灌漿密實(shí)度及鋼筋偏置對(duì)鋼筋灌漿套筒連接性能的影響研究

蘇興杰，劉 鋒

（廣州機(jī)場(chǎng)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司 廣州 510812）

0 引言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)由于具有低碳環(huán)保、建造速度快、施工便捷的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)得到了大力發(fā)展推廣。鋼筋套筒灌漿連接作為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的主要連接形式，其連接質(zhì)量決定了結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，而鋼筋套筒灌漿密實(shí)度則直接影響到構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的連接質(zhì)量［1-3］。鋼筋套筒灌漿連接接頭的力學(xué)性能主要取決于鋼筋在套筒內(nèi)的有效錨固長(zhǎng)度，但在實(shí)際施工過(guò)程中，由于灌漿不暢、漏漿、套筒內(nèi)異物堵塞等情況，出現(xiàn)套筒灌漿不飽滿、不密實(shí)，導(dǎo)致鋼筋的實(shí)際有效錨固長(zhǎng)度達(dá)不到相關(guān)規(guī)范要求［4-6］。

關(guān)于鋼筋套筒灌漿飽滿度對(duì)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接質(zhì)量的影響，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了系列研究。SAYADI 等人［7］研究發(fā)現(xiàn)，更長(zhǎng)的鋼筋套筒和鋼筋錨固長(zhǎng)度能夠顯著提升鋼筋套筒的極限抗拉強(qiáng)度。吳小寶等人［8］研究發(fā)現(xiàn)，隨著齡期的增長(zhǎng)，試件連接的承載力顯著增加，在第7天趨于穩(wěn)定，連接的變形與鋼筋種類無(wú)顯著關(guān)系。陳海彬等人［9］重點(diǎn)分析灌漿料強(qiáng)度和錨固長(zhǎng)度對(duì)鋼筋套筒極限承載力的影響，并利用統(tǒng)計(jì)回歸分析給出粘接強(qiáng)度與連接長(zhǎng)度的近似估算公式。李向民等人［10］研究結(jié)果表明，缺陷長(zhǎng)度不超過(guò)30%設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度時(shí)，接頭的對(duì)中單向拉伸強(qiáng)度仍滿足要求。孟文清等人［11］研究發(fā)現(xiàn)，缺陷長(zhǎng)度為3d時(shí)，屬于接頭鋼筋拉斷和鋼筋拔出的臨界點(diǎn)；缺陷長(zhǎng)度＜3d時(shí)，接頭鋼筋被拉斷，且強(qiáng)度符合規(guī)范要求；無(wú)缺陷時(shí)，對(duì)于相同材質(zhì)套筒，內(nèi)徑越大，接頭對(duì)鋼筋延性的影響越小。高潤(rùn)東等人［12］認(rèn)為，為保證接頭外鋼筋拉斷破壞，中部缺陷最大長(zhǎng)度約為端部缺陷最大長(zhǎng)度的50.0%～66.7%，且中部缺陷對(duì)接頭性能的不利影響更大。

現(xiàn)有研究主要針對(duì)灌漿套筒鋼筋接頭的連接性能與灌漿飽滿度之間的影響關(guān)系，關(guān)于灌漿密實(shí)度及鋼筋偏置對(duì)鋼筋灌漿套筒接頭連接性能影響研究較少。因此，本文選用直徑為18 mm 的HRB400E 鋼筋，從不同灌漿密實(shí)度及鋼筋偏置對(duì)鋼筋灌漿套筒接頭連接性能的影響展開研究，并分析其影響規(guī)律和作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

鋼筋：選用HRB400E鋼筋，公稱直徑為18 mm，相關(guān)性能參數(shù)如下：屈服強(qiáng)度為410 MPa，抗拉強(qiáng)度為546 MPa，彈性模量為206 GPa，殘余變形為0.04 mm，最大拉力下總伸長(zhǎng)率為13.26%。

套筒：選用沖壓式全灌漿套筒，套筒外形尺寸與內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示。

灌漿料：選用自主研發(fā)的普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和石膏三元膠凝材料復(fù)配體系的灌漿料，28 d設(shè)計(jì)強(qiáng)度為85 MPa，其在同等條件下養(yǎng)護(hù)1 d、3 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為59.7 MPa、75.2 MPa、98.3 MPa。

聚苯乙烯：選用分子量為30 000～50 000 的聚苯乙烯細(xì)顆粒，其流動(dòng)性好，吸水率低，對(duì)灌漿料性能無(wú)影響，與灌漿料混合并灌注到套筒后模擬鋼筋灌漿套筒的灌漿密實(shí)度缺陷。

1.2 試件制作

考慮灌漿密實(shí)度及鋼筋偏置2 個(gè)影響因素，共制作45個(gè)鋼筋灌漿套筒試件，部分鋼筋灌漿套筒試件制作如圖2所示。按照x-y的形式對(duì)各試件命名，其中x表示鋼筋位置，DZ指鋼筋垂直對(duì)中，PZ指鋼筋垂直偏心（PZ1 表示鋼筋相對(duì)偏心對(duì)置距離為1 cm，PZ2 表示鋼筋相對(duì)偏心對(duì)置距離為2 cm）；y表示不同級(jí)別的灌漿密實(shí)度，從等級(jí)1～等級(jí)5 依次表示密實(shí)度逐步下降。制作試件時(shí)按一定體積比例的聚苯乙烯顆粒替代灌漿料，以模擬鋼筋套筒內(nèi)不同的灌漿密實(shí)度，具體試驗(yàn)灌注材料體積配合比如表1所示。

表1 試驗(yàn)灌注材料體積配合比Tab.1 Volume Mix Proportion of Test Grouting Material

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程：JGJ 107—2016》，采用微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)制備好的鋼筋灌漿套筒試件進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，得到接頭試件的最大拉力和最大拉力下總伸長(zhǎng)量，并記錄試件最終破壞形式。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

鋼筋灌漿套筒接頭試件單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，表2 中每種工況下的數(shù)據(jù)為3 個(gè)平行試件的平均值。可以看出，灌漿密實(shí)度較大時(shí)，試件最終破壞形式為鋼筋拉斷；灌漿密實(shí)度逐步下降，試件最終破壞形式轉(zhuǎn)變?yōu)殇摻畎纬?，鋼筋灌漿套筒試件最終破壞形式如圖3 所示。部分鋼筋灌漿套筒試件荷載-位移曲線如圖4 所示。由圖4 可看出，灌漿密實(shí)度和鋼筋偏置基本不影響鋼筋灌漿套筒試件在彈性階段和屈服階段的荷載-位移關(guān)系；但在強(qiáng)化階段，灌漿密實(shí)度主要影響鋼筋灌漿套筒試件的最大拉力，鋼筋偏置則影響其處于最大拉力時(shí)的位移。此外，灌漿密實(shí)度小且鋼筋偏置距離大時(shí)，鋼筋灌漿套筒試件的抗拉強(qiáng)度明顯降低。

2.1 灌漿密實(shí)度對(duì)鋼筋灌漿套筒接頭試件力學(xué)性能的影響

由表2 及圖4 可看出，灌漿密實(shí)度對(duì)鋼筋灌漿套筒接頭試件的屈服強(qiáng)度基本無(wú)影響，但對(duì)接頭試件的抗拉強(qiáng)度和破壞形式存在一定影響。鋼筋灌漿套筒接頭試件抗拉強(qiáng)度與灌漿密實(shí)度的關(guān)系如圖5 所示。由圖5可看出，隨著灌漿密實(shí)度逐步下降，接頭試件抗拉強(qiáng)度明顯降低，試件的破壞形式由鋼筋拉斷轉(zhuǎn)變?yōu)殇摻畎纬?，其中試件DZ-5、PZ1-5、PZ2-4 和PZ2-5 的破壞形式為鋼筋拔出。另一方面，相同灌漿密實(shí)度下，鋼筋偏置距離越大，接頭試件抗拉強(qiáng)度下降越明顯。接頭試件在鋼筋偏置距離為2 cm時(shí)，灌漿密實(shí)度下降的同時(shí)抗拉強(qiáng)度顯著下降，最終破壞形式為鋼筋拔出。此外，試件PZ2-4和PZ2-5的強(qiáng)屈比遠(yuǎn)小于試件DZ-5和PZ1-5 的強(qiáng)屈比，不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求。在鋼筋偏置距離較大的情況下，灌漿密實(shí)度下降到一定閾值后鋼筋與灌漿料之間的有效粘結(jié)錨固力出現(xiàn)斷崖式下降，且鋼筋偏心受拉導(dǎo)致鋼筋灌漿套筒內(nèi)部出現(xiàn)較大偏心力矩，鋼筋與灌漿料之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，最終導(dǎo)致鋼筋尚未達(dá)到抗拉強(qiáng)度就被提前拔出。

表2 鋼筋灌漿套筒試件單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Uniaxial Tensile Test Results of Reinforcement Grouting Sleeve Specimens

2.2 灌漿密實(shí)度對(duì)鋼筋灌漿套筒接頭試件變形性能的影響

殘余變形表示鋼筋灌漿套筒單向拉伸加載至0.6倍鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值再卸載至零荷載后鋼筋的相對(duì)位移，殘余變形越大表明接頭試件變形性能差；最大拉力下總伸長(zhǎng)率表示在最大拉力下試件的伸長(zhǎng)量與原試件長(zhǎng)度的比值，表征極限拉力狀態(tài)下接頭試件整體變形性能，最大拉力下總伸長(zhǎng)率越小表明接頭試件變形性能差。由表2 可以看出，灌漿密實(shí)度和鋼筋偏置均會(huì)影響鋼筋灌漿套筒接頭試件的變形性能。鋼筋位置保持不變的情況下，試件DZ-5、PZ1-5和PZ2-5的殘余變形均相應(yīng)比試件DZ-1、PZ1-1 和PZ2-1 大；而在灌漿密實(shí)度較小情況下，鋼筋偏置也會(huì)導(dǎo)致試件殘余變形有一定程度增加。

鋼筋套筒接頭試件最大拉力下總伸長(zhǎng)率與灌漿密實(shí)度的關(guān)系如圖6 所示。由圖6 可知，鋼筋位置保持不變的情況下，試件DZ-5、PZ1-5 和PZ2-5 的最大拉力下總伸長(zhǎng)率均相應(yīng)比試件DZ-1、PZ1-1 和PZ2-1小；此外鋼筋偏置會(huì)加劇最大拉力下總伸長(zhǎng)率降低這一不利影響。鋼筋偏置距離大且灌漿密實(shí)度低的情況下，試件殘余變形大、最大拉力下總伸長(zhǎng)率小，此時(shí)試件的變形性能極差。分析其原因主要是聚苯乙烯顆粒的增加，導(dǎo)致灌漿料密實(shí)度降低，鋼筋與灌漿料之間的有效粘結(jié)錨固力下降，在接頭試件加載至0.6 倍鋼筋理論屈服荷載的過(guò)程中，鋼筋與灌漿料之間產(chǎn)生較大相對(duì)滑移，表現(xiàn)為殘余變形大；隨著后續(xù)荷載的增加，造成鋼筋尚未達(dá)到抗拉強(qiáng)度就被提前拔出，試件的最大拉力下總伸長(zhǎng)率明顯降低。根據(jù)《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程：JGJ 355—2015》的技術(shù)要求，接頭試件的最大拉力下總伸長(zhǎng)率不應(yīng)小于6%，本試驗(yàn)中PZ2-5不滿足技術(shù)要求，無(wú)法應(yīng)用到實(shí)際工程中。

2.3 鋼筋偏置對(duì)鋼筋灌漿套筒接頭連接性能的影響

由圖4 和圖5 可看出，灌漿密實(shí)度較大時(shí)，鋼筋偏置對(duì)接頭試件抗拉強(qiáng)度的負(fù)面影響較??；灌漿密實(shí)度較小時(shí)，鋼筋偏置距離越大，接頭試件抗拉強(qiáng)度下降趨勢(shì)越明顯。此外，鋼筋偏置距離過(guò)大容易導(dǎo)致鋼筋未達(dá)到抗拉強(qiáng)度就被提前拔出，嚴(yán)重影響鋼筋灌漿套筒接頭連接性能。由表4 和圖6 可看出，灌漿密實(shí)度越小，鋼筋偏置的接頭試件變形性能越差，主要表現(xiàn)為試件殘余變形增大、最大拉力下總伸長(zhǎng)率減小。灌漿密實(shí)度低且鋼筋偏置距離大的鋼筋灌漿套筒接頭的工作性能明顯不滿足《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程：JGJ 355—2015》的技術(shù)要求。綜上所述，灌漿料密實(shí)度越小，鋼筋偏置距離越大，越不利于鋼筋灌漿套筒接頭試件的連接性能。

3 結(jié)論

本文主要對(duì)多種不同工況的鋼筋灌漿套筒接頭試件進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，研究不同灌漿密實(shí)度和鋼筋偏置對(duì)接頭連接性能的影響，由試驗(yàn)結(jié)果可得以下結(jié)論：

⑴灌漿密實(shí)度顯著影響鋼筋灌漿套筒接頭試件的連接性能。灌漿密實(shí)度大，試件最終破壞形式為鋼筋拉斷，抗拉強(qiáng)度、殘余變形和最大力總伸長(zhǎng)率均能滿足標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求；灌漿密實(shí)度小，試件最終破壞形式為鋼筋拔出，抗拉強(qiáng)度降低、殘余變形增大、最大拉力下總伸長(zhǎng)率減小，其工作性能明顯不滿足《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程：JGJ 355—2015》的技術(shù)要求。

⑵灌漿密實(shí)度較大時(shí)，鋼筋偏置對(duì)接頭試件的抗拉強(qiáng)度、殘余變形和最大拉力下總伸長(zhǎng)率的影響較??；灌漿密實(shí)度較小時(shí)，鋼筋偏置距離越大，接頭試件抗拉強(qiáng)度下降趨勢(shì)越明顯，同時(shí)殘余變形明顯增大、最大拉力下總伸長(zhǎng)率顯著減小。

⑶鋼筋偏置容易加劇鋼筋套筒灌漿效果差所帶來(lái)的負(fù)面影響，鋼筋偏心受拉導(dǎo)致套筒內(nèi)部出現(xiàn)較大偏心力矩，鋼筋與灌漿料之間容易產(chǎn)生相對(duì)滑移，導(dǎo)致鋼筋未達(dá)到抗拉強(qiáng)度就被提前拔出，接頭試件殘余變形增大、最大拉力下總伸長(zhǎng)率減小。灌漿料密實(shí)度越小，鋼筋偏置距離越大，越不利于鋼筋灌漿套筒接頭試件的連接性能。