灌浆缺陷对装配式建筑中钢筋套筒灌浆连接影响的试验研究

马旭 杨方奇 李建新 王新祥 韦江雄 李依妮

（1 广东省建筑科学研究院集团股份有限公司；2 华南理工大学）

0 前言

建筑产业现代化是未来建筑业发展的趋势，是建筑生产方式从粗放型生产向集约型生产的根本转变。与传统的现浇建筑模式具有环境污染大、生产周期长相比，装配式建筑这种预制构件的模式具有建设速度快、质量可靠、节能环保、节省劳动力等优点。

装配式结构的关键是如何保障预制构件之间的连接性能和结构的整体性能，而这些性能的好坏与装配式建筑构件之间的连接有着密切的联系，节点连接的工作性能及耐久性能，将直接影响到连接的可靠性和整体结构的安全性[1]。目前，装配式混凝土结构中最常用的预制构件主筋连接方式是钢筋套筒灌浆连接，即将连接钢筋插入金属套筒内部，再灌注高强灌浆料，通过灌浆料与套筒壁的粘结以及灌浆料与钢筋的粘结传递应力[2]。

节点连接是装配式混凝土结构的关键，是其整体性能等同于现浇的重要保证，因此，钢筋套筒灌浆连接质量至关重要。我国由于钢筋套筒灌浆连接发展时间短且发展速度快、现场人员培训不足、工厂制作精度有待改善等原因，灌浆质量尚存在一些问题[3]。并且，在实际工程中，由于多种因素的影响，也可能出现已注入的灌浆料在自身流动性和重力的作用下回流、凝结、硬化，或套筒内部空气不能有效排出，从而导致套筒内部出现端部或中部空鼓，使套筒内钢筋有效锚固长度减小[4-5]。灌浆缺陷将导致节点连接性能降低，严重影响装配式建筑的整体性能，从而使装配式建筑存在较大安全隐患，因此，相关研究非常必要且迫切。

1 原材料

1.1 灌浆料

本试验采用自制钢筋套筒灌浆料，拌合时水与灌浆料的质量比为0.12，初始流动度为347mm，30 分钟流动度为315mm。标准养护条件下1 天抗压强度为38.6MPa，3 天抗压强度为71.8MPa，28 天抗压强度为102.6MPa，3 小时膨胀率与24 小时膨胀率分别为0.2%与0.24%，其基本性能满足现行行业标准《钢筋连接用套筒灌浆料》（JG/T 408－2013）[6]的要求。其性能指标如表1 所示。

表1 灌浆料性能指标

1.2 钢筋及套筒

本试验采用的钢筋强度等级为HRB400E，公称直径为20mm，其基本力学性能指标如表2 所示。HRB400E 钢筋强度高，安全储备大，抗震性能好，在建筑行业中得到大量应用。套筒为半灌浆套筒，与钢筋直径对应，基本性能满足现行行业标准《钢筋连接用灌浆套筒》(JG/T 398－2012)[7]的要求。

表2 钢筋基本力学性能

2 试验

2.1 试验目的

本次试验旨在通过人为设置不同长度、不同部位的缺陷，以及实际工程中经常遇到的钢筋偏置和钢筋弯折等情况，探究灌浆缺陷对钢筋套筒灌浆连接的影响。

2.2 试验设计

钢筋套筒灌浆连接在施工过程中，通常会产生套筒端部缺陷、套筒中部缺陷、钢筋偏心缺陷这三种缺陷。套筒端部的胶塞或坐浆层、灌浆口和出浆口的封堵松动，造成灌浆料外流，从而产生套筒端部灌浆料缺失（套筒端部缺陷）。初始灌浆结束一段时间后或者出现漏浆后进行补灌，都有可能导致套筒内部的空气无法排除，从而产生套筒中部的灌浆料缺失（套筒中部缺陷）。实际工程的套筒装配过程中，进行构件的位置、垂直度和标高调整时，都可能导致钢筋和套筒的偏心（钢筋偏心缺陷）。

本试验设计了正常钢筋组与偏置弯折钢筋组两大组试验。正常钢筋组设置了无灌浆缺陷组（1-1）、1d 端部缺陷组（1-2）、3d 端部缺陷组（1-3）、5d 端部缺陷组（1-4）、1d 中部缺陷组（1-5）、3d 中部缺陷组（1-6）、5d中部缺陷组（1-7），每组三个试样。无灌浆缺陷组指钢筋锚固长度为8d（d 为钢筋直径20mm）。

偏置弯折钢筋组设置了无灌浆缺陷组（2-1）、1d 端部缺陷组（2-2）、2d 端部缺陷组（2-3）、4d 端部缺陷组（2-4）、1d 中部缺陷组（2-5）、2d 中部缺陷组（2-6）、4d中部缺陷组（2-7），每组三个试样。试验编号对应缺陷如表3 所示。

表3 试验编号

内置缺陷用宽度20mm 的双面胶设置，一层双面胶相当于1d。端部缺陷从钢筋端部开始设置。中部缺陷从距离钢筋端部40mm 处开始设置。缺陷设置如图1 所示。

图1 缺陷设置图

钢筋在套筒内偏置指钢筋与套筒内壁接触放置。钢筋端部弯折指通过机械方法在距离钢筋端部160mm 处弯折4 度。考虑到在实际工程中，钢筋与套筒对中时，可能存在误差，因此在本试验中设置钢筋在套筒内偏置工况。考虑到在实际工程中，钢筋与套筒位置存在偏差时，有可能将钢筋略微弯折使其插入套筒内，因此在本试验中设置钢筋端部弯折工况。

2.3 成型及养护

将钢筋灌浆套筒的螺纹端与钢筋固定并用铁丝固定在定制的架子上，设置有缺陷的钢筋插入灌浆套筒之后同样用铁丝绑定在固定的位置，确保在灌浆过程中以及灌浆后套筒与钢筋的位置不会发生变化。自制灌浆料通过搅拌机混匀后，加水快速搅拌，之后通过灌浆筒从灌浆孔手动挤入灌浆套筒中，待灌浆料从出浆孔平稳流出后停止灌浆，并用橡胶塞堵住灌浆孔和出浆孔。灌浆构件成型之后放置在室温条件下静置28 天。

2.4 试验方法

根据现行行业标准《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ355－2015）[8]，对钢筋套筒试件进行单向拉伸试验。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

钢筋灌浆套筒连接受力时，通过钢筋与灌浆料结合面的粘结作用传递给灌浆料，灌浆料再通过其与套筒内壁结合面的粘结作用传递给套筒。粘结作用由表面摩擦力、化学粘结力和机械咬合力构成。套筒灌浆接头的破坏模式主要包括套筒外钢筋拉断、钢筋拔出破坏（分为钢筋与灌浆料锚固强度不足、灌浆料与套筒内壁锚固强度不足）、灌浆料强度破坏（拉裂破坏和劈裂破坏）及套筒拉断破坏。

本试验通过对钢筋套筒试件进行单向拉伸测试，探究由于灌浆缺陷造成钢筋锚固长度减少对节点连接性能的影响，通过试验发现：当钢筋锚固长度减少到4d（4倍钢筋直径）时，钢筋出现拔出破坏。详细的试验结果如表4 所示。

表4 钢筋套筒单向拉伸试验结果

3.2 结果分析

本试验重点研究了灌浆缺陷对钢筋灌浆套筒连接的影响，比较分析了无缺陷（灌浆料填充高度为8d）、端部缺陷（1d、2d、3d、4d、5d 缺陷）、中部缺陷（1d、2d、3d、4d、5d 缺陷）在单向拉伸试验下钢筋灌浆套筒破坏模式的区别。试验发现：无论是端部缺陷还是中部缺陷，钢筋由于锚固不足而产生的拔出破坏均是从4d 缺陷开始（2-4 和2-7），说明缺陷部位在端部还是中部，对试验结果影响不大。钢筋灌浆套筒在单向拉伸作用下，钢筋与灌浆料之间会出现滑移，随着缺陷长度的增加，钢筋在破坏之前所发生的的滑移越长，而相同缺陷长度不同缺陷部位未对破坏模式或者滑移距离有明显影响。

4 结论与展望

本研究对不同灌浆缺陷的半灌浆套筒钢筋连接试件进行了单向拉伸试验，探究了灌浆缺陷对节点连接性能的影响。研究发现：

⑴随着灌浆缺陷的增加，连接破坏模式将由套筒外钢筋拉断变为钢筋拔出破坏，灌浆端钢筋破坏的抗拉强度与灌浆的饱满程度密切相关。本试验当钢筋锚固长度减少到4 倍钢筋直径时，连接破坏模式变为钢筋拔出破坏。

⑵缺陷部位在端部还是中部，对试验结果影响不大，即相同缺陷长度不同缺陷部位未对破坏模式有明显影响。

在实际工程中，由于多种因素的影响，或多或少地会造成灌浆缺陷的引入，从而使装配式混凝土建筑存在较大安全隐患。一方面，与灌浆缺陷相关的研究仍需进一步深入，尤其是关于循环荷载下灌浆缺陷对节点安全性的影响。另一方面，灌浆套筒钢筋连接属于隐蔽工程，如果在施工过程中没有做好有效的施工过程质量监管，造成的灌浆缺陷将较难通过后期检测发现，因此，与之相关的有效检测技术的研究也非常迫切。