基于灌漿缺陷的全灌漿套筒力學(xué)性能試驗(yàn)研究

陳 東，蔡歐陽，陳 銘，刁 偉，2

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.中鐵十局集團(tuán)第三建設(shè)有限公司，安徽 合肥 230601)

20世紀(jì)60年代，華裔工程師余占疏發(fā)明了灌漿套筒鋼筋接頭技術(shù)，1973年，首次在美國使用該技術(shù)建造了高度為140 m的全預(yù)制裝配式酒店。此后，灌漿套筒鋼筋接頭技術(shù)不斷發(fā)展，并在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際施工過程中，工人的不規(guī)范操作、灌漿料未及時(shí)灌漿、施工現(xiàn)場環(huán)境的不整潔等都有可能造成灌漿缺陷，導(dǎo)致構(gòu)件的連接不安全。鄭清林[1]通過對(duì)70個(gè)包含多種缺陷的套筒試件進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)研究了各類缺陷對(duì)鋼筋套筒灌漿試件的承載力和變形性能的影響；李向民等[2]開展了不同大小的缺陷對(duì)接頭對(duì)中單向拉伸強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究；高潤東等[3]通過在全灌漿套筒內(nèi)下段鋼筋錨固段中部設(shè)置灌漿缺陷，研究不同大小灌漿缺陷對(duì)鋼筋套筒灌漿連接接頭對(duì)中單向拉伸強(qiáng)度的影響；匡志平等[4]發(fā)現(xiàn)鋼筋套筒灌漿連接的破壞模式主要取決于鋼筋與灌漿料間黏結(jié)承載力與鋼筋抗拉承載力的相對(duì)大小，黏結(jié)承載力主要受灌漿料含量的影響。

在已開展的試驗(yàn)中，試件內(nèi)設(shè)置的缺陷類型已覆蓋了部分實(shí)際施工中產(chǎn)生的缺陷，并較好地分析了缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，但是，隨著裝配式建筑的普及，各種各樣的施工缺陷給結(jié)構(gòu)帶來了未知影響。為了探究更多不同部位的灌漿缺陷對(duì)全灌漿鋼筋套筒連接件的連接性能影響，本文以無縫全灌漿套筒作為研究對(duì)象，通過在豎直灌漿套筒不同部位設(shè)置中部和端部兩種缺陷，對(duì)比連接件的破壞結(jié)果，分析鋼筋的荷載-應(yīng)變曲線。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

制作了5組共15個(gè)試件，試驗(yàn)中統(tǒng)一采用直徑為14 mm的HRB400鋼筋、同批次高強(qiáng)度微膨脹灌漿料、同一型號(hào)套筒GTQ4J-14，套筒尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 GTQ4J-14型全灌漿套筒尺寸參數(shù)

1.2 灌漿缺陷設(shè)計(jì)

圖1 BM標(biāo)準(zhǔn)組缺陷示意圖(單位:mm)

針對(duì)目前實(shí)際施工中可能出現(xiàn)的各種灌漿缺陷，共設(shè)計(jì)了4種情況，包括:端部缺陷、中部缺陷，并設(shè)置灌漿飽滿為標(biāo)準(zhǔn)組，作為對(duì)比試驗(yàn)[5-8]。如圖1～3所示。

各種缺陷形成原因及缺陷長度取值(D為插入鋼筋直徑，本次試驗(yàn)取14 mm):

圖2 DB-2.5D組缺陷示意圖(單位:mm)

(1)標(biāo)準(zhǔn)組:灌漿飽滿，內(nèi)部不設(shè)置缺陷。試件編號(hào)為“BM”。

(2)端部缺陷形成原因:豎向灌漿套筒連接件在構(gòu)件吊裝到位，灌漿完成后，一般采取先封堵出漿口，再封堵注漿口。若下方注漿口未及時(shí)封堵易造成空氣進(jìn)入，或坐漿層封堵不密實(shí)，從而導(dǎo)致內(nèi)部形成端部缺陷。

圖3 ZB-2.5D組缺陷示意圖(單位:mm)

端部缺陷:在鋼筋端部采用纏繞泡沫膠帶的方式設(shè)置環(huán)向缺陷，缺陷厚度為5 mm，缺陷長度分為3D，2.5D，2D。試件編號(hào)分別為“DB-3D”、“DB-2.5D”、“DB-2D”。

(3)中部缺陷形成原因:主要出現(xiàn)在豎向灌漿套筒連接件，在灌漿完成后，出漿口或坐漿層封堵不及時(shí)，導(dǎo)致空氣倒灌進(jìn)入灌漿套筒連接件內(nèi)，形成中部缺陷。

中部缺陷:在鋼筋中部纏繞泡沫膠帶設(shè)置環(huán)向缺陷，缺陷厚度為5 mm，缺陷長度為2.5D。試件編號(hào)為“ZB-2.5D”。

1.3 材料性能

1.3.1 鋼筋的材料性能

套筒連接鋼筋統(tǒng)一采用直徑14 mm的HRB400帶肋鋼筋，鋼筋的材料力學(xué)性能實(shí)測值見表2。鋼筋材料試驗(yàn)結(jié)果滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 107-2016)[9]相關(guān)規(guī)范要求。

表2 鋼筋材料力學(xué)性能實(shí)測值

1.3.2 灌漿料的材料性能

依據(jù)《鋼筋連接用套筒灌漿料》(JGT 408-2019)[10]要求，制作尺寸為40 mm×40 mm×160 mm、40 mm×40 mm×40 mm灌漿料試塊，將試塊與已完成的灌漿套筒放在同等條件下養(yǎng)護(hù)28 d，測量其抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度。

灌漿料抗折強(qiáng)度三次試驗(yàn)結(jié)果平均值為23.6 MPa，抗壓強(qiáng)度三次試驗(yàn)結(jié)果平均值為88.1 MPa，試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求。

流動(dòng)度試驗(yàn)應(yīng)采用灌漿試件同批次灌漿料，根據(jù)規(guī)范，流動(dòng)度主要測試拌漿完成時(shí)的初始流動(dòng)值和30 min的流動(dòng)值，見表3。由表3可知，本次流動(dòng)度試驗(yàn)三次試驗(yàn)結(jié)果均大于流動(dòng)度標(biāo)準(zhǔn)值，試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表3 灌漿料流動(dòng)度屬性

1.4 應(yīng)變片的布設(shè)

1.4.1 鋼筋上應(yīng)變片的布設(shè)

在鋼筋打磨后的縱肋處粘貼應(yīng)變片，測得鋼筋在拉伸過程中產(chǎn)生的應(yīng)力及應(yīng)變的變化規(guī)律。鋼筋上應(yīng)變片的布設(shè)如圖4、圖5所示。

圖4 上部鋼筋應(yīng)變片粘貼點(diǎn)示意圖(單位:mm)

圖5 下部鋼筋應(yīng)變片粘貼點(diǎn)示意圖(單位:mm)

1.4.2 套筒上應(yīng)變片的布設(shè)

套筒上應(yīng)變片的粘貼過程與鋼筋一致，為測得與鋼筋大致對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律。在注漿口及出漿口背面打磨280 mm×5 mm的平面粘貼應(yīng)變片。套筒上應(yīng)變片的布設(shè)如圖6所示。

圖6 套筒應(yīng)變片粘貼點(diǎn)示意圖(單位:mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果

全套筒灌漿連接試件在單向拉伸實(shí)驗(yàn)中主要存在鋼筋拉斷破壞、鋼筋與灌漿料之間的黏結(jié)滑移破壞等兩種破壞模式，如圖7、圖8所示。

圖7 鋼筋拉斷破壞

圖8 黏結(jié)滑移破壞

對(duì)于鋼筋拉斷破壞的試件(如BM試件)，荷載-位移曲線如圖9所示，由荷載-位移曲線可以得出:鋼筋拉斷破壞過程分為四個(gè)階段。在彈性階段內(nèi)，連接件的端部位移隨荷載的增加呈直線上升，在此階段內(nèi)，試件的荷載增量較大，但其位移增量較小，試件的整體剛度仍保持著較大值，通過觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，灌漿端端部灌漿料沒有出現(xiàn)任何裂縫，說明試件的整體性保持良好。當(dāng)BM試件荷載升至64.7 kN后，試件開始進(jìn)入屈服階段，在此階段內(nèi)，試件的荷載增量較小，但其位移增量較大，且鋼筋的荷載-位移曲線呈上凸型曲線上升，通過觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，灌漿端端部灌漿料開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫，試件的端部處開始出現(xiàn)破壞。隨后試件進(jìn)入強(qiáng)化階段，在此階段內(nèi)，試件的荷載增量較小，但其位移增量達(dá)到最大。當(dāng)BM試件荷載升至90.8 kN后，試件達(dá)到最大承載力，通過觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，灌漿端端部灌漿料開始出現(xiàn)裂縫，端部有部分灌漿料開始剝落，且試件的端部處出現(xiàn)錐型破壞，即劈裂式破壞。隨后試件進(jìn)入頸縮階段，頸縮階段試件在套筒外的鋼筋迅速破壞。

圖9 BM試件(鋼筋拉斷破壞)荷載-位移圖

圖10 DB-2.5D試件(黏結(jié)滑移破壞)荷載-位移圖

對(duì)于鋼筋屈服后與灌漿料的黏結(jié)滑移破壞的試件(如DB-2.5D試件)，荷載-位移曲線如圖10所示，由荷載-位移曲線可以得出:黏結(jié)滑移試件破壞過程大致分為三個(gè)階段。在彈性階段內(nèi)，試件的端部位移隨荷載的增加呈直線上升，此階段內(nèi)，整體試件處于彈性階段，荷載增量大，但位移增量較小，通過試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，可以看出灌漿端端口沒有出現(xiàn)灌漿料裂縫及剝落，試件整體性良好。當(dāng)施加荷載達(dá)到69.9 kN后，試件進(jìn)入屈服強(qiáng)化階段，此階段內(nèi)，荷載增量較小，位移增量顯著增大，通過試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，可以看出灌漿端端口灌漿料略微有向外凸出的跡象，且灌漿料出現(xiàn)少量細(xì)微裂縫。當(dāng)荷載增至90.9 kN后，試件達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度，通過試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，可以看出端口灌漿料裂縫在緩慢增大，隨后開始剝落，端口呈現(xiàn)錐型破壞，接著端部灌漿料處鋼筋逐漸顯露，最后鋼筋整體被緩慢拔出。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)套筒與灌漿料之間未出現(xiàn)灌漿料整體拔出，說明套筒與灌漿料之間有足夠的錨固力，套筒能夠有效地約束灌漿料，這也表明套筒設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求[11]。

2.2 承載力分析

經(jīng)過計(jì)算與分析，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到各試件的極限承載力、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、屈服力與破壞模式，如表4所示。

表4 極限承載力及破壞模式

由表4可知:BM作為標(biāo)準(zhǔn)組連接件，BM抗拉強(qiáng)度值為5組試件中最大值，破壞模式為鋼筋拉斷；DB-2D、DB-2.5D、DB-3D三組試件中，缺陷長度越大，其抗拉強(qiáng)度值越小，三組試件抗拉強(qiáng)度均小于BM標(biāo)準(zhǔn)組，當(dāng)缺陷長度小于2.5D時(shí)，破壞模式為鋼筋拔斷破壞，當(dāng)缺陷長度大于或等于2.5D時(shí)，破壞模式為鋼筋拔出破壞；ZB-2.5D試件中，其抗拉強(qiáng)度為82.7 kN，中部缺陷減小了試件的抗拉強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度值小于BM標(biāo)準(zhǔn)組，破壞模式均為鋼筋拔出破壞。

2.3 荷載-應(yīng)變曲線分析

各試件鋼筋表面荷載-應(yīng)變關(guān)系見圖11～圖15。從整體趨勢上看，鋼筋錨固段及端口的應(yīng)變隨荷載的增加由套筒中部向套筒端部逐步呈現(xiàn)直線增加趨勢。

(a)BM-鋼筋-上 (b)BM-鋼筋-下

(a)DB-2D-鋼筋-上 (b)DB-2D-鋼筋-下

(a)DB-2.5D-鋼筋-上 (b)DB-2.5D-鋼筋-下

(a)DB-3D-鋼筋-上 (b)DB-3D-鋼筋-下

(a)ZB-2.5D-鋼筋-上 (b)ZB-2.5D-鋼筋-下

從加載過程來看:

(1)BM試件在加載初期，套筒中部鋼筋應(yīng)變增長緩慢，套筒端部鋼筋應(yīng)變增長迅速，當(dāng)荷載增至60 kN(即鋼筋屈服強(qiáng)度)，套筒中部鋼筋應(yīng)變?nèi)员３志徛鲩L，套筒端部鋼筋應(yīng)變保持快速增長并達(dá)到最大值。

(2)DB-2D、DB-2.5D、DB-3D試件在加載初期，套筒中部缺陷處鋼筋應(yīng)變保持不變，套筒端部鋼筋應(yīng)變增長迅速，當(dāng)荷載增至60 kN(即鋼筋屈服強(qiáng)度)，套筒中部鋼筋應(yīng)變?nèi)员３植蛔?，套筒端部鋼筋?yīng)變保持快速增長并達(dá)到最大值。

(3)ZB-2.5D試件在加載初期，套筒中部鋼筋應(yīng)變增長緩慢，錨固段鋼筋中部缺陷處應(yīng)變與臨近側(cè)應(yīng)變增長保持一致且應(yīng)變值相近，套筒端部鋼筋應(yīng)變增長迅速，當(dāng)荷載增至60 kN(即鋼筋屈服強(qiáng)度)，套筒中部鋼筋應(yīng)變?nèi)员３志徛鲩L，套筒中部鋼筋應(yīng)變與臨近側(cè)應(yīng)變增長仍保持一致且應(yīng)變值相近，套筒端部鋼筋應(yīng)變保持快速增長并達(dá)到最大值。

3 結(jié)論

在國內(nèi)外研究灌漿套筒的基礎(chǔ)上，針對(duì)灌漿套筒在實(shí)際施工過程中可能產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行研究，并對(duì)全灌漿套筒單向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。主要針對(duì)試件破壞模式及試驗(yàn)現(xiàn)象、試件承載力及受力分析、鋼筋和套筒的荷載-應(yīng)變曲線分析、端部荷載-位移曲線分析四方面開展研究，得出以下結(jié)論:

(1)連接件破壞模式分為兩種:鋼筋拉斷破壞，鋼筋與灌漿料之間的黏結(jié)滑移破壞。兩種破壞模式的臨界點(diǎn)是:鋼筋抗拉強(qiáng)度與灌漿料鋼筋之間機(jī)械咬合力的大小。

(2)試件承載力分析為:各類缺陷減小試件的承載力。其中，BM標(biāo)準(zhǔn)組承載力最大；DB-2D、DB-2.5D、DB-3D三組試件承載力依次減??；ZB-2.5D試件承載力小于BM標(biāo)準(zhǔn)組承載力。

(3)鋼筋的荷載-應(yīng)變曲線分析為:在缺陷存在的情況下，錨固段的鋼筋應(yīng)變由套筒中部向套筒端部增大，各類缺陷導(dǎo)致缺陷處鋼筋應(yīng)變減小。