钢筋套筒灌浆连接是装配式混凝土结构受力钢筋的一种连接方法, 是装配式建筑的关键技术之一。近年来, 随着国家大力推进建筑工业化, 大量装配式结构使用了钢筋套筒灌浆连接技术。这些建筑一旦发生火灾, 钢筋套筒灌浆接头会随着火灾温度的升高而对装配式结构的可靠性产生重大影响。现阶段, 国内对钢筋套筒灌浆接头耐火性能的研究较少, 仅王国庆等^[1]对最高600℃高温下钢筋套筒灌浆接头的极限荷载、弹性阶段的粘结强度等进行了研究。

本文考虑了不同钢筋直径、不同温度以及高温持续时间等因素的影响, 对钢筋套筒灌浆接头进行了模拟火灾高温试验, 并对高温后接头的变形性能及抗拉强度进行了试验研究, 分析不同钢筋直径接头的力学性能与温度、高温持续时间的变化规律, 为装配式建筑火灾后的性能评估提供参考依据。

灌浆套筒选取规格型号为GTJB4 16, GTJB4 25, GTJB4 32的机械加工半灌浆套筒 (图1) , 分别连接公称直径为16, 25, 32mm, 强度级别为HRB400E的热轧带肋钢筋。套筒内部均设置剪力槽, 套筒相关参数见表1。为便于数据比较, 灌浆料统一选用CGMJM-Ⅷ (8) 型高强灌浆料, 其抗压强度设计值为100MPa。接头采用水平灌浆, 灌制24h后放入养护室养护至21d时取出风干, 到28d时进行试验。

高温试验采用DC-B型智能箱式高温炉, 炉壁四周均匀布置电热电阻丝, 温升速度均匀控制在10℃/min。单向拉伸试验采用2 000kN的微机控制电液伺服万能试验机, 可在接头两侧各布置一个电子引伸计来测量其残余变形。

本文考虑不同钢筋直径 (16, 25, 32mm) 、不同温度 (200, 400, 600, 800, 1 000℃) 及不同高温持续时间 (30, 60, 90min) , 每个试验条件下各制作3个接头试件, 另外每种规格制作3个常温接头试件, 共144个接头试件, 先按照等速温升曲线进行模拟火灾高温试验 (图2) , 自然冷却至室温后进行单向拉伸试验 (图3) , 测量其残余变形和抗拉强度。

单向拉伸试验按照行业标准《钢筋机械连接技术规程》 (JGJ 107—2016) ^[2]的规定进行:试验采用0.012A_sf_yk (A_s为钢筋公称横截面积, f_yk为钢筋屈服强度标准值) 的拉力作为名义零荷载, 以2N/mm²的速率加载至0.6f_yk, 然后卸载至名义零荷载, 测量标距内的残余变形值, 然后拉伸至接头破坏, 记录抗拉强度值, 残余变形和抗拉强度试验结果均取3个接头的平均值。其中, 变形测量标距为:

L1=L+4d (1)L1=L+4d(1)

式中:L₁为变形测量标距, mm;L为接头长度, mm;d为钢筋公称直径, mm。

400℃高温后, 套筒和钢筋表面较室温下的接头无明显变化, 套筒表面残留的浆体与室温下呈现的灰青色水泥相比略显发白, 呈灰白色 (图4 (a) ) ;600℃高温后, 套筒和钢筋表面略微发红, 套筒表面残留的浆体发白, 用手能轻松将其清除 (图4 (b) ) ;800℃高温后, 套筒和钢筋发生金相组织转变, 在空气中冷却氧化后表面呈暗红色, 套筒表面残留的浆料呈浅黄色, 很容易脱落 (图4 (c) ) ;1 000℃高温后, 套筒和钢筋表面呈黑青色且表面氧化皮出现剥落现象, 套筒表面的浆料发白, 手捏则成粉末状 (图4 (d) ) 。

表2为接头残余变形试验结果, 图5 (a) 为钢筋直径25mm的接头在不同温度下高温持续60min后的单向拉伸应力-变形曲线。从图5 (a) 可以看出, 曲线斜率随着温度的升高而逐渐减小, 应力达到0.6f_yk时的变形越来越大, 卸载后的残余变形也越来越大。图6为不同钢筋直径的接头残余变形随温度变化曲线。从图6可以看出, 相同钢筋直径的接头残余变形随火灾温度的升高而增大, 且高温持续时间越长, 残余变形越大。温度低于600℃时, 接头的残余变形有一定的增大, 但增大幅度较小。600℃高温后, 接头残余变形增大幅度上升, 800℃和1 000℃高温后, 接头残余变形急剧增大, 最大值超过1mm。图7为不同高温持续时间下接头残余变形随温度变化曲线。从图7可以看出, 相同温度条件下, 钢筋直径越大, 接头残余变形越大。

接头抗拉强度试验结果见表3。图5 (b) 为钢筋直径25mm的接头在不同温度下高温持续60min后的单向拉伸应力-位移曲线。从图5 (b) 中可以看出, 随着温度的升高, 接头极限应力逐渐下降, 达到极限应力时的位移也逐渐减小, 结构的承载性能逐步降低。

图8为不同钢筋直径接头抗拉强度随温度变化曲线。从图8可以看出, 温度低于600℃时, 接头抗拉强度降低幅度很小, 600℃高温后, 接头抗拉强度则明显降低。在低于600℃高温时, 直径16mm的接头均为钢筋断裂, 抗拉强度和室温下的试验结果无明显区别, 而在600℃高温持续60min和90min后各有一根接头出现钢筋拔出破坏, 导致抗拉强度略有降低。

直径25mm的接头在400℃高温后开始出现钢筋拔出破坏, 抗拉强度略有降低。而直径32mm的接头在200℃高温后即开始出现钢筋拔出破坏。在不超过600℃高温时, 接头抗拉强度均高于钢筋抗拉强度标准值540MPa, 说明接头承载力基本能满足结构使用要求。在800℃和1 000℃高温后, 所有接头均为钢筋拔出破坏, 抗拉强度急剧下降。800℃高温后, 抗拉强度比室温下的试验结果降低了22.6%～29.7%。1 000℃高温后, 抗拉强度降低幅度趋于平缓, 比室温下的试验结果降低超过30%。

由表3数据还可以看出, 相同钢筋直径的接头, 高温持续时间越长, 抗拉强度呈降低的趋势。在1 000℃、持续30min高温试验过程中, 由于升温至接近1 000℃时出现断电的情况, 接电后进行了第二次高温试验, 相当于延长了高温持续时间, 故接头的残余变形比持续60min和90min后明显偏大, 抗拉强度明显偏低。

半灌浆钢筋套筒连接接头一端为螺纹连接, 另一端为浆料填充锚固连接, 在承受拉力时, 两端都会产生一定的塑性变形。螺纹端主要依靠拧紧后套筒内螺纹和钢筋丝头的机械咬合来连接, 残余变形一般比较小。笔者对高温后螺纹端的残余变形的试验研究结果显示, 经火灾高温后, 螺纹端拧紧预应力的损失会导致其残余变形产生一定程度的增大。

灌浆端是通过灌浆料加水搅拌后, 逐渐水化形成复杂的C-S-H胶泥体系, 形成灌浆料和钢筋、灌浆料和套筒内壁的粘结、咬合, 达到钢筋的连接及荷载传递的作用。本研究采用的灌浆套筒设置有剪力槽, 套筒内壁与灌浆料的锚固作用远大于钢筋与灌浆料之间的锚固作用, 因此, 灌浆端的连接性能主要取决于钢筋与灌浆料之间的锚固作用。

灌浆料和钢筋的锚固作用可以分为灌浆料和钢筋的界面粘结、钢筋肋与灌浆料的机械咬合以及灌浆料微膨胀对钢筋产生的径向预压力三种^[3]。高温时, 灌浆料开始随温度升高产生热膨胀, 而后则因水泥石中和化合水和结晶水的脱出开始产生收缩^[4]。在灌浆料的膨胀和收缩过程中, 灌浆料和钢筋界面粘结作用大大削弱, 径向预压力也逐渐消失。同时, 灌浆料胶泥体系高温失水导致内部孔隙增多, 结构疏松, 温度高时甚至发生固相反应, 灌浆料强度随之降低^[5,6,7], 钢筋与灌浆料间的机械咬合强度也相应降低, 导致接头连接性能退化。温度越高, 高温持续时间越长, 连接性能退化越明显。

对钢筋套筒灌浆接头来说, 升温时, 灌浆料胶泥体系内部水分由外及内从套筒端部、灌浆孔及出浆孔表面处蒸发。套筒端部浆料外露表面积越小, 失水速度越慢。200℃时, 套筒端部少部分灌浆料胶泥体失去自由水, 致密程度降低^[5]。直径16mm的接头端部外露表面非常小, 失水很慢, 只有表面少部分浆料失去自由水。且本研究采用的灌浆料设计强度100MPa对直径16mm的接头来说富余较多, 因此, 接头锚固良好, 均为钢筋颈缩断裂, 残余变形和抗拉强度相对室温下的试验结果无明显变化。直径25mm和32mm的接头由于灌浆料外露面积相对较大, 水分蒸发较快, 端部灌浆料与钢筋的粘结变差, 接头残余变形增大, 直径32mm的接头还出现部分钢筋从灌浆料中拔出破坏的现象。破坏过程中, 端部灌浆料由于受套筒的径向约束较小, 首先呈椎体碎裂破坏。屈服阶段后, 钢筋开始强化产生塑性变形而变细, 导致锚固失效, 钢筋产生滑移, 承载力快速下降, 呈现钢筋脆性拔出破坏 (图9 (a) ) 。

400℃高温后, 套筒内灌浆料胶泥体自由水依然没有完全失去, 但外表面浆料开始失去部分结合水^[5], 产生收缩, 这部分浆料与钢筋的粘结较差, 钢筋与灌浆料有效粘结长度变短。高温持续时间越长, 这种现象越明显。直径16mm的接头依然能够在接头外钢筋颈缩断裂, 但是残余变形有所增大。直径25mm和32mm的接头钢筋拔出试件增多, 拔出时呈脆性拔出。

600℃高温后, 套筒内灌浆料已基本失去全部自由水, 并开始失去大量结合水, 收缩严重^[5]。此时, 接头主要依靠灌浆料与钢筋的机械咬合作用及界面摩擦来锚固, 钢筋与灌浆料之间的滑移增大, 承载力下降, 钢筋拔出 (图9 (b) ) 。钢筋拔出一定的量后在灌浆料的堆积挤压作用下接头承载力出现较大回升, 随后持续下降至钢筋完全拔出。

800℃高温后, 灌浆料开始发生固相反应, 生成一定数量的钙黄长石, 出现一定数量的孔洞, 晶体结构不断收缩^[5], 与钢筋的粘结作用非常弱, 灌浆料与钢筋的咬合作用也很小。钢筋拔出后可以看出, 灌浆料略微发黄, 呈灰黄色, 灌浆料和钢筋界面呈粉碎性剪切拔出破坏 (图9 (c) ) 。钢筋拔出一定量后在灌浆料的堆积挤压作用下接头承载力略有回升, 随后持续下降至完全拔出。

1 000℃高温后, 由于大量钙黄长石的产生^[5], 灌浆料呈土黄色, 几乎失去了与钢筋的粘结作用。拉伸时主要依靠钢筋肋与灌浆料之间的咬合剪切作用。咬合作用达到极限后即发生剪切破坏, 钢筋与灌浆料之间发生滑移, 此时仅存在钢筋与灌浆料之间的界面摩擦力, 钢筋与灌浆料呈粉碎性剪切拔出破坏 (图9 (d) ) 。拔出时几乎没有发生堆积作用, 钢筋持续拔出, 荷载也持续降低。

(1) 接头残余变形随火灾温度的升高而增大。在火灾温度达到600℃前增大幅度较小, 600℃高温后则急剧增大。随着钢筋直径增大, 接头残余变形呈增大的趋势。相同钢筋直径的接头, 高温持续时间越长, 残余变形越大。

(2) 接头抗拉强度随火灾温度的升高呈降低趋势。温度低于600℃时, 接头拔出破坏数量较少, 抗拉强度降低幅度较小;温度高于600℃时, 接头均为粉碎性剪切拔出破坏, 抗拉强度明显降低。抗拉强度随高温持续时间的增加呈降低趋势。钢筋直径越大, 温度越高, 接头越容易出现钢筋拔出破坏。

(3) 综合看来, 在温度低于600℃时, 钢筋套筒灌浆接头连接性能受高温影响较小, 高于600℃之后则变化非常明显, 会对结构变形性能和承载力产生较大影响。