聚乙烯醇纤维水泥基灌浆套筒接头承载性能的研究*

2021-05-14朱方之马志鸣

工业建筑 2021年1期

朱方之马志鸣左工高立

(1.宿迁学院建筑工程学院, 江苏宿迁 223800； 2.扬州大学建筑科学与工程学院, 江苏扬州 225127)

套筒灌浆连接技术是利用内部带有凹凸部分的铸铁或钢质圆形套筒，注入有微膨胀的高强灌浆料，将插入套筒的钢筋牢固地黏结成为整体[1]。作为装配式结构应用的关键技术，其设计应符合“等同于现浇结构”的要求[2]。根据现有的研究，钢筋套筒灌浆连接接头的受拉破坏模式主要有三种，即钢筋接头拉断破坏、钢筋的黏结滑移破坏和套筒本身破坏。其中，钢筋的黏结滑移破坏是钢筋套筒灌浆连接接头最不利的破坏模式[3]。在灌浆套筒确定的前提下，灌浆料的性能、钢筋的锚固长度是这种破坏模式关键性的影响因素。

目前，国内外学者对灌浆套筒接头的连接性能已有了大量研究。Kim制作了两个预制柱模拟梁柱节点，进行低周反复试验[4]，结果表明灌浆料的材性和浇筑质量对灌浆套筒连接性能有重大影响。Einea等的试验结果表明：套筒灌浆连接接头的抗拉承载力随着灌浆料强度和锚固长度的增大而提高，并指出锚固长度为7倍钢筋直径即可满足接头连接强度的要求[5]。由于纤维对灌浆料的流动度起阻碍作用，在灌浆料中掺加纤维进行增强增韧的研究并不多。郑和晖等选用钢纤维配制了一种高性能纤维增强灌浆材料，用于组合梁型钢与混凝土的连接，可缩短现场作业时间，提高钢混结合质量[6]。朱清华等研究了聚乙烯醇(PVA)纤维对灌浆料工作性能、钢筋在套筒内的锚固性能的影响[7]。结果表明：PVA纤维的掺入，降低了水泥基灌浆料的扩展度，但能够大大提高灌浆料对不锈钢钢筋的锚固作用。

结构构件在正常服役阶段，钢筋套筒灌浆接头大多处于拉或压的单一受力状态，因此采用单向加载并一次性拉伸到破坏的试验方法，可以基本反映钢筋套筒灌浆连接接头的受力性能[3]。为研究PVA纤维水泥基灌浆套筒连接接头的受力性能，设计制作了6个中心拉拔试件和27个套筒灌浆连接接头试件，分析PVA纤维、钢筋锚固长度以及套筒约束对接头受力性能的影响。在试验分析的基础上，对PVA纤维改善灌浆料性能作出评价。

1 试验概况

1.1 试件设计

中心拉拔试件如图1所示。钢筋直径为16 mm，HRB400级钢筋加载端设置一无黏结段。试件浇筑前，用直径稍大于钢筋直径的聚氯乙烯塑料管套住无黏结部位，对塑料管端部进行密封，防止灌浆料进入管内。黏结段长度Ld采用6倍钢筋直径，钢筋的保护层厚度为45 mm。

图1 钢筋拉拔试件示意 mmFig.1 The schematic diagram of pull-out specimens

套筒灌浆接头按照JGJ 355—2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》[8]制作。选用的PVA纤维长度分别为3，6 mm，体积掺量为0.3%，锚固长度选取4d、6d和8d三种(d为钢筋公称直径)。同时，制作未加纤维灌浆料套筒接头，作为试验对比组。试件分组如表1所示。

表1 试件分组Table 1 The groups of specimens

1.2 材料性能

1.2.1灌浆套筒

采用球墨铸铁铸造而成的全灌浆套筒，基本尺寸如表2所示。

表2 灌浆套筒基本尺寸Table 2 The sizes of grouted sleeves mm

1.2.2PVA纤维灌浆料

选用能在水泥基集料中分散均匀，并与水泥基集料产生良好结合力的PVA纤维，其性能指标如下：直径15.1 μm，密度1.3 g/cm3，弹性模量40.1 GPa，抗拉强度1 620 MPa，断裂伸长率6.9%，抗酸碱性好。灌浆料以上海某公司生产的超高强微膨胀灌浆料为基体，按照一定的纤维体积掺量掺入得到。灌浆料的抗压强度根据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》[9]中40 mm×40 mm×160 mm棱柱体标准试块测得；流动度采用截锥圆模测试，结果如表3所示。

表3 PVA纤维灌浆料抗压强度和流动度

1.2.3钢筋

试验用钢筋直径为16 mm，HRB400钢筋，通过单向拉伸试验得到钢筋屈服强度为517 MPa，抗拉强度为658 MPa。

1.3 套筒灌浆接头制作

套筒灌浆接头制作时，先将套筒固定在支架上，根据锚固长度将钢筋插入橡胶塞封堵的套筒内，钢筋外伸端采用塑料管片垫起，确保钢筋与套筒轴线重合，如图2所示。

a—灌浆前; b—灌浆后。图2 灌浆套筒连接试件示意Fig.2 Specimens of grouted sleeve splicing

灌浆料的搅拌顺序如图3所示。

图3 灌浆料搅拌顺序Fig.3 Mixing procedures of grouting materials

灌浆时，灌浆枪向注浆口注入灌浆料，当出浆口有浆料流出时，轻轻敲击套筒，保证灌浆料在套筒内分布密实。灌浆过程中发现：PVA-6-0.3灌浆料流动度低，需要较大压力灌入，其余2组流动性较好，灌浆料容易注入。为获得纤维长度对接头受力性能的影响，仍采用PVA-6-0.3组配比，灌注三组试件。灌浆后，所有试件在自然状态下养护28 d后进行试验。

1.4 加载和测试方法

中心拉拔试验在电液伺服疲劳试验机上进行，加载装置如图4a所示。安装时将钢筋穿过加载架下部钢板与试验机下夹头相连，上部通过一个连接件与试验机上夹头相连。与试件接触的钢板与加载架钢板之间是凹凸面接触，保证底部为铰接约束。采用每3 min 1 mm的位移控制加载，直至灌浆料劈裂或钢筋拉断。

套筒灌浆接头试验加载装置如图4b所示。加载制度为：0→0.6fyk→0 kN(测量残余变形)→Fmax(读取抗拉强度)→0 kN。其中，0 kN→0.6fyk→0 kN采用力加载方式；0 kN→Fmax采用位移加载方式，钢筋屈服前加载速率为每3 min 1 mm，屈服后加载速率为1 mm/min，直至钢筋拉断或者滑移破坏。试件的荷载及位移数据由试验机控制电脑直接得到。

a—中心拉拔试验; b—单向拉伸试验。图4 加载装置Fig.4 Loading setups

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态

中心拉拔试件均发生钢筋屈服后灌浆料劈裂破坏(每组3个试件破坏形态一致)。PVA-0-0组试件劈裂面上钢筋肋状齿形保持完整，横肋前灌浆料未现挤碎破坏。PVA-3-0.3组试件劈裂面上，9个钢筋肋前咬合齿中，靠近加载端的3～4个肋前咬合齿挤碎严重，远离加载端的咬合齿挤碎情况逐渐减轻，如图5所示。

a—PVA-0-0; b—PVA-3-0.3。图5 中心拉拔试件破坏形态Fig.5 Failure modes of pull-out specimens

套筒灌浆接头出现两种破坏形态：钢筋黏结滑移破坏和钢筋断裂破坏，如图6所示。PVA-0-0-4d试件发生钢筋屈服后滑移破坏，内部灌浆料由于受到套筒出浆端环状肋的止推作用，没有随着钢筋的拔出而被带出。其余试件均为钢筋拉断破坏，灌浆套筒整体性完好。

a—PVA-0-0; b—PVA-3-0.3; c—PVA-6-0.3。图6 灌浆套筒接头破坏形态Fig.6 Failure modes of grouted sleeve splicing

2.2 荷载-位移曲线

与普通混凝土-钢筋拉拔试件一样，PVA纤维灌浆料拉拔试件荷载-滑移曲线分为两个阶段，即微滑移段和滑移劈裂段。因试件为钢筋屈服后的脆性劈裂破坏，滑移曲线未出现下降段，如图7所示。

图7 荷载-滑移曲线Fig.7 Load-slipping curves of pull-out specimens

在曲线上升段，两组试件的荷载-滑移曲线发展基本重合，拉拔荷载增长较快，滑移值相对较小。钢筋肋前咬合齿受到挤压，环向产生拉应力。随着拔出荷载增大，环向拉应力在灌浆料基体中产生的微裂纹，并稳定扩展。对于未加纤维的试件，钢筋滑移很小即发生灌浆料劈裂破坏，钢筋肋前咬合齿形保持较为完整。对于掺入纤维的试件，跨越裂缝的PVA纤维承担一定的拉力，在钢筋拉伸荷载增加不多的情况下，相对滑移显著增加，直至灌浆体劈裂破坏。劈裂面上，大部分的钢筋肋前咬合齿被剪断破碎严重。

套筒灌浆连接接头典型荷载-位移曲线如图8所示，其中横坐标为试验机夹具间的相对位移，纵坐标为试验机实时测得的拉伸荷载。与单根钢筋断裂的拉伸荷载-位移曲线相似，曲线共分四个阶段:第一阶段(上升段)，试件黏结刚度较大，曲线基本呈线性关系；第二阶段(水平段)为钢筋屈服阶段；第三阶段为钢筋强化阶段；第四阶段(下降段)为钢筋颈缩阶段。

图8 套筒灌浆接头试件的荷载-位移曲线Fig.8 Load-displacement curves of specimens for sleeve splicing of being grouted

PVA纤维灌浆料制作的试件，纤维的长度、钢筋的锚固长度对荷载-位移曲线影响不明显，曲线发展基本重合，如图8b、8c所示。无纤维灌浆料试件，由于钢筋锚固长度为4d试件发生黏结滑移破坏，其荷载-位移曲线与6d、8d试件在钢筋强化段和下降段有很大差异。即钢筋的锚固长度为4d时，在钢筋尚未达到极限强度之前，钢筋肋前灌浆料咬合齿即被剪断，拉伸荷载下降；由于受到套筒的约束作用，被剪断的灌浆料在钢筋肋前不断堆积，试件仍具有较高的黏结强度。随着新的咬合齿被再次剪断，拉伸荷载继续下降，滑移增加，在荷载-位移曲线上呈台阶形发展，如图8a所示。

2.3 承载性能特征值

表4列出了中心拉拔试件的黏结性能特征值。可以看出:掺入纤维的试件劈裂荷载比未掺加纤维试件的劈裂荷载增加了15.4%。两组试件钢筋与灌浆料的屈服滑移差别不大，但灌浆料劈裂时，掺入纤维的试件相对滑移约为未掺加纤维试件的3倍。这表明PVA纤维掺入后，一定程度上提高了钢筋与灌浆料的黏结强度，同时，钢筋与灌浆料的劈裂滑移增加幅度较大。

表5为试验测得的残余变形u0、接头的极限荷载Fmax、极限强度fu以及黏结应力τmax。

表4 试件黏结性能特征值Table 4 Characteristic values of bondperformances for specimens

表5 单向拉伸试验结果Table 5 Experimental results of specimensfor grouted sleeve splicing

极限荷载为3个试件的平均值。

根据JGJ 355—2015对钢筋套筒灌浆连接的强度规定：钢筋套筒灌浆连接接头的屈服强度不应小于连接钢筋屈服强度标准值，本文所用钢筋屈服强度为517 MPa，试验的9组试件均满足要求；钢筋套筒灌浆连接接头的抗拉强度不应小于连接钢筋抗拉强度标准值，且破坏时应断于接头外钢筋,本文所用钢筋抗拉强度标准值为658 MPa；套筒灌浆连接接头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, 而未发生破坏时，应判为抗拉强度合格,相当于本文所用钢筋抗拉强度达到其标准值的1.15倍，即 621 MPa。除PVA-0-0-4d组钢筋抗拉强度略低于标准要求，钢筋未断裂，判为不合格以外，其余组试件均达到标准要求。

单向拉伸试验中，接头在规定标距内的残余变形量u0均小于0.1 mm，满足I级接头性能指标要求。

2.4 试验分析

2.4.1PVA纤维对钢筋与灌浆料黏结性能影响

一般认为，短纤维加入到水泥基材料中犹如掺入许多微细筋，在水泥基体受到拉力时，横跨裂缝的纤维起到协助水泥基材料受拉的作用。对于中心拉拔试件，钢筋受拉时，灌浆料基体处于径向受压、环向受拉应力状态。跨越裂缝的PVA纤维要承担一部分的拉力，进而限制微裂缝开展。相对于未加纤维的拉拔试件，黏结强度提高15.4%，相对滑移显著增加，改善了结构的变形性能。

对于套筒灌浆接头，钢筋单向受拉时，由于受到套筒的外围约束作用，PVA纤维水泥基灌浆料总体处于受压应力状态，纤维的增强作用不能发挥。如表5所示，尽管出现未掺加纤维的套筒灌浆接头钢筋未断裂的滑移破坏，掺加纤维的套筒灌浆接头均发生接头外钢筋断裂破坏，纤维对钢筋套筒灌浆接头的影响程度不明显。

2.4.2套筒约束对钢筋与灌浆料黏结性能影响

根据Einea 等采用普通光圆钢管设计全灌浆套筒的研究[5]可知，当发生钢筋滑移破坏时，钢筋与灌浆料的平均黏结强度与灌浆料的抗压强度有如下关系：

(1)

式中：k为常数；fc为灌浆料的抗压强度。

由表3和表4中数据可计算出中心拉拔试件PVA-0-0的k值为2.4。当k值低于2.4，试件易发生钢筋的黏结滑移破坏。

对套筒灌浆接头，考虑套筒的约束和内部凸环肋止推作用，除了大幅提高套筒与灌浆料的黏结强度外，亦可提高钢筋与灌浆料之间的摩阻和咬合作用。此处引入γ考虑这种作用，对套筒灌浆接头在钢筋发生滑移破坏时，钢筋与灌浆料的平均黏结强度与灌浆料的抗压强度关系修正如下：

(2)

式中：γ为考虑套筒约束和凸环肋止推作用提高系数。

由表5中锚固长度为4d的PVA-0-0数据为例，假定k值2.4不变，按式(2)计算的γ值为1.72。随着钢筋锚固长度的增加，式(2)中系数k和γ值均在减小。

2.4.3钢筋锚固长度对钢筋与灌浆料黏结性能影响

由图8所示的套筒灌浆接头试件荷载-位移曲线对比可知：随着钢筋锚固长度增大，初始上升段曲线斜率增大，即正常使用阶段接头连接刚度更大；钢筋锚固长度越长，曲线发展越平稳，结构承载性能越好。

由表5中数据可以看出：随着钢筋锚固长度的增加，钢筋和灌浆料间有更多的接触面积和更大的机械咬合作用，在接头均发生钢筋断裂破坏模式下，承载力略有提高，钢筋黏结强度随着锚固长度的增加而降低。根据JGJ 355—2015要求灌浆连接端钢筋的锚固长度不宜小于钢筋公称直径的8倍。在本试验中，当灌浆料强度满足85～90 MPa时，钢筋锚固长度4倍钢筋公称直径时部分接头发生钢筋滑移破坏，满足6倍钢筋公称直径时接头均发生钢筋断裂破坏，文献[10]也得到相似的结果。文献[11]研究认为，接头灌浆缺陷长度达到钢筋锚固长度30%～40%时，单向拉伸强度仍满足要求。因此JGJ 355—2015规定的钢筋锚固长度有较大的安全储备。