號。砂為中砂。拌合用水為自來水。

1.2 試驗工況

試驗工況 表1

試驗設計工況如表1所列。各種工況下，鋼筋在套筒內的錨固長度均為8d(d為鋼筋公稱直徑)。各工況采用的配合比及伴隨試塊在標準養(yǎng)護條件下28d抗壓強度均列入表1。

1.3 單向拉伸試驗及測試內容

根據(jù)行業(yè)標準《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規(guī)程》(JGJ 355—2015)[10]，對各工況下的接頭試件實施單向拉伸試驗，測試各試件的屈服強度、抗拉強度、殘余變形、最大力下總伸長率和破壞模式。另外，下段鋼筋在套筒內錨固中部處和套筒外50mm處，各布置1個應變片，測試接頭單向拉伸過程中鋼筋的應變變化情況。

2 試驗結果與分析

各工況下接頭試件的單向拉伸試驗結果見表2，破壞模式如圖1所示。

圖1 接頭試件破壞模式

各工況下接頭試件的單向拉伸試驗結果 表2

根據(jù)行業(yè)標準《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規(guī)程》(JGJ 355—2015)[10]：每組每個接頭試件的屈服強度不應小于連接鋼筋屈服強度標準值(本研究所用鋼筋屈服強度標準值為400MPa)，每組每個接頭試件的抗拉強度不應小于連接鋼筋抗拉強度標準值(本研究所用鋼筋抗拉強度標準值為540MPa)，且破壞時應斷于接頭外鋼筋，每組每個接頭試件單向拉伸試驗加載過程中，當接頭拉力達到連接鋼筋抗拉荷載標準值的1.15倍(相當于本研究所用鋼筋抗拉強度達到其標準值540MPa的1.15倍，即621MPa)而未發(fā)生破壞時，應判為抗拉強度合格，可停止試驗；當鋼筋直徑不超過32mm時，每組3個接頭試件的殘余變形的平均值不應超過0.10mm；每組3個接頭試件的最大力下總伸長率的平均值不應小于6.0%。

基于以上規(guī)定，由表2和圖1可見：

(1)正常灌漿對比工況下，接頭試件單向拉伸性能滿足標準要求。

(2)水泥凈漿替代灌漿料工況:當采用 P·O 42.5 號水泥時，伴隨試塊在標準養(yǎng)護條件下28d抗壓強度為75.2MPa，8號接頭試件的實測抗拉強度小于540MPa，且7～9號接頭試件接頭外鋼筋均未斷，因此，用P·O 42.5號水泥凈漿代替灌漿料時，接頭試件單向拉伸性能不滿足標準要求。當采用 P·O 52.5 號水泥時，伴隨試塊在標準養(yǎng)護條件下28d抗壓強度為87.2MPa，12號接頭試件的實測抗拉強度小于540MPa，且10～12號接頭試件接頭外鋼筋均未斷，盡管水泥凈漿的抗壓強度高于85MPa，但純水泥凈漿與鋼筋間的粘結錨固作用低于灌漿料，因此，用P·O 52.5 號水泥凈漿代替灌漿料時，接頭試件單向拉伸性能也不滿足標準要求。實際工程中應嚴禁使用水泥凈漿代替灌漿料。

(3)水泥砂漿包裹鋼筋工況：當實測水泥砂漿包裹厚度為2mm時(圖2(a))，水泥砂漿未完全覆蓋鋼筋肋高，接頭試件單向拉伸性能滿足標準要求。當實測水泥砂漿包裹厚度為4mm時(圖2(b))， 水泥砂漿已完全覆蓋鋼筋肋高，16～18號接頭試件的實測屈服強度均小于400MPa，實測抗拉強度均小于540MPa，3個接頭試件的實測最大力下總伸長率的平均值小于6.0%，且3個接頭試件接頭外鋼筋均未斷，因此，當實測水泥砂漿包裹厚度為4mm時，接頭試件單向拉伸性能不滿足標準要求。當水泥砂漿實測包裹厚度為6mm時(圖2(c))，水泥砂漿已完全覆蓋鋼筋肋高，19～21號接頭試件的實測抗拉強度均小于540MPa，3個接頭試件的實測最大力下總伸長率的平均值小于6.0%，且3個接頭試件接頭外鋼筋均未斷，其中，20，21號接頭試件的下段鋼筋發(fā)生了刮犁式拔出(圖3)，因此，當實測包裹厚度為6mm時，接頭試件單向拉伸性能不滿足標準要求。實際工程中，應為現(xiàn)場外露待插入套筒的鋼筋設置防護措施，可采用循環(huán)使用的保護套，防止混凝土凈漿濺射到表面形成錨固薄弱層；未采取防護措施的，如有混凝土凈漿濺射到鋼筋表面，在構件吊裝前應采用鋼絲刷對鋼筋表面進行有效清理。

圖2 水泥砂漿包裹鋼筋

圖3 鋼筋發(fā)生刮犁式拔出

(4)使用過期灌漿料工況：當灌漿料超過保質期6個月和超過保質期12個月時，接頭試件單向拉伸性能均滿足標準要求。本試驗所用灌漿料的保質期為3個月，試驗結果表明，正常使用條件下該保質期規(guī)定具有較大安全儲備。

(5)使用高水灰比灌漿料工況：當灌漿料水灰比為正常水灰比的1.1倍和1.2倍時，接頭試件單向拉伸性能均滿足標準要求。當灌漿料水灰比為正常水灰比的1.35倍時，38，39號接頭試件的實測屈服強度均小于400MPa，該組接頭試件單向拉伸性能不滿足標準要求。當灌漿料水灰比為正常水灰比的1.5倍時，灌漿料漿體發(fā)生嚴重離析(圖4)，28號接頭試件的實測屈服強度小于400MPa，30號接頭試件接頭外鋼筋未斷，因此，該組接頭試件單向拉伸性能不滿足標準要求。當灌漿料水灰比為正常水灰比的1.35倍和1.5倍時，伴隨試塊在標準養(yǎng)護條件下28d抗壓強度分別為92.9MPa和87.4MPa，盡管均高于85MPa，但由于水灰比過大，灌漿料漿體發(fā)生不同程度的離析，降低了其與鋼筋間的粘結錨固作用，另外，該結果也表明灌漿料漿體的抗壓強度未必能準確反映粘結強度。實際工程中使用的灌漿料產品，水灰比一般為可浮動的范圍，正常水灰比一般取該浮動范圍的中間值，當環(huán)境溫度比較高時，水灰比可取偏該浮動范圍的上限值，但必須嚴格控制不能超過上限值。

圖4 灌漿料漿體發(fā)生嚴重離析

(6)灌漿時間滯后工況：灌漿料攪拌后30min進行灌漿，灌漿料漿體仍具有較好的和易性(圖5(a))， 灌漿能夠正常進行，接頭試件單向拉伸性能滿足標準要求。灌漿料攪拌后60min進行灌漿，灌漿料漿體和易性急劇變差(圖5(b))，盡管在實驗室可通過多種措施勉強完成灌漿，最終接頭試件單向拉伸性能也基本滿足標準要求，但實際工程中和易性較差的灌漿料難以順利灌漿，因而要求灌漿料漿體需在攪拌后30min內完成灌漿。

圖5 灌漿料攪拌后不同時間下的狀態(tài)

接頭試件的下段鋼筋在套筒內錨固中部處和套筒外50mm處，各布置1個應變片(分別標記為套筒內和套筒外)，測試接頭單向拉伸過程中鋼筋的應變變化情況。限于篇幅，選擇部分典型工況接頭(1號、18號、30號、40號)列出套筒內外鋼筋應變隨荷載的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 套筒內外鋼筋應變隨荷載的變化規(guī)律

由圖6可見，加載過程中無論是接頭外鋼筋被拉斷(1號和40號)，還是鋼筋未斷(18號和30號)，最終均是接頭外鋼筋發(fā)生屈服。這主要是因為，單向拉伸軸力作用下，接頭外鋼筋段單獨受力，而接頭內鋼筋段和灌漿料、套筒共同受力，同一時刻，接頭外鋼筋段承擔的作用力大于接頭內鋼筋段，因此，同一根鋼筋的接頭外部分首先發(fā)生屈服，而接頭內部分一般不再屈服，即屈服集中在某一截面附近，不會產生多段屈服特征，這與大量鋼筋母材試驗結果是一致的。

3 結論與建議

(1)采用水泥代替灌漿料、水泥砂漿包裹鋼筋厚度超過鋼筋肋高、灌漿料水灰比達到正常水灰比的1.35倍及以上等異常情況下，鋼筋套筒灌漿連接接頭試件單向拉伸性能均不滿足標準要求。

(2)在加載過程中，如果鋼筋發(fā)生屈服，無論是接頭外鋼筋被拉斷情況，還是鋼筋未斷情況，均是接頭外鋼筋發(fā)生屈服，接頭內部分一般不再屈服。

(3)在實際工程中，嚴禁使用水泥凈漿代替灌漿料；應為現(xiàn)場外露待插入套筒的鋼筋設置防護措施，防止混凝土凈漿濺射到表面形成錨固薄弱層；當環(huán)境溫度比較高時，灌漿料產品的水灰比可取浮動范圍的上限值；應做到灌漿料漿體在攪拌后30min內完成灌漿。