装配式钢筋混凝土结构是由预制构件经过可靠的连接方式装配而成的钢筋混凝土结构.采用装配式钢筋混凝土结构可以提高建筑质量、缩短建设工期、减少材料消耗、实现清洁生产^[1].装配式钢筋混凝土结构是现代建筑产业化的重要发展方向, 已在美国、日本等发达国家广泛应用.我国各级政府及企业也都十分重视装配式钢筋混凝土结构的发展, 北京、上海、沈阳等地先后出台了鼓励政策.在装配式钢筋混凝土结构中, 预制构件之间的钢筋连接方式是关键技术之一, 曾经出现了焊接、搭接、套筒挤压连接等方法, 目前, 通常采用“灌浆套筒连接”, 亦即在特制金属套筒中插入钢筋并灌注水泥基灌浆料而实现钢筋连接的方法.大量静力及动力试验研究证明, “灌浆套筒连接钢筋”具有很高的可靠性, 在装配式钢筋混凝土结构中具有广阔的应用前景.钢筋混凝土结构在火灾中严重损伤甚至连续倒塌的案例有很多^[2,3], 相关的研究成果也日渐丰富, 但是, 针对装配式钢筋混凝土结构抗火性能的研究成果还很少.近年来, 灌浆套筒连接钢筋在高温下及高温后的力学性能研究逐渐得到重视.王国庆^[4]进行了钢筋灌浆套筒连接高温下性能的试验;马江剑^[5]进行了半灌浆套筒连接试件高温后性能的试验研究;张琪^[6]对灌浆套筒中使用的水泥基灌浆料的高温后性能进行了研究;周文君^[3,7]对灌浆套筒连接钢筋在火灾高温下的性能进行了数值模拟.笔者通过模型试验, 对灌浆套筒连接钢筋试件高温后的抗拉性能进行研究, 以期为采用灌浆套筒连接钢筋的装配式混凝土结构火灾后性能评估提供依据.

灌浆套筒连接钢筋试件如图1所示, HRB335钢筋的直径25 mm, 全灌浆套筒型号为CT25H, 灌浆料的型号为CGMJM-Ⅵ.套筒长度400 mm, 外径55 mm, 壁厚8 mm, 试件总长为1 200 mm.共制作5个试件, 划分为3组, 用3段编码对试件进行编号, 编号的意义为:组别-升温曲线-序号.第一组有1个试件, 不升温, 编号为G1-ROOM T-01;第二组有2个试件, 在炉子中按ISO 834曲线加热15 min, 编号为G2-ISO 834-01、G2-ISO 834-02;第三组有2个试件, 在炉子中按ISO 834曲线加热25 min, 编号为G3-ISO 834-01、G3-ISO 834-02.

试验选用HRB335钢筋, 钢筋直径25 mm.根据《金属材料室温拉伸实验方法》 (GB/T228—2002) , 进行拉伸试验 (见图2) , 测得其极限承载力为227.0 k N, 峰值应力为462 MPa.

套筒由北京某公司生产, 材质为球墨铸铁, 满足国家标准《球墨铸铁件》 (GB/T1348—2009) 的规定, 主要材料性能参数指标如表1所示.

采用北京某公司生产的CGMJM-Ⅵ型高强灌浆料, 其干混料由水泥、集料、外加剂和矿物掺合料等原材料生产, 加水拌和均匀后具有高流动性、不离析、微膨胀等良好工艺特性及硬化快、早强高强等性能特点^[8], 其微膨胀和高强的特性保证灌浆料能够通过与钢筋和套筒的作用传递纵向钢筋的拉力, 性能符合《钢筋机械连接技术规程》 (JGJ107—2016) 对灌浆料的要求.灌浆料的材料性能指标如表2所示.

试件的主要制作过程:

(1) 将铠装热电偶布置于套筒中, 热电偶紧贴钢筋, 端部触点位于套筒三分点处, 用于记录高温试验过程中套筒内灌浆料的温度变化 (见图3) ;

(2) 将钢筋和套筒固定在支架上, 确保钢筋与套筒轴线重合;

(3) 拌合用水为饮用水, 符合《混凝土拌和用水标准》 (JGJ63) 的规定;

(4) 按照产品提供的检测报告要求, 灌浆料和拌合水的质量比例为100∶12;

(5) 首先将全部拌合水加入容器中, 加入约70%的灌浆干粉料, 慢速搅拌均匀, 最后将剩余30%干料全部加入, 再快速搅拌至浆体均匀, 搅拌均匀后, 静置约2~3 min排除浆体中气体;

(6) 灌浆时, 灌浆枪向注浆口灌注直至出浆口流出浆料, 用橡胶塞封堵注浆口和出浆口, 保证灌浆料符合要求和规范的流动性、不出现泌水现象、防止因其早强性导致灌浆料在灌注之前硬化^[9,10];

(7) 试件成品置于室内养护, 室温保持在15℃左右 (见图4) .

高温试验用沈阳建筑大学“结构抗火实验台”进行, 该实验台由炉体、加载装置、燃气系统、控制系统、数据采集系统等构成.试件放置于炉内中央位置, 按ISO 834标准升温曲线升温.ISO 834标准升温曲线是国际标准化组织 (ISO) 建议的一条升温曲线, 其方程为

式中:t为试验所经历的时间, min;θ为t时刻的温度, ℃;θ₀为试验炉内初始温度, ℃.

第一组试件不加热, 作为常温对比试件.第二组的2个试件, 加热时间为15 min, 炉内最高温度达到780℃.自炉内点火开始到15 min后关闭液化气阀门, 钢筋和套筒逐渐烧红, 套筒灌浆口、出浆口橡胶塞和套筒两端的密封圈均碳化, 部分剥落 (见图5) .第三组试件加热25 min, 炉内最高温度达到830℃.第三组试件的现象与第二组的类似.

试验结束时, 关闭液化气阀门并通风, 炉内温度下降至100℃左右时, 关闭通风装置, 自然降至常温.打开炉门后, 试件表面特征如图6所示.

套筒端部的橡胶圈烧成白色蓬松状且易碎, 清理后可以观察到套筒端部灌浆料保持完整的形状且没有裂痕, 并且热电偶穿过的套筒端部灌浆料也保持完整, 钢筋全灌浆套筒连接构件本身还具有较好的完整性, 钢筋在外力作用下不会松动, 灌浆口和出浆口处可以看到内部灌浆料出现裂痕, 表面为白色皲裂状.

用热电偶记录炉内以及试件内灌浆料的温度变化曲线 (见图7) .第二组的两个试件G2-ISO 834-01和G2-ISO 834-02及炉内升温曲线如图7 (a) 所示;第三组的两个试件G3-ISO 834-01和G3-ISO 834-02及炉内升温曲线如图7 (b) 所示.

从图7可知, 每组试件中的2个试件内灌浆料的升温曲线接近, 说明炉内温度比较均匀.炉内喷火嘴停止工作后, 炉内温度立即开始下降, 试件内温度下降时间略有滞后.

试验设备如图8所示.

拉伸试验装置采用沈阳建筑大学建筑材料实验室的1 000 k N液压万能试验机, 加载机制严格按照《钢筋机械连接技术规程》 (JGJ107—2010) 中接头试件型式检验的加载制度中单向拉伸的加载制度, 加载速率为1 k N/s.试验前截断多余的钢筋, 拉伸试件的长度均为700 mm.

灌浆套筒连接钢筋试件两种破坏形式如图9所示. (1) 钢筋出现颈缩后试件失去承载力钢筋拉断 (见图9 (a) ) , 第一组的1个常温试件和第二组的2个高温后试件, 都出现这种破坏形式; (2) 灌浆料劈裂导致钢筋与灌浆料之间粘结能力下降无法承担荷载 (见图9 (b) ) , 第三组的2个高温后试件, 都出现这种破坏形式.

试件的试验结果如表3所示.可以看出, 试件中灌浆料经历的最高温度会影响试件的极限承载力和破坏形式.4个高温试件中灌浆料坐高温度的平均值约为700℃, 700℃是一个重要的温度节点, 在700℃附近存在一个临界温度, 决定试件的破坏形式.

热轧钢筋呈现出随着温度的升高, 强度逐渐裂化的趋势, 以升温至600℃为界限, 升温低于600℃后冷却的热轧钢筋屈服强度和极限强度变化迟缓, 超过600℃后的性能均下降迅速^[11,12,13].

在钢筋、灌浆料和套筒之间存在3种作用力, 分别是化学吸附力、摩擦力和机械咬合力^[14].化学吸附力作用小, 主要是灌浆料与钢筋之间的机械咬合力起作用, 灌浆料与钢筋之间的粘结能力随着温度的升高承载力逐渐下降.θ≤150℃时, 残余粘结力与常温的粘结力差距很小;θ>150℃后, 由于灌浆料经历高温后经受压力更容易产生裂痕, 导致粘结能力下降幅度大^[15].

结合试验数据, 可以拟合出高温后套筒连接试件的承载力F_θ与灌浆料经历的最高温度θ之间的关系式为

式中:F_u为常温下试件承载力;α为极限承载力损失率.

套筒连接钢筋试件的极限承载力受温度影响, 根据试验结果, 拟合出的极限承载力与温度之间关系曲线如图10所示.

(1) 灌浆料经历的温度历程对灌浆套筒连接钢筋试件的抗拉极限承载力以及破坏方式有显著影响.700℃是一个重要温度节点, 灌浆料经历最高温度低于700℃的试件, 均为钢筋拉断破坏;灌浆料经历最高温度高于700℃的试件, 均为灌浆料劈裂导致钢筋拔出破坏.

(2) 经验公式是在钢筋直径为25 mm、炉内升温曲线为ISO 834标准升温曲线的特定情况下拟合出来的, 可供装配式钢筋混凝土结构火灾后性能评估提供参考.