裝配式建筑套筒灌漿連接系統(tǒng)膨脹約束關(guān)鍵技術(shù)研究*

李憲軍， 鄧美林， 何廷樹

(1 山西大學(xué)電力與建筑學(xué)院， 太原 030013； 2 西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安 710055)

0 引言

由于裝配式建筑具有施工速度快、現(xiàn)場作業(yè)量少、有利于建筑工業(yè)化和環(huán)境效益好等優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了裝配式建筑的快速發(fā)展。到20世紀(jì)末，裝配式建筑作為住宅產(chǎn)業(yè)化的建筑生產(chǎn)方式，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類建筑領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的作用[1]。然而，裝配式建筑雖具有天然獨(dú)特優(yōu)勢的同時(shí)，但其連接可靠性問題成為國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員研究和探索的主題。如何提高預(yù)制構(gòu)件之間的連接性能是保障裝配式結(jié)構(gòu)整體安全性的關(guān)鍵，國內(nèi)外專家學(xué)者試圖解決上述問題。鄭永峰等[2]研究了套筒內(nèi)腔構(gòu)造對鋼筋套筒灌漿連接黏結(jié)性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加套筒環(huán)肋數(shù)量及內(nèi)壁凸起高度，可提高鋼筋套筒灌漿連接的承載力。Einea等[3]采用光圓鋼管設(shè)計(jì)的搭接鋼筋連接灌漿套筒、內(nèi)壁焊接鋼筋灌漿套筒、端部焊接鋼環(huán)灌漿套筒和端部焊接鋼板灌漿套筒進(jìn)行性能比較，發(fā)現(xiàn)端部焊接鋼板灌漿套筒連接的鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度最高，端部焊接鋼環(huán)灌漿套筒次之。Kim[4]研究的錐形灌漿套筒，可以提高套筒連接的黏結(jié)強(qiáng)度。Sayadi等[5]采用梁式試件研究高強(qiáng)螺栓灌漿套筒，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)螺栓設(shè)置在鋼筋彈性段，會降低連接的抗拉強(qiáng)度。郭正興等[6]發(fā)明了采用無縫鋼管冷滾壓工藝制作了一種變形灌漿套筒(GDPS)，其團(tuán)隊(duì)研究驗(yàn)證了該套筒的可行性，認(rèn)為套筒內(nèi)腔構(gòu)造影響其約束機(jī)理和約束作用，進(jìn)而影響鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度。戢文占等[7]研究了高強(qiáng)鋼筋連接用套筒灌漿料配比及緩凝劑對其膨脹性能的影響；李向民等[8]和鄭清林等[9]對套筒灌漿系統(tǒng)中灌漿缺陷對其性能的影響進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，并給出了不影響接頭強(qiáng)度的灌漿缺陷范圍，以及水平方向的缺陷對接頭的承載力影響最大，中部缺陷的危害大于端部缺陷，而小于均布缺陷。還有一些專家學(xué)者研究了套筒灌漿連接系統(tǒng)的高低溫狀態(tài)下的力學(xué)性能及耐久性，與混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合后的力學(xué)性能以及對套筒灌漿系統(tǒng)中灌漿缺陷的修補(bǔ)等。這些研究促進(jìn)和完善了裝配式建筑行業(yè)的健康良性發(fā)展，對指導(dǎo)裝配式建筑設(shè)計(jì)、施工具有深遠(yuǎn)意義，但是還需要考慮套筒灌漿系統(tǒng)中灌漿材料的強(qiáng)度、膨脹率的大小，以及對套筒內(nèi)壁、鋼筋表面的黏結(jié)力、摩擦阻力等的影響，從而使鋼筋間應(yīng)力得以有效傳遞，使裝配式結(jié)構(gòu)整體性更好，接點(diǎn)連接更加可靠。有關(guān)這方面的研究幾乎沒有相關(guān)文獻(xiàn)可查，僅有一些研究提到膨脹約束的概念，但沒有量化指標(biāo)。

在國內(nèi)外專家學(xué)者的研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合李憲軍等[10-11]的專利成果，提出裝配式建筑接點(diǎn)套筒灌漿連接系統(tǒng)的套筒端部縮徑，套筒灌漿材料提供塑性膨脹源和硬化過程中的限制膨脹源。同時(shí)通過調(diào)控灌漿料的限制膨脹率大小，來實(shí)現(xiàn)套筒灌漿系統(tǒng)的性能最優(yōu)化，其中塑性膨脹源主要是盡可能降低施工過程中的灌漿缺陷，這也是發(fā)明者充分考慮到裝配式建筑接點(diǎn)連接的重要性所進(jìn)行的發(fā)明創(chuàng)造。該研究對提高套筒灌漿系統(tǒng)的安全性具有重要意義，也對套筒灌漿料提出了限制膨脹率可量化的具體要求，同時(shí)為裝配式建筑接點(diǎn)連接系統(tǒng)提供了進(jìn)一步深入研究的思路和方向。

本文通過不同縮小直徑尺寸和不同端頭縮徑長度形成約束，進(jìn)行了限制膨脹率對套筒灌漿連接系統(tǒng)極限荷載的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方案

本研究思路的提出是在研究隧道帶模注漿材料均質(zhì)性過程中，偶然發(fā)現(xiàn)縮徑限制了豎向膨脹，增加了橫向膨脹應(yīng)力，使縮徑的玻璃瓶脹裂。采用灌漿套筒端部縮徑和可調(diào)灌漿料限制膨脹率相結(jié)合，可以優(yōu)化裝配式建筑接點(diǎn)灌漿套筒連接系統(tǒng)的性能。該方案主要研究不同限制膨脹率對縮徑套筒灌漿連接系統(tǒng)性能的影響?？s徑玻璃瓶和擴(kuò)徑玻璃杯中放入微膨脹灌漿料硬化后的效果如圖1所示。

圖1 縮徑玻璃瓶和擴(kuò)徑玻璃杯膨脹效果圖

1.1 灌漿料配方設(shè)計(jì)方案

由于灌漿材料一般均具有一定的微膨脹或無收縮性能，在有約束的條件下，限制了灌漿材料體積膨脹，進(jìn)而提高了其密實(shí)性，同時(shí)提高了與套筒內(nèi)壁之間的摩擦阻力和對鋼筋的握裹力。本灌漿料配方設(shè)計(jì)了5組，其中P·O42.5水泥(代號為C)，42.5級硫鋁酸鹽水泥(代號為S)，脫硫石膏(代號為G)，硅灰(代號為H)，氫氧化鋁(代號為L)，塑性膨脹劑(代號為P)，聚羧酸高性能減水劑(代號為J)，硼砂(代號為N1)，葡萄糖酸鈉(代號為N2)，粘度為40 000mPa.s，羥丙基甲基纖維素醚(代號為M)，觸變潤滑劑(代號為R)，非離子型消泡劑(代號為X)，粒徑40～70目的石英砂(代號為砂)，水料比為0.13～0.15。參照《鋼筋連接用套筒灌漿料》(JG/T 408—2019)[12]和《混凝土膨脹劑》(GB 23439—2017)[13](限制膨脹率試驗(yàn)方法參照附錄A)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測。不同限制膨脹率灌漿料配方設(shè)計(jì)及主要性能如表1和表2所示。

不同限制膨脹率灌漿料配方設(shè)計(jì) 表1

不同限制膨脹率灌漿料配方設(shè)計(jì)的主要性能測試結(jié)果 表2

1.2 端頭縮徑式套筒灌漿連接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

在鄭永峰等[2]、郭正興等[6]開發(fā)的變形灌漿套筒以及套筒內(nèi)部構(gòu)造對系統(tǒng)性能影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)端頭縮徑式套筒灌漿連接系統(tǒng)(簡稱連接系統(tǒng))。灌漿套筒兩端均采用灌漿方式連接鋼筋的接頭，為全灌漿套筒；一端螺紋連接，一端灌漿連接的接頭，稱之為半灌漿套筒，具體如圖2所示。

圖2 全灌漿和半灌漿套筒設(shè)計(jì)圖

為了簡化研究過程和便于實(shí)際施工，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了9組縮徑方案和1組0縮徑對比，距端頭30，50，70mm開始縮徑，分別漸進(jìn)式縮小直徑2，3，4mm，然后采用第1.1節(jié)設(shè)計(jì)的5個(gè)不同限制膨脹率灌漿料配方進(jìn)行試驗(yàn)。為了驗(yàn)證該連接系統(tǒng)在同等條件下灌漿料與套筒內(nèi)壁之間的摩擦阻力以及與鋼筋之間的握裹力能否達(dá)到預(yù)期效果，通過調(diào)整錨固長度，以鋼筋拔出拉應(yīng)力的大小進(jìn)行判斷，確定鋼筋的錨固長度為4d和5d(d為鋼筋直徑)。全灌漿和半灌漿縮徑套筒設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 全灌漿和半灌漿套筒縮徑設(shè)計(jì)簡圖

1.3 灌漿套筒及鋼筋性能

灌漿套筒采用Q345規(guī)格型號為D45×4.0的低合金無縫鋼管加工而成，縮徑制作由機(jī)加工專業(yè)車間按照本研究方案制作而成。鋼管外直徑為45mm，內(nèi)直徑為37mm，在此基礎(chǔ)上按照第1.2節(jié)的技術(shù)方案，加工成不同縮徑尺寸的灌漿套筒；鋼筋采用普通熱軋帶肋HBR400直徑為20mm的鋼筋。鋼管和鋼筋原材力學(xué)性能如表3所示。

鋼管和鋼筋原材力學(xué)性能 表3

1.4 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)參照《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ 355—2015)[14]、《鋼筋連接用灌漿套筒》(JG/T 398—2012)[15]和《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》(GB/T 1499.2—2018)[16]等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)第1.1節(jié)設(shè)計(jì)的5個(gè)不同限制膨脹率灌漿料配方，對第1.2節(jié)設(shè)計(jì)的不同端頭縮徑長度和不同縮徑尺寸套筒性能影響進(jìn)行研究。主要考察在不同縮徑方案下，不同限制膨脹率的灌漿料對套筒灌漿連接系統(tǒng)抗拉強(qiáng)度的影響，以及灌漿料(微膨脹混凝土、壓漿料)在有約束的狀態(tài)下，其限制膨脹率(膨脹應(yīng)力)為多大時(shí)，能使約束膨脹系統(tǒng)的綜合性能最優(yōu)。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的連接系統(tǒng)成型后，自然養(yǎng)護(hù)28d進(jìn)行測試，具體試驗(yàn)方案對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

2.2 不同縮徑尺寸下限制膨脹率對連接系統(tǒng)極限荷載的影響

根據(jù)試驗(yàn)方案，首先分別研究端頭縮徑長度為30，50，70mm的條件下，縮小直徑為2，3，4mm時(shí)，對應(yīng)5組不同限制膨脹率的灌漿料，分別對錨固長度為4d，5d的連接系統(tǒng)的抗拉極限荷載試驗(yàn)進(jìn)行研究分析，并與0縮徑的灌漿套筒進(jìn)行比較，具體分析對比如圖4～6所示。

由表4和圖4～6可以看出，端頭縮徑長度和縮小直徑相同時(shí)，隨著灌漿料限制膨脹率的增大，無論錨固長度為4d或5d，連接系統(tǒng)的抗拉極限荷載均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。只有端頭縮徑長度為70mm、縮小直徑為2，3mm且錨固長度為5d的試件的試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出一直增大趨勢。端頭縮徑長度相同時(shí)，隨著直徑尺寸的縮小，連接系統(tǒng)對不同限制膨脹率灌漿料的約束膨脹應(yīng)力增加，表現(xiàn)出拔出鋼筋極限荷載增大的趨勢，這與本方案設(shè)計(jì)的預(yù)期效果相吻合。與0縮徑試件相比較，端頭縮徑長度為30mm時(shí)，隨著套筒端頭內(nèi)徑的減小，對不同限制膨脹率的灌漿料而言，錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)的極限荷載均呈現(xiàn)出增大的趨勢。以下內(nèi)容均為與0縮徑試件相比較，端頭縮徑長度為30mm、縮小直徑2mm時(shí)，錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)的極限荷載增幅最大分別為61.8kN和29.7kN；縮小直徑3mm時(shí)，錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)的極限荷載增幅最大分別為76.6kN和47.0kN；縮小直徑4mm時(shí)，錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)的極限荷載增幅最大分別為78.8kN和48.4kN。端頭縮徑長度為50mm和70mm，其增長規(guī)律與30mm基本一致。端頭縮徑長度為50mm、縮小直徑2mm時(shí)，錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)的極限荷載增幅最大分別為72.7kN和39.5kN；縮小直徑3mm時(shí)，錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)的極限荷載增幅最大分別為85.8kN和51.8kN；縮小直徑4mm時(shí)，錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)的極限荷載增幅最大分別為86.8kN和58.2kN。端頭縮徑長度為70mm、縮小直徑2mm時(shí)，錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)的極限荷載增幅最大分別為74.6kN和49.4kN；縮小直徑3mm時(shí)，錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)的極限荷載增幅最大分別為89.1kN和63.7kN；縮小直徑4mm時(shí)，錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)的極限荷載增幅最大分別為91.9kN和69.4kN。當(dāng)端頭縮徑長度為70mm時(shí)，縮小直徑3～4mm范圍內(nèi)，錨固長度為5d的連接系統(tǒng)部分鋼筋拉斷，進(jìn)一步說明該約束膨脹體系的優(yōu)越性。同時(shí)縮小直徑的尺寸也需要控制在一個(gè)合理的范圍，在滿足灌漿套筒體系標(biāo)準(zhǔn)要求和不影響施工的前提下，縮小直徑的尺寸應(yīng)不小于3mm。

不同縮徑條件下灌漿料限制膨脹率對套筒灌漿連接系統(tǒng)抗拉強(qiáng)度的影響 表4

圖4 端頭縮徑長度為30mm時(shí)錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)極限荷載

圖5 端頭縮徑長度為50mm時(shí)錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)極限荷載

圖6 端頭縮徑長度為70mm時(shí)錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)極限荷載

2.3 不同端頭縮徑長度下限制膨脹率對灌漿套筒連接系統(tǒng)極限荷載的影響

在第2.2節(jié)的研究分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究縮小直徑為2，3，4mm的條件下，端頭縮徑長度為30，50，70mm時(shí)，對應(yīng)5組不同限制膨脹率的灌漿料，分別進(jìn)行灌漿套筒錨固長度為4d和5d時(shí)的抗拉極限荷載試驗(yàn)進(jìn)行研究分析，并與0縮徑的灌漿套筒進(jìn)行比較，具體分析對比如圖7～9所示。

由表4和圖7～9可以看出，端頭縮徑長度不同而縮小直徑相同時(shí)，隨著端頭縮徑長度的增大，不同限制膨脹率對應(yīng)的錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)極限荷載均呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢。這與預(yù)期設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案也相契合，而且與鄭永峰等[2]的研究成果“增加套筒環(huán)肋數(shù)量，增大環(huán)肋內(nèi)壁凸起高度，可提高鋼筋套筒灌漿連接的承載力”有一定的相關(guān)性。由于套筒內(nèi)部構(gòu)造的差異，與該研究得出的結(jié)論不盡相同，這主要是增加套筒環(huán)肋數(shù)量和內(nèi)壁凸起高度是間斷性的，而本試驗(yàn)采用的縮徑方式是漸進(jìn)式，縮徑套筒的內(nèi)部構(gòu)造與文中提到的錐形灌漿套筒有一定相似性，這樣的設(shè)計(jì)對硬化后灌漿料的整體性有協(xié)同保護(hù)作用。與0縮徑試件相比較，縮小直徑分別為2，3，4mm時(shí)，隨著端頭縮徑長度增加，對應(yīng)不同限制膨脹率的灌漿料而言，錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)的極限荷載均呈現(xiàn)出增大的趨勢。其中增幅最大的是端頭縮徑長度為70mm、縮小直徑為4mm時(shí)，錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)極限荷載增幅最大。但是灌漿料約束膨脹應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，其拔出鋼筋的極限荷載有所降低，說明灌漿料的限制膨脹率有一個(gè)合理的范圍。由試驗(yàn)結(jié)果分析可以得出，灌漿料的7d限制膨脹率應(yīng)不大于0.048%，而且28d限制膨脹率要求降低得越小越好。從試驗(yàn)結(jié)果來看，端頭縮徑長度應(yīng)該盡可能地加長，同時(shí)也要考慮加工的難易程度和成本控制，建議端頭縮徑長度應(yīng)不小于50mm。

圖7 縮小直徑為2mm時(shí)錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)極限荷載

圖8 縮小直徑為3mm時(shí)錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)極限荷載

圖9 縮小直徑為4mm時(shí)錨固長度為4d和5d的連接系統(tǒng)極限荷載

2.4 綜合分析

通過對比試驗(yàn)結(jié)果可知，端頭縮徑長度和縮徑尺寸相同的情況下，灌漿料的限制膨脹率不同，其表現(xiàn)出套筒灌漿連接系統(tǒng)的極限荷載不同，端頭縮徑長度相對越長，對約束膨脹灌漿料的效果越好。這充分證明灌漿料的限制膨脹率不同，其對套筒壁的作用力大小差異較大。而隨著灌漿料限制膨脹率的增大，套筒灌漿連接系統(tǒng)的極限荷載均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這是因?yàn)樵诳s徑套筒約束狀態(tài)下，當(dāng)限制膨脹率達(dá)到一定值時(shí)，灌漿料本身的強(qiáng)度不足以抵抗膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，導(dǎo)致其自身體系發(fā)生破壞或弱化，表現(xiàn)為拔出鋼筋的極限荷載有所降低。這也是該研究對約束膨脹構(gòu)件或部件的設(shè)計(jì)、施工等提出的新思路，可以把結(jié)構(gòu)與材料的性能有機(jī)結(jié)合起來，以保證合理使用材料和結(jié)構(gòu)安全。

3 后續(xù)研究思路及拓展應(yīng)用

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋套筒灌漿料以豎向膨脹為主，灌漿料與套筒筒壁之間的摩擦阻力較小。如何約束豎向膨脹應(yīng)力，提高套內(nèi)壁與灌漿料之間的橫向膨脹應(yīng)力，并調(diào)控至合理范圍，是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋套筒灌漿連接系統(tǒng)需要解決的問題之一。而鋼管混凝土體系、后張法預(yù)應(yīng)力橋梁的注漿料，也存在類似的問題。李憲軍等[17]公開的一種約束豎向膨脹應(yīng)力的鋼管專利，正是利用端頭縮徑鋼管約束混凝土的豎向膨脹應(yīng)力，提高鋼管混凝土的整體受力性能。本研究提出套筒灌漿連接系統(tǒng)后續(xù)研究思路及拓展應(yīng)用如下：

(1)在有約束的條件下，灌漿料膨脹應(yīng)力的大小，對系統(tǒng)有較明顯的改善作用。后續(xù)需要從套筒設(shè)計(jì)和灌漿料性能進(jìn)行深入綜合研究，研發(fā)出性能更好、成本更低、施工更便捷的灌漿套筒系統(tǒng)。

(2)通過約束與膨脹應(yīng)力調(diào)控后的灌漿套筒系統(tǒng)，還需要進(jìn)一步研究荷載-位移、量化膨脹應(yīng)力、抗剪性能以及構(gòu)件實(shí)體測試等大量工作。該技術(shù)可應(yīng)用于鋼管混凝土、預(yù)應(yīng)力橋梁和各種可創(chuàng)造約束錨固體系中。

4 結(jié)論

(1)在不同限制膨脹率灌漿料研發(fā)的基礎(chǔ)上，通過不同端頭縮徑長度和縮小直徑尺寸的約束條件，可以得出灌漿料的7d限制膨脹率應(yīng)不大于0.048%，端頭縮徑長度應(yīng)不小于50mm，縮小直徑尺寸應(yīng)不小于3mm時(shí)，極大地提高了套筒灌漿連接系統(tǒng)的極限荷載。

(2)灌漿套筒端頭縮徑長度與縮小直徑尺寸合理匹配形成約束體系，通過灌漿料限制膨脹率的調(diào)控技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)裝配式建筑套筒灌漿接點(diǎn)連接系統(tǒng)性能最優(yōu)化。可量化的約束膨脹體系為新設(shè)計(jì)、新工藝、新組合構(gòu)件或部件提供了新的思路。