套筒水平灌漿缺陷復(fù)灌前后對套筒鋼筋受拉性能的影響

顏 華，宋 波，徐東升，張國棟

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083；2.廊坊師范學(xué)院建筑工程學(xué)院,廊坊 065000；3.強(qiáng)震區(qū)軌道交通工程抗震研究北京市國際科技合作基地，北京 100083)

鋼筋套筒灌漿連接是指在預(yù)制混凝土構(gòu)件內(nèi)預(yù)埋的金屬套筒中插入鋼筋并灌注水泥基灌漿料而實(shí)現(xiàn)的鋼筋對接連接方式。鋼筋套筒灌漿連接是裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)的核心，對結(jié)構(gòu)整體性能至關(guān)重要。由于鋼筋套筒連接處位于結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處，通常預(yù)制構(gòu)件縱筋在同一連接區(qū)段內(nèi)采用100%連接，且位于箍筋加密區(qū)，這對接頭連接質(zhì)量提出了更高要求。套筒灌漿屬于隱蔽工程，實(shí)際施工中影響梁筋連接套筒灌漿質(zhì)量的因素不易控制，水平鋼筋套筒連接往往存在頂部脫空缺陷，因此施工中如何檢測套筒灌漿質(zhì)量成為工程界普遍關(guān)注的問題。

中外學(xué)者針對鋼筋套筒灌漿的研究主要集中在承載力和缺陷檢測等方面。Alias等[1]設(shè)計(jì)了有無鋼螺旋的灌漿套管連接器在增量拉伸載荷下作為橫向鋼筋的力學(xué)性能；Ling等[2]設(shè)計(jì)制作了不同接頭形式的套筒灌漿連接件并通過試驗(yàn)對其可行性進(jìn)行了研究；Henin等[3]設(shè)計(jì)了一種采用無縫鋼管制作，管壁內(nèi)表面布有螺紋的灌漿套筒，并通過單向拉伸試驗(yàn)和數(shù)值模擬對套筒灌漿連接件的承載力進(jìn)行了研究；吳濤等[4]對20個(gè)套筒灌漿連接件進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn),研究了套筒種類、錨固長度和鋼筋直徑對套筒筒壁應(yīng)變的影響；張?jiān)龅碌萚5]采用玻璃纖維復(fù)合材料作為套筒材料,設(shè)計(jì)出一種GFRP(glass fiber reinforced polymer)全灌漿套筒進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證了其可行性；王瑞等[6]采用有限元軟件ABAQUS灌漿套筒連接件進(jìn)行模擬,并與試驗(yàn)值進(jìn)行對比,研究結(jié)果表明鋼筋偏位對試件承載力影響不顯著，灌漿套筒拉伸試驗(yàn)中,套筒并未達(dá)到屈服,處于彈性階段。武立偉等[7]研究了抗剪鍵對鋼筋套筒灌漿的承載力影響。余瓊等[8-9]進(jìn)行了45個(gè)帶肋鋼筋錨入套筒約束灌漿料中的拉拔試驗(yàn)，研究了試件破壞形態(tài)和黏結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律，并進(jìn)行了采用套筒搭接連接的預(yù)制剪力墻擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明套筒在預(yù)制混凝土剪力墻中能夠很好地傳遞鋼筋應(yīng)力；許成順等[10]對高應(yīng)力反復(fù)拉壓作用下鋼筋套筒灌漿連接性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究；劉立平等[11]進(jìn)行了裝配式結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析中半灌漿套筒鋼筋連接本構(gòu)關(guān)系的研究，其模擬結(jié)果能與試驗(yàn)結(jié)果較好地契合；王玲等[12]研究了灌漿套筒用于連接角縱筋的T形柱邊框架梁柱節(jié)點(diǎn)在水平地震作用下破壞過程。

目前，中外研究中對缺陷問題的處理研究很少。為此，提出二次復(fù)灌處理方式，并針對不同材料的復(fù)灌效果進(jìn)行對比研究，以驗(yàn)證復(fù)灌技術(shù)的可行性，但對灌漿材料要求嚴(yán)格，研究結(jié)果對實(shí)際工程問題有一定借鑒意義。

1 灌漿缺陷試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用HRB400鋼筋，直徑為14 mm，實(shí)測鋼筋力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)采用某廠家提供的全灌漿套筒，由球墨鑄鐵鑄造而成，材料性能滿足標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋連接用灌漿套筒》 (JGJ/T 398—2012)[13]要求，尺寸如圖1和表2所示。試驗(yàn)套筒內(nèi)上段和下段鋼筋的錨固長度均嚴(yán)格控制為鋼筋直徑d的8倍。

表1 鋼筋力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Mechanical property parameters of reinforcement

L為灌漿套筒總長；L1為灌漿端鋼筋錨固長度；L2為溢漿端鋼筋錨固長度；L3為安裝密封塞長度；D為套筒外徑；D1為套筒內(nèi)徑；D3為灌漿孔外徑；D4為灌漿孔內(nèi)徑；D5為溢漿孔外徑；D6為溢漿孔內(nèi)徑；S1為灌漿孔中心距套筒端長度；S2為溢漿孔中心距套筒端長度圖1 套筒尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of sleeve size

試驗(yàn)采用與套筒相配套的灌漿料，拌合時(shí)水與灌漿料的質(zhì)量比為0.14，初始流動(dòng)度大于340 mm，30 min流動(dòng)度大于310 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，24 h抗壓強(qiáng)度大于35 MPa,28 d抗壓強(qiáng)度大于85 MPa，滿足現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋連接用套筒灌漿料》(JGJ/T 408—2019)[14]要求。

1.2 灌漿缺陷設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有對灌漿套筒內(nèi)部灌漿缺陷檢測手段缺乏，大規(guī)模工廠化加工和現(xiàn)場裝配前提下，灌漿缺陷很難避免，缺陷的大小和分布必然對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生影響。現(xiàn)以水平灌漿套筒作為研究對象，設(shè)計(jì)了灌漿率為100%、80%、70%、60%的4組不同的套筒進(jìn)行了拉伸受力試驗(yàn)來驗(yàn)證缺陷對受力的影響程度。缺陷套筒示意圖如圖2所示。制作和試驗(yàn)過程如圖3所示。

采用稱重法量出每組組合的灌漿前后重量，滿灌漿料質(zhì)量采用稱量方法取一組滿灌漿套筒灌漿前后套筒中灌漿料質(zhì)量的平均值如表3所示。滿灌漿時(shí)灌漿料質(zhì)量計(jì)算公式為

表2 套筒尺寸參數(shù)Table 2 Sleeve size parameters

圖2 套筒缺陷示意圖Fig.2 Schematic diagram of sleeve defect

圖3 試件制作和試驗(yàn)過程Fig.3 Specimen making and test process

M=H1-Q

(1)

式(1)中：M為滿灌漿時(shí)灌漿料質(zhì)量；Q為灌漿前套筒質(zhì)量；H1為滿灌漿后套筒質(zhì)量。

有孔洞缺陷的灌漿套筒灌漿率為K，計(jì)算得出的實(shí)際灌漿率如表4所示。灌漿套筒灌漿率計(jì)算公式為

K=(H2-Q)/M

(2)

式(2)中：K為套筒實(shí)際灌漿率；H2為有缺陷套筒灌漿后質(zhì)量。

表4 有缺陷套筒灌漿率Table 4 Grouting rate of defective sleeve

按照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ 355—2015)[15]進(jìn)行接頭試件的對中單向拉伸試驗(yàn)。測試內(nèi)容包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及破壞形態(tài)。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)破壞形態(tài)主要為鋼筋拉斷、端部灌漿料破碎鋼筋拔出和鋼筋直接拔出如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。根據(jù)《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ 355—2015)對鋼筋套筒灌漿連接強(qiáng)度的規(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(研究所用鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為400 MPa )；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(研究所用鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值540 MPa)，且破壞時(shí)應(yīng)斷于接頭外鋼筋;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(相當(dāng)于研究所用鋼筋抗拉強(qiáng)度達(dá)到其標(biāo)準(zhǔn)值540 MPa的1.15倍，即621 MPa)而未發(fā)生破壞時(shí)，應(yīng)判為抗拉強(qiáng)度合格，可停止試驗(yàn)。

圖4 試件破壞形態(tài)Fig.4 Failure mode of specimen

表5 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果Table 5 Results of tensile test data

由表5試驗(yàn)結(jié)果可知，無缺陷灌漿套筒連接的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，從荷載-位移曲線(圖5)可以看出，套筒鋼筋受力也經(jīng)過了彈性、屈服、強(qiáng)化和斷裂4個(gè)階段，和鋼筋力學(xué)性質(zhì)完全一直(有一個(gè)套筒由于加載機(jī)器故障，強(qiáng)化階段未顯示)。對灌漿率為80%灌漿套筒連接的屈服強(qiáng)度能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其最大抗拉強(qiáng)度為450 MPa，只相當(dāng)于鋼筋的屈服強(qiáng)度，從荷載-位移曲線(圖5)可以看出，鋼筋加載剛到達(dá)屈服平臺(tái)鋼筋就被拔出，不能滿足規(guī)范要求，鋼筋被拔出，可判定不能滿足受力要求，為不合格。對灌漿率為70%灌漿套筒鋼筋未達(dá)到屈服強(qiáng)度就被拔出，最大抗拉強(qiáng)度為150 MPa，僅為鋼筋標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度的33%，說明鋼筋變形還處在彈性范圍內(nèi)，可判定不能滿足規(guī)范要求，為不合格。對灌漿率為60%灌漿套筒鋼筋加載初期就被拔出，最大強(qiáng)度為40 MPa，僅為鋼筋標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度的9%，說明鋼筋變形還處在彈性范圍內(nèi)，可判定不能滿足規(guī)范要求，為不合格。(灌漿率為60%鋼筋荷載-位移曲線圖主要反映的是灌漿料與套筒在鋼筋拉拔過程中的受力狀態(tài)，不能反映鋼筋受力)。

圖5 拉伸試驗(yàn)荷載-位移曲線Fig.5 Load displacement curve of tensile test

2 缺陷復(fù)灌后套筒連接試驗(yàn)

2.1 灌漿材料選擇

灌漿料是連接套筒與鋼筋得關(guān)鍵材料，現(xiàn)在市場上灌漿料品種很多，但使用效果不一定都能達(dá)到套筒灌漿要求，特別是灌漿過程中流動(dòng)性的保證對最終灌漿得飽滿度至關(guān)重要。試驗(yàn)采用兩種水泥基灌漿料，一種為高強(qiáng)無收縮灌漿料(GWL)，一種為套筒高強(qiáng)灌漿料(TGL)，兩者均標(biāo)明可用于套筒灌漿，主要技術(shù)參數(shù)基本一致，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋連接用套筒灌漿料》(JG/T 408—2019)[14]要求，如表6所示。

經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)檢測兩種材料初始流動(dòng)度均≥300 mm，滿足規(guī)范指標(biāo)要求，30 min流動(dòng)度套筒高強(qiáng)灌漿料(TGL)為268 mm，大于等于260 mm，滿足規(guī)范要求，但高強(qiáng)無收縮灌漿料(GWL)不滿足要求，僅為136 mm。由于試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，需要精確計(jì)量灌入的灌漿料質(zhì)量，時(shí)間比正常灌漿要長，對初始流動(dòng)性30 min流動(dòng)性要求都比較高，采用兩種灌漿料進(jìn)行缺陷灌漿，測試結(jié)果對初始缺陷灌漿影響就有較大差異，二次缺陷復(fù)灌結(jié)果差異更大。考慮到實(shí)際施工中各種因素的影響，采用高強(qiáng)無收縮灌漿料(GWL)對施工質(zhì)量很難保證。

表6 灌漿料主要技術(shù)參數(shù)Table 6 Main technical parameters of grouting material

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

復(fù)灌灌滿的控制也采用質(zhì)量控制法，即二次復(fù)灌后套筒質(zhì)量和一次性灌滿的套筒質(zhì)量進(jìn)行對比得到實(shí)際灌漿率，二次灌漿以灌漿口流出灌漿料為灌漿灌滿的控制標(biāo)準(zhǔn)。為了使復(fù)灌效果更為明顯，試驗(yàn)選擇60%和70%初始灌漿率的套筒進(jìn)行復(fù)灌試驗(yàn)。復(fù)灌前后質(zhì)量對比如表7所示。

從表7測量結(jié)果可以看出，采用高強(qiáng)無收縮灌漿料(GWL)在初始缺陷灌漿階段就出現(xiàn)灌漿不順暢，達(dá)不到灌漿要求的現(xiàn)象，即使第一次灌漿達(dá)到缺陷率要求，但由于灌漿流動(dòng)性不好，套筒內(nèi)造成局部堵塞，無法形成順暢的水平面，進(jìn)行二次灌漿時(shí)灌漿料無法進(jìn)入，從而達(dá)不到試驗(yàn)要求的灌漿率(個(gè)別灌漿效果可以滿足)。采用套筒高強(qiáng)灌漿料(TGL)其流動(dòng)性基本能滿足初始和二次灌漿率的要求。

最終試件破壞形式兩種材料有很大的差異，采用高強(qiáng)無收縮灌漿料(GWL)試件復(fù)灌后破壞以端部灌漿料破碎鋼筋拔出為主(有一個(gè)試件鋼筋被拉斷)如圖6(a)所示，采用套筒高強(qiáng)灌漿料(TGL)的試件破壞均為鋼筋被拉斷如圖6(b)所示。

表7 兩種灌漿料灌漿質(zhì)量對比Table 7 Comparison of grouting quality of two grouting materials

圖6 兩種灌漿材料復(fù)灌套筒拉力試驗(yàn)破壞現(xiàn)象Fig.6 Failure phenomenon of sleeve tension test of two grouting materials

從荷載-位移曲線(圖7)可以看出，采用套筒高強(qiáng)灌漿料(TGL)的套筒復(fù)灌后鋼筋受力經(jīng)過了彈性、屈服、強(qiáng)化和斷裂四個(gè)階段，和鋼筋力學(xué)性質(zhì)完全一直，復(fù)灌效果良好，能滿足灌漿套筒的受力要求。采用高強(qiáng)無收縮灌漿料(GWL)在初始缺陷灌漿時(shí)的預(yù)留空隙在套筒內(nèi)沒有形成貫通的水平面，造成局部堵塞，導(dǎo)致在進(jìn)行二次復(fù)灌時(shí)灌漿料無法順利通過，最終灌漿率達(dá)不到補(bǔ)灌要求。在工程檢測中如發(fā)現(xiàn)灌漿缺陷，采用復(fù)灌方法是可以解決的，但對灌漿料要求應(yīng)更加嚴(yán)格。所以在實(shí)際工程的灌漿料一定要采用套筒專門的材料。

3 結(jié)論

基于現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ 355—2015)[15]，對密實(shí)灌漿、有灌漿缺陷和缺陷二次復(fù)灌的灌漿套筒進(jìn)行了單向拉伸受力試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論。

(1)無缺陷灌漿套筒鋼筋的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼筋受力經(jīng)過了彈性、屈服、強(qiáng)化和斷裂4個(gè)階段，和鋼筋力學(xué)性質(zhì)完全一致。

(2)對灌漿率為80%灌漿套筒鋼筋的屈服強(qiáng)度能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，在鋼筋加載剛到達(dá)屈服平臺(tái)鋼筋就被拔出。對灌漿率為70%灌漿套筒鋼筋未達(dá)到屈服強(qiáng)度就被拔出，鋼筋變形還處在彈性范圍內(nèi)。對灌漿率為60%灌漿套筒鋼筋加載初期就被拔出，最大強(qiáng)度僅為鋼筋標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度的9%。

圖7 不同灌漿料70%、60%孔隙率復(fù)灌對比Fig.7 Comparison of 70%,60% porosity of different grouting materials

(3)采用高強(qiáng)無收縮灌漿料(GWL)和套筒高強(qiáng)灌漿料(TGL)進(jìn)行復(fù)灌對比試驗(yàn)，采用高強(qiáng)無收縮灌漿料(GWL)的套筒不能滿足受力要求，其原因時(shí)流動(dòng)性不能滿足要求，采用套筒高強(qiáng)灌漿料(TGL)的套筒的力學(xué)性能滿足規(guī)范要求，在工程檢測中如發(fā)現(xiàn)灌漿缺陷，采用復(fù)灌方法是可以解決的，其中灌漿料的選擇尤為重要。