灌浆密实度及钢筋偏置对钢筋灌浆套筒连接性能的影响研究

苏兴杰，刘 锋

（广州机场建设投资集团有限公司 广州 510812）

0 引言

装配式混凝土结构由于具有低碳环保、建造速度快、施工便捷的特点，在国内得到了大力发展推广。钢筋套筒灌浆连接作为装配式混凝土结构的主要连接形式，其连接质量决定了结构的安全性和可靠性，而钢筋套筒灌浆密实度则直接影响到构件节点的连接质量［1-3］。钢筋套筒灌浆连接接头的力学性能主要取决于钢筋在套筒内的有效锚固长度，但在实际施工过程中，由于灌浆不畅、漏浆、套筒内异物堵塞等情况，出现套筒灌浆不饱满、不密实，导致钢筋的实际有效锚固长度达不到相关规范要求［4-6］。

关于钢筋套筒灌浆饱满度对构件节点连接质量的影响，国内外进行了系列研究。SAYADI 等人［7］研究发现，更长的钢筋套筒和钢筋锚固长度能够显著提升钢筋套筒的极限抗拉强度。吴小宝等人［8］研究发现，随着龄期的增长，试件连接的承载力显著增加，在第7天趋于稳定，连接的变形与钢筋种类无显著关系。陈海彬等人［9］重点分析灌浆料强度和锚固长度对钢筋套筒极限承载力的影响，并利用统计回归分析给出粘接强度与连接长度的近似估算公式。李向民等人［10］研究结果表明，缺陷长度不超过30%设计锚固长度时，接头的对中单向拉伸强度仍满足要求。孟文清等人［11］研究发现，缺陷长度为3d时，属于接头钢筋拉断和钢筋拔出的临界点；缺陷长度＜3d时，接头钢筋被拉断，且强度符合规范要求；无缺陷时，对于相同材质套筒，内径越大，接头对钢筋延性的影响越小。高润东等人［12］认为，为保证接头外钢筋拉断破坏，中部缺陷最大长度约为端部缺陷最大长度的50.0%～66.7%，且中部缺陷对接头性能的不利影响更大。

现有研究主要针对灌浆套筒钢筋接头的连接性能与灌浆饱满度之间的影响关系，关于灌浆密实度及钢筋偏置对钢筋灌浆套筒接头连接性能影响研究较少。因此，本文选用直径为18 mm 的HRB400E 钢筋，从不同灌浆密实度及钢筋偏置对钢筋灌浆套筒接头连接性能的影响展开研究，并分析其影响规律和作用机理。

1 试验概况

1.1 试验材料

钢筋：选用HRB400E钢筋，公称直径为18 mm，相关性能参数如下：屈服强度为410 MPa，抗拉强度为546 MPa，弹性模量为206 GPa，残余变形为0.04 mm，最大拉力下总伸长率为13.26%。

套筒：选用冲压式全灌浆套筒，套筒外形尺寸与内部构造如图1所示。

灌浆料：选用自主研发的普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和石膏三元胶凝材料复配体系的灌浆料，28 d设计强度为85 MPa，其在同等条件下养护1 d、3 d和28 d抗压强度分别为59.7 MPa、75.2 MPa、98.3 MPa。

聚苯乙烯：选用分子量为30 000～50 000 的聚苯乙烯细颗粒，其流动性好，吸水率低，对灌浆料性能无影响，与灌浆料混合并灌注到套筒后模拟钢筋灌浆套筒的灌浆密实度缺陷。

1.2 试件制作

考虑灌浆密实度及钢筋偏置2 个影响因素，共制作45个钢筋灌浆套筒试件，部分钢筋灌浆套筒试件制作如图2所示。按照x-y的形式对各试件命名，其中x表示钢筋位置，DZ指钢筋垂直对中，PZ指钢筋垂直偏心（PZ1 表示钢筋相对偏心对置距离为1 cm，PZ2 表示钢筋相对偏心对置距离为2 cm）；y表示不同级别的灌浆密实度，从等级1～等级5 依次表示密实度逐步下降。制作试件时按一定体积比例的聚苯乙烯颗粒替代灌浆料，以模拟钢筋套筒内不同的灌浆密实度，具体试验灌注材料体积配合比如表1所示。

表1 试验灌注材料体积配合比Tab.1 Volume Mix Proportion of Test Grouting Material

1.3 试验方法

根据《钢筋机械连接技术规程：JGJ 107—2016》，采用微机控制电液伺服万能试验机对制备好的钢筋灌浆套筒试件进行单向拉伸试验，得到接头试件的最大拉力和最大拉力下总伸长量，并记录试件最终破坏形式。

2 试验结果与分析

钢筋灌浆套筒接头试件单向拉伸试验结果如表2所示，表2 中每种工况下的数据为3 个平行试件的平均值。可以看出，灌浆密实度较大时，试件最终破坏形式为钢筋拉断；灌浆密实度逐步下降，试件最终破坏形式转变为钢筋拔出，钢筋灌浆套筒试件最终破坏形式如图3 所示。部分钢筋灌浆套筒试件荷载-位移曲线如图4 所示。由图4 可看出，灌浆密实度和钢筋偏置基本不影响钢筋灌浆套筒试件在弹性阶段和屈服阶段的荷载-位移关系；但在强化阶段，灌浆密实度主要影响钢筋灌浆套筒试件的最大拉力，钢筋偏置则影响其处于最大拉力时的位移。此外，灌浆密实度小且钢筋偏置距离大时，钢筋灌浆套筒试件的抗拉强度明显降低。

2.1 灌浆密实度对钢筋灌浆套筒接头试件力学性能的影响

由表2 及图4 可看出，灌浆密实度对钢筋灌浆套筒接头试件的屈服强度基本无影响，但对接头试件的抗拉强度和破坏形式存在一定影响。钢筋灌浆套筒接头试件抗拉强度与灌浆密实度的关系如图5 所示。由图5可看出，随着灌浆密实度逐步下降，接头试件抗拉强度明显降低，试件的破坏形式由钢筋拉断转变为钢筋拔出，其中试件DZ-5、PZ1-5、PZ2-4 和PZ2-5 的破坏形式为钢筋拔出。另一方面，相同灌浆密实度下，钢筋偏置距离越大，接头试件抗拉强度下降越明显。接头试件在钢筋偏置距离为2 cm时，灌浆密实度下降的同时抗拉强度显著下降，最终破坏形式为钢筋拔出。此外，试件PZ2-4和PZ2-5的强屈比远小于试件DZ-5和PZ1-5 的强屈比，不满足相关标准的设计要求。在钢筋偏置距离较大的情况下，灌浆密实度下降到一定阈值后钢筋与灌浆料之间的有效粘结锚固力出现断崖式下降，且钢筋偏心受拉导致钢筋灌浆套筒内部出现较大偏心力矩，钢筋与灌浆料之间产生相对滑移，最终导致钢筋尚未达到抗拉强度就被提前拔出。

表2 钢筋灌浆套筒试件单向拉伸试验结果Tab.2 Uniaxial Tensile Test Results of Reinforcement Grouting Sleeve Specimens

2.2 灌浆密实度对钢筋灌浆套筒接头试件变形性能的影响

残余变形表示钢筋灌浆套筒单向拉伸加载至0.6倍钢筋屈服强度标准值再卸载至零荷载后钢筋的相对位移，残余变形越大表明接头试件变形性能差；最大拉力下总伸长率表示在最大拉力下试件的伸长量与原试件长度的比值，表征极限拉力状态下接头试件整体变形性能，最大拉力下总伸长率越小表明接头试件变形性能差。由表2 可以看出，灌浆密实度和钢筋偏置均会影响钢筋灌浆套筒接头试件的变形性能。钢筋位置保持不变的情况下，试件DZ-5、PZ1-5和PZ2-5的残余变形均相应比试件DZ-1、PZ1-1 和PZ2-1 大；而在灌浆密实度较小情况下，钢筋偏置也会导致试件残余变形有一定程度增加。

钢筋套筒接头试件最大拉力下总伸长率与灌浆密实度的关系如图6 所示。由图6 可知，钢筋位置保持不变的情况下，试件DZ-5、PZ1-5 和PZ2-5 的最大拉力下总伸长率均相应比试件DZ-1、PZ1-1 和PZ2-1小；此外钢筋偏置会加剧最大拉力下总伸长率降低这一不利影响。钢筋偏置距离大且灌浆密实度低的情况下，试件残余变形大、最大拉力下总伸长率小，此时试件的变形性能极差。分析其原因主要是聚苯乙烯颗粒的增加，导致灌浆料密实度降低，钢筋与灌浆料之间的有效粘结锚固力下降，在接头试件加载至0.6 倍钢筋理论屈服荷载的过程中，钢筋与灌浆料之间产生较大相对滑移，表现为残余变形大；随着后续荷载的增加，造成钢筋尚未达到抗拉强度就被提前拔出，试件的最大拉力下总伸长率明显降低。根据《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程：JGJ 355—2015》的技术要求，接头试件的最大拉力下总伸长率不应小于6%，本试验中PZ2-5不满足技术要求，无法应用到实际工程中。

2.3 钢筋偏置对钢筋灌浆套筒接头连接性能的影响

由图4 和图5 可看出，灌浆密实度较大时，钢筋偏置对接头试件抗拉强度的负面影响较小；灌浆密实度较小时，钢筋偏置距离越大，接头试件抗拉强度下降趋势越明显。此外，钢筋偏置距离过大容易导致钢筋未达到抗拉强度就被提前拔出，严重影响钢筋灌浆套筒接头连接性能。由表4 和图6 可看出，灌浆密实度越小，钢筋偏置的接头试件变形性能越差，主要表现为试件残余变形增大、最大拉力下总伸长率减小。灌浆密实度低且钢筋偏置距离大的钢筋灌浆套筒接头的工作性能明显不满足《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程：JGJ 355—2015》的技术要求。综上所述，灌浆料密实度越小，钢筋偏置距离越大，越不利于钢筋灌浆套筒接头试件的连接性能。

3 结论

本文主要对多种不同工况的钢筋灌浆套筒接头试件进行单向拉伸试验，研究不同灌浆密实度和钢筋偏置对接头连接性能的影响，由试验结果可得以下结论：

⑴灌浆密实度显著影响钢筋灌浆套筒接头试件的连接性能。灌浆密实度大，试件最终破坏形式为钢筋拉断，抗拉强度、残余变形和最大力总伸长率均能满足标准技术要求；灌浆密实度小，试件最终破坏形式为钢筋拔出，抗拉强度降低、残余变形增大、最大拉力下总伸长率减小，其工作性能明显不满足《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程：JGJ 355—2015》的技术要求。

⑵灌浆密实度较大时，钢筋偏置对接头试件的抗拉强度、残余变形和最大拉力下总伸长率的影响较小；灌浆密实度较小时，钢筋偏置距离越大，接头试件抗拉强度下降趋势越明显，同时残余变形明显增大、最大拉力下总伸长率显著减小。

⑶钢筋偏置容易加剧钢筋套筒灌浆效果差所带来的负面影响，钢筋偏心受拉导致套筒内部出现较大偏心力矩，钢筋与灌浆料之间容易产生相对滑移，导致钢筋未达到抗拉强度就被提前拔出，接头试件残余变形增大、最大拉力下总伸长率减小。灌浆料密实度越小，钢筋偏置距离越大，越不利于钢筋灌浆套筒接头试件的连接性能。