聚乙烯醇纖維水泥基灌漿套筒接頭承載性能的研究*

朱方之 馬志鳴 左 工 高 立

(1.宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院, 江蘇宿遷 223800； 2.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇揚(yáng)州 225127)

套筒灌漿連接技術(shù)是利用內(nèi)部帶有凹凸部分的鑄鐵或鋼質(zhì)圓形套筒，注入有微膨脹的高強(qiáng)灌漿料，將插入套筒的鋼筋牢固地黏結(jié)成為整體[1]。作為裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，其設(shè)計應(yīng)符合“等同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)”的要求[2]。根據(jù)現(xiàn)有的研究，鋼筋套筒灌漿連接接頭的受拉破壞模式主要有三種，即鋼筋接頭拉斷破壞、鋼筋的黏結(jié)滑移破壞和套筒本身破壞。其中，鋼筋的黏結(jié)滑移破壞是鋼筋套筒灌漿連接接頭最不利的破壞模式[3]。在灌漿套筒確定的前提下，灌漿料的性能、鋼筋的錨固長度是這種破壞模式關(guān)鍵性的影響因素。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對灌漿套筒接頭的連接性能已有了大量研究。Kim制作了兩個預(yù)制柱模擬梁柱節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)[4]，結(jié)果表明灌漿料的材性和澆筑質(zhì)量對灌漿套筒連接性能有重大影響。Einea等的試驗(yàn)結(jié)果表明：套筒灌漿連接接頭的抗拉承載力隨著灌漿料強(qiáng)度和錨固長度的增大而提高，并指出錨固長度為7倍鋼筋直徑即可滿足接頭連接強(qiáng)度的要求[5]。由于纖維對灌漿料的流動度起阻礙作用，在灌漿料中摻加纖維進(jìn)行增強(qiáng)增韌的研究并不多。鄭和暉等選用鋼纖維配制了一種高性能纖維增強(qiáng)灌漿材料，用于組合梁型鋼與混凝土的連接，可縮短現(xiàn)場作業(yè)時間，提高鋼混結(jié)合質(zhì)量[6]。朱清華等研究了聚乙烯醇(PVA)纖維對灌漿料工作性能、鋼筋在套筒內(nèi)的錨固性能的影響[7]。結(jié)果表明：PVA纖維的摻入，降低了水泥基灌漿料的擴(kuò)展度，但能夠大大提高灌漿料對不銹鋼鋼筋的錨固作用。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件在正常服役階段，鋼筋套筒灌漿接頭大多處于拉或壓的單一受力狀態(tài)，因此采用單向加載并一次性拉伸到破壞的試驗(yàn)方法，可以基本反映鋼筋套筒灌漿連接接頭的受力性能[3]。為研究PVA纖維水泥基灌漿套筒連接接頭的受力性能，設(shè)計制作了6個中心拉拔試件和27個套筒灌漿連接接頭試件，分析PVA纖維、鋼筋錨固長度以及套筒約束對接頭受力性能的影響。在試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，對PVA纖維改善灌漿料性能作出評價。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計

中心拉拔試件如圖1所示。鋼筋直徑為16 mm，HRB400級鋼筋加載端設(shè)置一無黏結(jié)段。試件澆筑前，用直徑稍大于鋼筋直徑的聚氯乙烯塑料管套住無黏結(jié)部位，對塑料管端部進(jìn)行密封，防止灌漿料進(jìn)入管內(nèi)。黏結(jié)段長度Ld采用6倍鋼筋直徑，鋼筋的保護(hù)層厚度為45 mm。

圖1 鋼筋拉拔試件示意 mmFig.1 The schematic diagram of pull-out specimens

套筒灌漿接頭按照J(rèn)GJ 355—2015《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[8]制作。選用的PVA纖維長度分別為3，6 mm，體積摻量為0.3%，錨固長度選取4d、6d和8d三種(d為鋼筋公稱直徑)。同時，制作未加纖維灌漿料套筒接頭，作為試驗(yàn)對比組。試件分組如表1所示。

表1 試件分組Table 1 The groups of specimens

1.2 材料性能

1.2.1灌漿套筒

采用球墨鑄鐵鑄造而成的全灌漿套筒，基本尺寸如表2所示。

表2 灌漿套筒基本尺寸Table 2 The sizes of grouted sleeves mm

1.2.2PVA纖維灌漿料

選用能在水泥基集料中分散均勻，并與水泥基集料產(chǎn)生良好結(jié)合力的PVA纖維，其性能指標(biāo)如下：直徑15.1 μm，密度1.3 g/cm3，彈性模量40.1 GPa，抗拉強(qiáng)度1 620 MPa，斷裂伸長率6.9%，抗酸堿性好。灌漿料以上海某公司生產(chǎn)的超高強(qiáng)微膨脹灌漿料為基體，按照一定的纖維體積摻量摻入得到。灌漿料的抗壓強(qiáng)度根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》[9]中40 mm×40 mm×160 mm棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試塊測得；流動度采用截錐圓模測試，結(jié)果如表3所示。

表3 PVA纖維灌漿料抗壓強(qiáng)度和流動度

1.2.3鋼 筋

試驗(yàn)用鋼筋直徑為16 mm，HRB400鋼筋，通過單向拉伸試驗(yàn)得到鋼筋屈服強(qiáng)度為517 MPa，抗拉強(qiáng)度為658 MPa。

1.3 套筒灌漿接頭制作

套筒灌漿接頭制作時，先將套筒固定在支架上，根據(jù)錨固長度將鋼筋插入橡膠塞封堵的套筒內(nèi)，鋼筋外伸端采用塑料管片墊起，確保鋼筋與套筒軸線重合，如圖2所示。

a—灌漿前; b—灌漿后。圖2 灌漿套筒連接試件示意Fig.2 Specimens of grouted sleeve splicing

灌漿料的攪拌順序如圖3所示。

圖3 灌漿料攪拌順序Fig.3 Mixing procedures of grouting materials

灌漿時，灌漿槍向注漿口注入灌漿料，當(dāng)出漿口有漿料流出時，輕輕敲擊套筒，保證灌漿料在套筒內(nèi)分布密實(shí)。灌漿過程中發(fā)現(xiàn)：PVA-6-0.3灌漿料流動度低，需要較大壓力灌入，其余2組流動性較好，灌漿料容易注入。為獲得纖維長度對接頭受力性能的影響，仍采用PVA-6-0.3組配比，灌注三組試件。灌漿后，所有試件在自然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 加載和測試方法

中心拉拔試驗(yàn)在電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載裝置如圖4a所示。安裝時將鋼筋穿過加載架下部鋼板與試驗(yàn)機(jī)下夾頭相連，上部通過一個連接件與試驗(yàn)機(jī)上夾頭相連。與試件接觸的鋼板與加載架鋼板之間是凹凸面接觸，保證底部為鉸接約束。采用每3 min 1 mm的位移控制加載，直至灌漿料劈裂或鋼筋拉斷。

套筒灌漿接頭試驗(yàn)加載裝置如圖4b所示。加載制度為：0→0.6fyk→0 kN(測量殘余變形)→Fmax(讀取抗拉強(qiáng)度)→0 kN。其中，0 kN→0.6fyk→0 kN采用力加載方式；0 kN→Fmax采用位移加載方式，鋼筋屈服前加載速率為每3 min 1 mm，屈服后加載速率為1 mm/min，直至鋼筋拉斷或者滑移破壞。試件的荷載及位移數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)控制電腦直接得到。

a—中心拉拔試驗(yàn); b—單向拉伸試驗(yàn)。圖4 加載裝置Fig.4 Loading setups

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

中心拉拔試件均發(fā)生鋼筋屈服后灌漿料劈裂破壞(每組3個試件破壞形態(tài)一致)。PVA-0-0組試件劈裂面上鋼筋肋狀齒形保持完整，橫肋前灌漿料未現(xiàn)擠碎破壞。PVA-3-0.3組試件劈裂面上，9個鋼筋肋前咬合齒中，靠近加載端的3～4個肋前咬合齒擠碎嚴(yán)重，遠(yuǎn)離加載端的咬合齒擠碎情況逐漸減輕，如圖5所示。

a—PVA-0-0; b—PVA-3-0.3。圖5 中心拉拔試件破壞形態(tài)Fig.5 Failure modes of pull-out specimens

套筒灌漿接頭出現(xiàn)兩種破壞形態(tài)：鋼筋黏結(jié)滑移破壞和鋼筋斷裂破壞，如圖6所示。PVA-0-0-4d試件發(fā)生鋼筋屈服后滑移破壞，內(nèi)部灌漿料由于受到套筒出漿端環(huán)狀肋的止推作用，沒有隨著鋼筋的拔出而被帶出。其余試件均為鋼筋拉斷破壞，灌漿套筒整體性完好。

a—PVA-0-0; b—PVA-3-0.3; c—PVA-6-0.3。圖6 灌漿套筒接頭破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of grouted sleeve splicing

2.2 荷載-位移曲線

與普通混凝土-鋼筋拉拔試件一樣，PVA纖維灌漿料拉拔試件荷載-滑移曲線分為兩個階段，即微滑移段和滑移劈裂段。因試件為鋼筋屈服后的脆性劈裂破壞，滑移曲線未出現(xiàn)下降段，如圖7所示。

圖7 荷載-滑移曲線Fig.7 Load-slipping curves of pull-out specimens

在曲線上升段，兩組試件的荷載-滑移曲線發(fā)展基本重合，拉拔荷載增長較快，滑移值相對較小。鋼筋肋前咬合齒受到擠壓，環(huán)向產(chǎn)生拉應(yīng)力。隨著拔出荷載增大，環(huán)向拉應(yīng)力在灌漿料基體中產(chǎn)生的微裂紋，并穩(wěn)定擴(kuò)展。對于未加纖維的試件，鋼筋滑移很小即發(fā)生灌漿料劈裂破壞，鋼筋肋前咬合齒形保持較為完整。對于摻入纖維的試件，跨越裂縫的PVA纖維承擔(dān)一定的拉力，在鋼筋拉伸荷載增加不多的情況下，相對滑移顯著增加，直至灌漿體劈裂破壞。劈裂面上，大部分的鋼筋肋前咬合齒被剪斷破碎嚴(yán)重。

套筒灌漿連接接頭典型荷載-位移曲線如圖8所示，其中橫坐標(biāo)為試驗(yàn)機(jī)夾具間的相對位移，縱坐標(biāo)為試驗(yàn)機(jī)實(shí)時測得的拉伸荷載。與單根鋼筋斷裂的拉伸荷載-位移曲線相似，曲線共分四個階段:第一階段(上升段)，試件黏結(jié)剛度較大，曲線基本呈線性關(guān)系；第二階段(水平段)為鋼筋屈服階段；第三階段為鋼筋強(qiáng)化階段；第四階段(下降段)為鋼筋頸縮階段。

圖8 套筒灌漿接頭試件的荷載-位移曲線Fig.8 Load-displacement curves of specimens for sleeve splicing of being grouted

PVA纖維灌漿料制作的試件，纖維的長度、鋼筋的錨固長度對荷載-位移曲線影響不明顯，曲線發(fā)展基本重合，如圖8b、8c所示。無纖維灌漿料試件，由于鋼筋錨固長度為4d試件發(fā)生黏結(jié)滑移破壞，其荷載-位移曲線與6d、8d試件在鋼筋強(qiáng)化段和下降段有很大差異。即鋼筋的錨固長度為4d時，在鋼筋尚未達(dá)到極限強(qiáng)度之前，鋼筋肋前灌漿料咬合齒即被剪斷，拉伸荷載下降；由于受到套筒的約束作用，被剪斷的灌漿料在鋼筋肋前不斷堆積，試件仍具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度。隨著新的咬合齒被再次剪斷，拉伸荷載繼續(xù)下降，滑移增加，在荷載-位移曲線上呈臺階形發(fā)展，如圖8a所示。

2.3 承載性能特征值

表4列出了中心拉拔試件的黏結(jié)性能特征值?？梢钥闯?摻入纖維的試件劈裂荷載比未摻加纖維試件的劈裂荷載增加了15.4%。兩組試件鋼筋與灌漿料的屈服滑移差別不大，但灌漿料劈裂時，摻入纖維的試件相對滑移約為未摻加纖維試件的3倍。這表明PVA纖維摻入后，一定程度上提高了鋼筋與灌漿料的黏結(jié)強(qiáng)度，同時，鋼筋與灌漿料的劈裂滑移增加幅度較大。

表5為試驗(yàn)測得的殘余變形u0、接頭的極限荷載Fmax、極限強(qiáng)度fu以及黏結(jié)應(yīng)力τmax。

表4 試件黏結(jié)性能特征值Table 4 Characteristic values of bondperformances for specimens

表5 單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental results of specimensfor grouted sleeve splicing

極限荷載為3個試件的平均值。

根據(jù)JGJ 355—2015對鋼筋套筒灌漿連接的強(qiáng)度規(guī)定：鋼筋套筒灌漿連接接頭的屈服強(qiáng)度不應(yīng)小于連接鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，本文所用鋼筋屈服強(qiáng)度為517 MPa，試驗(yàn)的9組試件均滿足要求；鋼筋套筒灌漿連接接頭的抗拉強(qiáng)度不應(yīng)小于連接鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，且破壞時應(yīng)斷于接頭外鋼筋,本文所用鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為658 MPa；套筒灌漿連接接頭單向拉伸試驗(yàn)加載過程中，當(dāng)接頭拉力達(dá)到連接鋼筋抗拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值的1.15倍, 而未發(fā)生破壞時，應(yīng)判為抗拉強(qiáng)度合格,相當(dāng)于本文所用鋼筋抗拉強(qiáng)度達(dá)到其標(biāo)準(zhǔn)值的1.15倍，即 621 MPa。除PVA-0-0-4d組鋼筋抗拉強(qiáng)度略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼筋未斷裂，判為不合格以外，其余組試件均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

單向拉伸試驗(yàn)中，接頭在規(guī)定標(biāo)距內(nèi)的殘余變形量u0均小于0.1 mm，滿足I級接頭性能指標(biāo)要求。

2.4 試驗(yàn)分析

2.4.1PVA纖維對鋼筋與灌漿料黏結(jié)性能影響

一般認(rèn)為，短纖維加入到水泥基材料中猶如摻入許多微細(xì)筋，在水泥基體受到拉力時，橫跨裂縫的纖維起到協(xié)助水泥基材料受拉的作用。對于中心拉拔試件，鋼筋受拉時，灌漿料基體處于徑向受壓、環(huán)向受拉應(yīng)力狀態(tài)?？缭搅芽p的PVA纖維要承擔(dān)一部分的拉力，進(jìn)而限制微裂縫開展。相對于未加纖維的拉拔試件，黏結(jié)強(qiáng)度提高15.4%，相對滑移顯著增加，改善了結(jié)構(gòu)的變形性能。

對于套筒灌漿接頭，鋼筋單向受拉時，由于受到套筒的外圍約束作用，PVA纖維水泥基灌漿料總體處于受壓應(yīng)力狀態(tài)，纖維的增強(qiáng)作用不能發(fā)揮。如表5所示，盡管出現(xiàn)未摻加纖維的套筒灌漿接頭鋼筋未斷裂的滑移破壞，摻加纖維的套筒灌漿接頭均發(fā)生接頭外鋼筋斷裂破壞，纖維對鋼筋套筒灌漿接頭的影響程度不明顯。

2.4.2套筒約束對鋼筋與灌漿料黏結(jié)性能影響

根據(jù)Einea 等采用普通光圓鋼管設(shè)計全灌漿套筒的研究[5]可知，當(dāng)發(fā)生鋼筋滑移破壞時，鋼筋與灌漿料的平均黏結(jié)強(qiáng)度與灌漿料的抗壓強(qiáng)度有如下關(guān)系：

(1)

式中：k為常數(shù)；fc為灌漿料的抗壓強(qiáng)度。

由表3和表4中數(shù)據(jù)可計算出中心拉拔試件PVA-0-0的k值為2.4。當(dāng)k值低于2.4，試件易發(fā)生鋼筋的黏結(jié)滑移破壞。

對套筒灌漿接頭，考慮套筒的約束和內(nèi)部凸環(huán)肋止推作用，除了大幅提高套筒與灌漿料的黏結(jié)強(qiáng)度外，亦可提高鋼筋與灌漿料之間的摩阻和咬合作用。此處引入γ考慮這種作用，對套筒灌漿接頭在鋼筋發(fā)生滑移破壞時，鋼筋與灌漿料的平均黏結(jié)強(qiáng)度與灌漿料的抗壓強(qiáng)度關(guān)系修正如下：

(2)

式中：γ為考慮套筒約束和凸環(huán)肋止推作用提高系數(shù)。

由表5中錨固長度為4d的PVA-0-0數(shù)據(jù)為例，假定k值2.4不變，按式(2)計算的γ值為1.72。隨著鋼筋錨固長度的增加，式(2)中系數(shù)k和γ值均在減小。

2.4.3鋼筋錨固長度對鋼筋與灌漿料黏結(jié)性能影響

由圖8所示的套筒灌漿接頭試件荷載-位移曲線對比可知：隨著鋼筋錨固長度增大，初始上升段曲線斜率增大，即正常使用階段接頭連接剛度更大；鋼筋錨固長度越長，曲線發(fā)展越平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)承載性能越好。

由表5中數(shù)據(jù)可以看出：隨著鋼筋錨固長度的增加，鋼筋和灌漿料間有更多的接觸面積和更大的機(jī)械咬合作用，在接頭均發(fā)生鋼筋斷裂破壞模式下，承載力略有提高，鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度隨著錨固長度的增加而降低。根據(jù)JGJ 355—2015要求灌漿連接端鋼筋的錨固長度不宜小于鋼筋公稱直徑的8倍。在本試驗(yàn)中，當(dāng)灌漿料強(qiáng)度滿足85～90 MPa時，鋼筋錨固長度4倍鋼筋公稱直徑時部分接頭發(fā)生鋼筋滑移破壞，滿足6倍鋼筋公稱直徑時接頭均發(fā)生鋼筋斷裂破壞，文獻(xiàn)[10]也得到相似的結(jié)果。文獻(xiàn)[11]研究認(rèn)為，接頭灌漿缺陷長度達(dá)到鋼筋錨固長度30%～40%時，單向拉伸強(qiáng)度仍滿足要求。因此JGJ 355—2015規(guī)定的鋼筋錨固長度有較大的安全儲備。

3 結(jié)束語

1)與未摻加纖維的試件相比，PVA纖維能夠提高無約束狀態(tài)鋼筋與灌漿料的黏結(jié)強(qiáng)度，改善結(jié)構(gòu)的變形性能。對于套筒約束的鋼筋-灌漿料的黏結(jié)性能，PVA纖維的增強(qiáng)增韌作用還需通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

2)套筒的約束和內(nèi)部凸環(huán)肋止推作用，除了大幅提高套筒與灌漿料的黏結(jié)強(qiáng)度外，亦可提高鋼筋與灌漿料之間的摩阻和咬合作用。

3)隨著鋼筋錨固長度增大，接頭連接剛度越大；曲線發(fā)展越平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)承載性能更好。當(dāng)灌漿料強(qiáng)度提升到85～90 MPa和6倍鋼筋公稱直徑時，接頭可滿足強(qiáng)度和變形要求。