非正常灌浆对钢筋套筒灌浆连接接头受力性能影响的试验研究*

高润东，肖 顺，李向民，王卓琳，刘 辉，许清风

(上海市建筑科学研究院有限公司 上海市工程结构安全重点实验室， 上海 200032)

0 引言

2016年9月30日发布的《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》(国办发〔2016〕71号)，要求力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。2016年我国新开工装配式建筑面积为1.14亿m2，2017年为1.6亿m2，2018年则达到2.9亿m2，装配式建筑在我国呈快速发展趋势。目前，装配式混凝土结构是装配式建筑采用的主要结构形式，钢筋套筒灌浆连接则是装配式混凝土结构竖向构件采用的主要连接方式，灌浆质量对钢筋套筒灌浆连接接头受力性能以及结构整体性能具有重要影响[1-6]。2015年以来，课题组对上海、江苏、安徽、北京等多个省市大量实际工程的灌浆作业进行了调研[7]，发现仍存在以下少量非正常灌浆情况：1)用水泥净浆代替灌浆料；2)现场现浇作业时混凝土净浆(试验中用水泥砂浆模拟)溅到钢筋上未处理；3)使用过期灌浆料；4)随意调高灌浆料水灰比；5)搅拌好的灌浆料放置时间超过规定时间后再使用。

本文通过试验研究了以上非正常灌浆情况对钢筋套筒灌浆连接接头受力性能的不利影响，同时，基于试验结果，对实际工程用灌浆料及其灌浆工艺提出具体建议。

1 试验设计

1.1 原材料

钢筋强度等级为HRB400，直径为20mm，屈服强度为420.5MPa，抗拉强度为615.2MPa，断后伸长率为28.7%。套筒为GTZQ4-20型全灌浆套筒，基本性能满足行业标准《钢筋连接用灌浆套筒》(JG/T 398—2012)[8]的要求。灌浆料与套筒配套，包括正常灌浆料(在保质期3个月以内，基本性能满足行业标准《钢筋连接用套筒灌浆料》(JG/T 408—2013)[9]的要求)、超过保质期6个月、超过保质期12个月三种。水泥为P·O 42.5号和P·O 52.5号两种型号。砂为中砂。拌合用水为自来水。

1.2 试验工况

试验工况 表1

试验设计工况如表1所列。各种工况下，钢筋在套筒内的锚固长度均为8d(d为钢筋公称直径)。各工况采用的配合比及伴随试块在标准养护条件下28d抗压强度均列入表1。

1.3 单向拉伸试验及测试内容

根据行业标准《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355—2015)[10]，对各工况下的接头试件实施单向拉伸试验，测试各试件的屈服强度、抗拉强度、残余变形、最大力下总伸长率和破坏模式。另外，下段钢筋在套筒内锚固中部处和套筒外50mm处，各布置1个应变片，测试接头单向拉伸过程中钢筋的应变变化情况。

2 试验结果与分析

各工况下接头试件的单向拉伸试验结果见表2，破坏模式如图1所示。

图1 接头试件破坏模式

各工况下接头试件的单向拉伸试验结果 表2

根据行业标准《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355—2015)[10]：每组每个接头试件的屈服强度不应小于连接钢筋屈服强度标准值(本研究所用钢筋屈服强度标准值为400MPa)，每组每个接头试件的抗拉强度不应小于连接钢筋抗拉强度标准值(本研究所用钢筋抗拉强度标准值为540MPa)，且破坏时应断于接头外钢筋，每组每个接头试件单向拉伸试验加载过程中，当接头拉力达到连接钢筋抗拉荷载标准值的1.15倍(相当于本研究所用钢筋抗拉强度达到其标准值540MPa的1.15倍，即621MPa)而未发生破坏时，应判为抗拉强度合格，可停止试验；当钢筋直径不超过32mm时，每组3个接头试件的残余变形的平均值不应超过0.10mm；每组3个接头试件的最大力下总伸长率的平均值不应小于6.0%。

基于以上规定，由表2和图1可见：

(1)正常灌浆对比工况下，接头试件单向拉伸性能满足标准要求。

(2)水泥净浆替代灌浆料工况:当采用 P·O 42.5 号水泥时，伴随试块在标准养护条件下28d抗压强度为75.2MPa，8号接头试件的实测抗拉强度小于540MPa，且7～9号接头试件接头外钢筋均未断，因此，用P·O 42.5号水泥净浆代替灌浆料时，接头试件单向拉伸性能不满足标准要求。当采用 P·O 52.5 号水泥时，伴随试块在标准养护条件下28d抗压强度为87.2MPa，12号接头试件的实测抗拉强度小于540MPa，且10～12号接头试件接头外钢筋均未断，尽管水泥净浆的抗压强度高于85MPa，但纯水泥净浆与钢筋间的粘结锚固作用低于灌浆料，因此，用P·O 52.5 号水泥净浆代替灌浆料时，接头试件单向拉伸性能也不满足标准要求。实际工程中应严禁使用水泥净浆代替灌浆料。

(3)水泥砂浆包裹钢筋工况：当实测水泥砂浆包裹厚度为2mm时(图2(a))，水泥砂浆未完全覆盖钢筋肋高，接头试件单向拉伸性能满足标准要求。当实测水泥砂浆包裹厚度为4mm时(图2(b))， 水泥砂浆已完全覆盖钢筋肋高，16～18号接头试件的实测屈服强度均小于400MPa，实测抗拉强度均小于540MPa，3个接头试件的实测最大力下总伸长率的平均值小于6.0%，且3个接头试件接头外钢筋均未断，因此，当实测水泥砂浆包裹厚度为4mm时，接头试件单向拉伸性能不满足标准要求。当水泥砂浆实测包裹厚度为6mm时(图2(c))，水泥砂浆已完全覆盖钢筋肋高，19～21号接头试件的实测抗拉强度均小于540MPa，3个接头试件的实测最大力下总伸长率的平均值小于6.0%，且3个接头试件接头外钢筋均未断，其中，20，21号接头试件的下段钢筋发生了刮犁式拔出(图3)，因此，当实测包裹厚度为6mm时，接头试件单向拉伸性能不满足标准要求。实际工程中，应为现场外露待插入套筒的钢筋设置防护措施，可采用循环使用的保护套，防止混凝土净浆溅射到表面形成锚固薄弱层；未采取防护措施的，如有混凝土净浆溅射到钢筋表面，在构件吊装前应采用钢丝刷对钢筋表面进行有效清理。

图2 水泥砂浆包裹钢筋

图3 钢筋发生刮犁式拔出

(4)使用过期灌浆料工况：当灌浆料超过保质期6个月和超过保质期12个月时，接头试件单向拉伸性能均满足标准要求。本试验所用灌浆料的保质期为3个月，试验结果表明，正常使用条件下该保质期规定具有较大安全储备。

(5)使用高水灰比灌浆料工况：当灌浆料水灰比为正常水灰比的1.1倍和1.2倍时，接头试件单向拉伸性能均满足标准要求。当灌浆料水灰比为正常水灰比的1.35倍时，38，39号接头试件的实测屈服强度均小于400MPa，该组接头试件单向拉伸性能不满足标准要求。当灌浆料水灰比为正常水灰比的1.5倍时，灌浆料浆体发生严重离析(图4)，28号接头试件的实测屈服强度小于400MPa，30号接头试件接头外钢筋未断，因此，该组接头试件单向拉伸性能不满足标准要求。当灌浆料水灰比为正常水灰比的1.35倍和1.5倍时，伴随试块在标准养护条件下28d抗压强度分别为92.9MPa和87.4MPa，尽管均高于85MPa，但由于水灰比过大，灌浆料浆体发生不同程度的离析，降低了其与钢筋间的粘结锚固作用，另外，该结果也表明灌浆料浆体的抗压强度未必能准确反映粘结强度。实际工程中使用的灌浆料产品，水灰比一般为可浮动的范围，正常水灰比一般取该浮动范围的中间值，当环境温度比较高时，水灰比可取偏该浮动范围的上限值，但必须严格控制不能超过上限值。

图4 灌浆料浆体发生严重离析

(6)灌浆时间滞后工况：灌浆料搅拌后30min进行灌浆，灌浆料浆体仍具有较好的和易性(图5(a))， 灌浆能够正常进行，接头试件单向拉伸性能满足标准要求。灌浆料搅拌后60min进行灌浆，灌浆料浆体和易性急剧变差(图5(b))，尽管在实验室可通过多种措施勉强完成灌浆，最终接头试件单向拉伸性能也基本满足标准要求，但实际工程中和易性较差的灌浆料难以顺利灌浆，因而要求灌浆料浆体需在搅拌后30min内完成灌浆。

图5 灌浆料搅拌后不同时间下的状态

接头试件的下段钢筋在套筒内锚固中部处和套筒外50mm处，各布置1个应变片(分别标记为套筒内和套筒外)，测试接头单向拉伸过程中钢筋的应变变化情况。限于篇幅，选择部分典型工况接头(1号、18号、30号、40号)列出套筒内外钢筋应变随荷载的变化规律，如图6所示。

图6 套筒内外钢筋应变随荷载的变化规律

由图6可见，加载过程中无论是接头外钢筋被拉断(1号和40号)，还是钢筋未断(18号和30号)，最终均是接头外钢筋发生屈服。这主要是因为，单向拉伸轴力作用下，接头外钢筋段单独受力，而接头内钢筋段和灌浆料、套筒共同受力，同一时刻，接头外钢筋段承担的作用力大于接头内钢筋段，因此，同一根钢筋的接头外部分首先发生屈服，而接头内部分一般不再屈服，即屈服集中在某一截面附近，不会产生多段屈服特征，这与大量钢筋母材试验结果是一致的。

3 结论与建议

(1)采用水泥代替灌浆料、水泥砂浆包裹钢筋厚度超过钢筋肋高、灌浆料水灰比达到正常水灰比的1.35倍及以上等异常情况下，钢筋套筒灌浆连接接头试件单向拉伸性能均不满足标准要求。

(2)在加载过程中，如果钢筋发生屈服，无论是接头外钢筋被拉断情况，还是钢筋未断情况，均是接头外钢筋发生屈服，接头内部分一般不再屈服。

(3)在实际工程中，严禁使用水泥净浆代替灌浆料；应为现场外露待插入套筒的钢筋设置防护措施，防止混凝土净浆溅射到表面形成锚固薄弱层；当环境温度比较高时，灌浆料产品的水灰比可取浮动范围的上限值；应做到灌浆料浆体在搅拌后30min内完成灌浆。