灌漿缺陷對裝配式建筑中鋼筋套筒灌漿連接影響的試驗研究

馬旭 楊方奇 李建新 王新祥 韋江雄 李依妮

（1 廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司；2 華南理工大學）

0 前言

建筑產業現代化是未來建筑業發展的趨勢，是建筑生產方式從粗放型生產向集約型生產的根本轉變。與傳統的現澆建筑模式具有環境污染大、生產周期長相比，裝配式建筑這種預制構件的模式具有建設速度快、質量可靠、節能環保、節省勞動力等優點。

裝配式結構的關鍵是如何保障預制構件之間的連接性能和結構的整體性能，而這些性能的好壞與裝配式建筑構件之間的連接有著密切的聯系，節點連接的工作性能及耐久性能，將直接影響到連接的可靠性和整體結構的安全性[1]。目前，裝配式混凝土結構中最常用的預制構件主筋連接方式是鋼筋套筒灌漿連接，即將連接鋼筋插入金屬套筒內部，再灌注高強灌漿料，通過灌漿料與套筒壁的粘結以及灌漿料與鋼筋的粘結傳遞應力[2]。

節點連接是裝配式混凝土結構的關鍵，是其整體性能等同于現澆的重要保證，因此，鋼筋套筒灌漿連接質量至關重要。我國由于鋼筋套筒灌漿連接發展時間短且發展速度快、現場人員培訓不足、工廠制作精度有待改善等原因，灌漿質量尚存在一些問題[3]。并且，在實際工程中，由于多種因素的影響，也可能出現已注入的灌漿料在自身流動性和重力的作用下回流、凝結、硬化，或套筒內部空氣不能有效排出，從而導致套筒內部出現端部或中部空鼓，使套筒內鋼筋有效錨固長度減小[4-5]。灌漿缺陷將導致節點連接性能降低，嚴重影響裝配式建筑的整體性能，從而使裝配式建筑存在較大安全隱患，因此，相關研究非常必要且迫切。

1 原材料

1.1 灌漿料

本試驗采用自制鋼筋套筒灌漿料，拌合時水與灌漿料的質量比為0.12，初始流動度為347mm，30 分鐘流動度為315mm。標準養護條件下1 天抗壓強度為38.6MPa，3 天抗壓強度為71.8MPa，28 天抗壓強度為102.6MPa，3 小時膨脹率與24 小時膨脹率分別為0.2%與0.24%，其基本性能滿足現行行業標準《鋼筋連接用套筒灌漿料》（JG/T 408－2013）[6]的要求。其性能指標如表1 所示。

表1 灌漿料性能指標

1.2 鋼筋及套筒

本試驗采用的鋼筋強度等級為HRB400E，公稱直徑為20mm，其基本力學性能指標如表2 所示。HRB400E 鋼筋強度高，安全儲備大，抗震性能好，在建筑行業中得到大量應用。套筒為半灌漿套筒，與鋼筋直徑對應，基本性能滿足現行行業標準《鋼筋連接用灌漿套筒》(JG/T 398－2012)[7]的要求。

表2 鋼筋基本力學性能

2 試驗

2.1 試驗目的

本次試驗旨在通過人為設置不同長度、不同部位的缺陷，以及實際工程中經常遇到的鋼筋偏置和鋼筋彎折等情況，探究灌漿缺陷對鋼筋套筒灌漿連接的影響。

2.2 試驗設計

鋼筋套筒灌漿連接在施工過程中，通常會產生套筒端部缺陷、套筒中部缺陷、鋼筋偏心缺陷這三種缺陷。套筒端部的膠塞或坐漿層、灌漿口和出漿口的封堵松動，造成灌漿料外流，從而產生套筒端部灌漿料缺失（套筒端部缺陷）。初始灌漿結束一段時間后或者出現漏漿后進行補灌，都有可能導致套筒內部的空氣無法排除，從而產生套筒中部的灌漿料缺失（套筒中部缺陷）。實際工程的套筒裝配過程中，進行構件的位置、垂直度和標高調整時，都可能導致鋼筋和套筒的偏心（鋼筋偏心缺陷）。

本試驗設計了正常鋼筋組與偏置彎折鋼筋組兩大組試驗。正常鋼筋組設置了無灌漿缺陷組（1-1）、1d 端部缺陷組（1-2）、3d 端部缺陷組（1-3）、5d 端部缺陷組（1-4）、1d 中部缺陷組（1-5）、3d 中部缺陷組（1-6）、5d中部缺陷組（1-7），每組三個試樣。無灌漿缺陷組指鋼筋錨固長度為8d（d 為鋼筋直徑20mm）。

偏置彎折鋼筋組設置了無灌漿缺陷組（2-1）、1d 端部缺陷組（2-2）、2d 端部缺陷組（2-3）、4d 端部缺陷組（2-4）、1d 中部缺陷組（2-5）、2d 中部缺陷組（2-6）、4d中部缺陷組（2-7），每組三個試樣。試驗編號對應缺陷如表3 所示。

表3 試驗編號

內置缺陷用寬度20mm 的雙面膠設置，一層雙面膠相當于1d。端部缺陷從鋼筋端部開始設置。中部缺陷從距離鋼筋端部40mm 處開始設置。缺陷設置如圖1 所示。

圖1 缺陷設置圖

鋼筋在套筒內偏置指鋼筋與套筒內壁接觸放置。鋼筋端部彎折指通過機械方法在距離鋼筋端部160mm 處彎折4 度。考慮到在實際工程中，鋼筋與套筒對中時，可能存在誤差，因此在本試驗中設置鋼筋在套筒內偏置工況。考慮到在實際工程中，鋼筋與套筒位置存在偏差時，有可能將鋼筋略微彎折使其插入套筒內，因此在本試驗中設置鋼筋端部彎折工況。

2.3 成型及養護

將鋼筋灌漿套筒的螺紋端與鋼筋固定并用鐵絲固定在定制的架子上，設置有缺陷的鋼筋插入灌漿套筒之后同樣用鐵絲綁定在固定的位置，確保在灌漿過程中以及灌漿后套筒與鋼筋的位置不會發生變化。自制灌漿料通過攪拌機混勻后，加水快速攪拌，之后通過灌漿筒從灌漿孔手動擠入灌漿套筒中，待灌漿料從出漿孔平穩流出后停止灌漿，并用橡膠塞堵住灌漿孔和出漿孔。灌漿構件成型之后放置在室溫條件下靜置28 天。

2.4 試驗方法

根據現行行業標準《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規程》(JGJ355－2015）[8]，對鋼筋套筒試件進行單向拉伸試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

鋼筋灌漿套筒連接受力時，通過鋼筋與灌漿料結合面的粘結作用傳遞給灌漿料，灌漿料再通過其與套筒內壁結合面的粘結作用傳遞給套筒。粘結作用由表面摩擦力、化學粘結力和機械咬合力構成。套筒灌漿接頭的破壞模式主要包括套筒外鋼筋拉斷、鋼筋拔出破壞（分為鋼筋與灌漿料錨固強度不足、灌漿料與套筒內壁錨固強度不足）、灌漿料強度破壞（拉裂破壞和劈裂破壞）及套筒拉斷破壞。

本試驗通過對鋼筋套筒試件進行單向拉伸測試，探究由于灌漿缺陷造成鋼筋錨固長度減少對節點連接性能的影響，通過試驗發現：當鋼筋錨固長度減少到4d（4倍鋼筋直徑）時，鋼筋出現拔出破壞。詳細的試驗結果如表4 所示。

表4 鋼筋套筒單向拉伸試驗結果

3.2 結果分析

本試驗重點研究了灌漿缺陷對鋼筋灌漿套筒連接的影響，比較分析了無缺陷（灌漿料填充高度為8d）、端部缺陷（1d、2d、3d、4d、5d 缺陷）、中部缺陷（1d、2d、3d、4d、5d 缺陷）在單向拉伸試驗下鋼筋灌漿套筒破壞模式的區別。試驗發現：無論是端部缺陷還是中部缺陷，鋼筋由于錨固不足而產生的拔出破壞均是從4d 缺陷開始（2-4 和2-7），說明缺陷部位在端部還是中部，對試驗結果影響不大。鋼筋灌漿套筒在單向拉伸作用下，鋼筋與灌漿料之間會出現滑移，隨著缺陷長度的增加，鋼筋在破壞之前所發生的的滑移越長，而相同缺陷長度不同缺陷部位未對破壞模式或者滑移距離有明顯影響。

4 結論與展望

本研究對不同灌漿缺陷的半灌漿套筒鋼筋連接試件進行了單向拉伸試驗，探究了灌漿缺陷對節點連接性能的影響。研究發現：

⑴隨著灌漿缺陷的增加，連接破壞模式將由套筒外鋼筋拉斷變為鋼筋拔出破壞，灌漿端鋼筋破壞的抗拉強度與灌漿的飽滿程度密切相關。本試驗當鋼筋錨固長度減少到4 倍鋼筋直徑時，連接破壞模式變為鋼筋拔出破壞。

⑵缺陷部位在端部還是中部，對試驗結果影響不大，即相同缺陷長度不同缺陷部位未對破壞模式有明顯影響。

在實際工程中，由于多種因素的影響，或多或少地會造成灌漿缺陷的引入，從而使裝配式混凝土建筑存在較大安全隱患。一方面，與灌漿缺陷相關的研究仍需進一步深入，尤其是關于循環荷載下灌漿缺陷對節點安全性的影響。另一方面，灌漿套筒鋼筋連接屬于隱蔽工程，如果在施工過程中沒有做好有效的施工過程質量監管，造成的灌漿缺陷將較難通過后期檢測發現，因此，與之相關的有效檢測技術的研究也非常迫切。