预制装配式建筑具有工业化水平高、建筑垃圾少、保护环境、节能减排等优点, 近年来在我国得到大量的推广和应用, 已经成为建筑发展的一个重大方向。也是科研领域一个非常活跃的领域, 较多的专家学者做了大量的研究^[1,2,3,4]。预制混凝土构件之间的钢筋连接技术是装配式结构的关键技术, 也是形成各种装配式结构的重要基础。不同预制构件之间的钢筋连接目前主要采用的方式是:钢筋灌浆套筒连接^[5]。

钢筋套筒灌浆连接 (rebar splicing by grout-filled coupling sleeve) , 是指在预制混凝土构件内预埋的金属套筒中插入钢筋并灌注水泥基灌浆料而实现的钢筋连接方式, 如图1所示。套筒常采用铸造工艺或者机械加工工艺制造, 而灌浆料是以水泥为基本材料, 配以细骨料、少量外加剂和其他材料组成的干混料, 加水搅拌后具有流动度大、早强、高强、微膨胀等性能。连接机理是:将表面带肋的钢筋插入套筒, 套筒内壁有凹槽或者凸肋, 向套筒内灌注这种微膨胀的水泥基灌浆料, 充满套筒与钢筋之间的间隙。一段时间后, 灌浆料硬化与钢筋的横肋和套筒内壁凹槽或凸肋紧密结合, 通过粘结力和摩擦力即可实现两根钢筋连接后所受外力的有效传递。

水料比 (水和灌浆料的比值) 是影响灌浆料强度和性能的主要因素, 也直接影响灌浆套筒这种连接方式的效果, 因此对水料比的研究是很有必要的, 找出水料比的变化对灌浆料和灌浆套筒的影响规律, 希望能对水料比的选择做出有益的参考。

市场购买一种灌浆料, 厂家推荐的水料比0.12, 即1 000 g的灌浆料加水120 m L, 本文设计水料比0.11, 0.12, 0.13, 0.14, 0.15, 0.16, 采用规程推荐的标准方法, 分批制作了18组试件 (每组3块) , 尺寸40 mm×40 mm×160 mm (见图2) , 另外制作了6个钢筋套筒灌浆连接试件, 均按标准要求养护。分别进行灌浆料流动度测试、抗压强度试验、套筒连接件的单向拉伸承载力试验。

流动度测试见图3。

流动度是测定拌合料流动性的一个重要指标, 流动度小, 拌合料不容易往套筒内注浆, 且不饱满, 影响拌合料的强度;流动度太大, 保水性不好, 容易泌水, 影响拌合料的凝结。规程规定高强灌浆料的初始流动度和30 min流动度分别不低于300 mm和280 mm (见表1) 。

表1中可以看出, 所有试块的流动度均符合规范要求。但很明显的看出来随着水料比减小, 流动度有降低趋势, 尤其水料比为0.1时, 流动度在规范标准附近;但随着水料比的增加, 流动度增大, 但搅拌后的灌浆料仍然比较均匀, 未出现泌水现象。这也能满足实际工程中的误差要求, 以防操作工人动作粗放。

强度指标是灌浆料最重要的力学性能指标, 直接影响套筒连接方式的成败。强度低说明不足以起到连接钢筋的效果。我们分别将按标准要求养护的试件在万能实验压力机上做了抗折强度和1 d, 3 d, 28 d的抗压强度 (见图4, 图5) , 结果均满足规范要求, 试验结果见表2。从表2中可以看出, 所有构件的1 d强度, 3 d强度, 28 d强度值均符合规范的最低要求, 说明水料比只要变化不剧烈, 对硬度的影响不是非常大。但表中也能看出比较明显的变化规律, 即随着水料比的增大, 强度还是呈下降趋势。说明用料的降低, 对强度还是有减小的影响。

考虑到构件制作的定位和精细程度, 自制了简易台座, 事先将钢筋穿插进套筒内, 固定在木桩上, 用铁钉、铁丝等把套筒、钢筋等均初步固定, 然后精细调整, 如图6所示。共制作了套筒的灌浆连接试件共6根。本次拉伸试验, 在万能试验机上完成, 通过对比灌浆套筒连接试件和同直径的钢筋母材的抗拉强度, 来验证灌浆套筒连接方式的合理性。试验结果见表3。

从表3中可以得出以下重要结论:

1) 所有按正常规定完成的试件, 最后破坏都是因为钢筋被拉断 (见图7) , 套筒没有损坏, 也没有钢筋从套筒内被拉出来破坏的。这证明套筒质量没有问题, 灌浆料的强度也是足够的。

2) 从水料比变化上看, 因为水料比的降低影响了灌浆料的强度, 从连接件最终破坏的承载力和极限强度上看, 水料比的降低也使得连接件破坏的承载力和极限强度是降低的。

1) 试验结果表明:水料比的减小, 会导致灌浆料流动度减小, 强度略有增大, 水料比的增大, 会导致灌浆料流动度增大, 强度略有减小, 因此水料比应有一个合理的范围。同时也能满足施工时的误差行为。

2) 在水料比合理范围内, 最后灌浆套筒连接件破坏的结果都是始于钢筋拉断。连接处的强度不低于钢筋的强度, 证明套筒灌浆连接钢筋这种方式是可行的。但随着水料比的增大, 连接件的承载力有下降的趋势。

3) 建议水料比给定一个合理范围, 而不是给定某一个固定值。

本文研究系大学生的创新实践项目, 也是指导教师的科研项目的一个小的组成部分, 感谢指导教师给予的悉心帮助和指导, 也感谢学校的资助。