北京市从2014年开始进行装配式混凝土结构公租房建设, 将高预制率装配式住宅从试点示范推向大面积推广应用。截至2016年底, 总建筑面积超过50万平方米的装配式剪力墙结构公租房项目顺利封顶, 共使用直径12毫米、14毫米和16毫米钢质组合式半灌浆套筒接头约30万个。2017年, 通州区台湖、朝阳区百子湾和焦化厂三个装配式公租房超大型社区开始建设, 总建筑面积超过150万平方米, 使用滚压型全灌浆套筒接头约80万个。北京市在装配式公租房建设中建立了专业灌浆队伍, 针对灌浆施工中存在的问题研制了便携式气动灌浆设备、-5℃低温超早强高性能灌浆料, 基于阻尼振动衰减原理研发了灌浆饱满性监测方法、专用监测仪器和信息管理系统, 克服了灌浆饱满性质量监 (检) 测难题, 有效保证了套筒灌浆质量。本文重点介绍钢筋套筒选型、构件制作、灌浆安装等环节加强质量控制的经验做法。

钢筋套筒灌浆连接技术是由余占疏博士 (Dr.Alfred A.Yee) 在20世纪60年代发明的, 通过采用高强、快硬的无收缩无机灌浆料填充在钢筋与套筒之间, 待灌浆料凝固硬化后使钢筋与套筒固定连接, 并在20世纪60~80年代就钢筋连接套筒、钢筋连接接头申请了多项专利。余占疏博士首先将所发明的钢筋连接套筒 (splice sleeve) 应用于38层的阿拉莫阿纳酒店中, 开创了柱续接的刚性接头工艺技术。作为水泥灌浆行业的领先企业美国Erico公司, 进一步优化了钢筋连接套筒的结构并发明申请了多个关于钢筋连接套筒的专利。

近年来, 该技术被引入国内, 配合装配式建筑发展得到大力推广。针对常温灌浆, 我国已经形成了比较完善的标准体系和比较成熟的施工技术, 现行行业标准JG/T 398-2012《钢筋连接用灌浆套筒》、JG/T 408-2013《钢筋连接用套筒灌浆料》和JGJ 355-2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》对套筒 (包括材质、连接型式、加工型式等) 、灌浆料 (包括强度、收缩、工作性、泌水率等) 、检验和施工进行了规范。由于钢筋套筒灌浆连接接头质量及传力性能直接影响结构安全性能, 北京市燕通建筑构件有限公司 (以下简称北京燕通) 结合承担北京市装配式公租房套筒灌浆施工的有利条件, 在构件制造、低温超早强灌浆料、新型灌浆机具以及灌浆施工工艺等方面开展了深入细致的研究, 积累了一定经验。

国内外采用的钢筋灌浆套筒种类繁多, 从材质方面可分为球墨铸铁套筒和钢质套筒;从结构型式上可分为整体式套筒和组合式套筒;从加工方式上可分为切削式机械加工套筒和滚压加工套筒;从钢筋连接方面可分为半灌浆套筒和全灌浆套筒。目前, 北京市的装配式公租房工程中使用的钢筋套筒有两种, 一种是钢质组合式机械加工半灌浆套筒, 结构型式如图1所示;另一种是滚压型全灌浆套筒, 结构型式如图2所示。根据连接钢筋的公称直径, 装配式公租房工程使用的套筒主要有直径12毫米、14毫米、16毫米和18毫米四种规格。

滚压型全灌浆套筒是一种新型灌浆套筒, 采用专用机床加工, 加工方式为常温机械滚压, 其使用的钢材、模具、滚压力、内壁滚压肋高度以及单侧内肋 (剪力槽) 数量等关键指标均通过实验研究确定。除供应商提供的型式检验报告外, 正式工程应用前专门进行了工艺检验和型式检验。其性能指标除应满足JG/T 398-2012《钢筋连接用灌浆套筒》要求外, 还要求内壁滚压肋高度和单侧内肋 (剪力槽) 数量符合表1的要求, 尺寸允许偏差符合表2的要求。

灌浆套筒选型首先要考虑满足结构受力要求, 其次要考虑灌浆连接接头的综合成本。影响接头成本的主要因素包括:套筒本身的采购价格, 接头钢筋长度, 半灌浆套筒钢筋套丝加工和安装费用, 单个套筒灌浆料用量等。在半灌浆套筒方面, 采用钢棒机械切削加工的套筒, 原材料耗费比较大, 加工效率比较低, 尤其是大规格套筒加工难度大、成本较高, 相比而言, 钢管切削组合式套筒具有成本优势。滚压型全灌浆套筒由于采用专用自动化生产设备, 大大提高了生产效率, 降低材料损耗, 更加经济环保, 套筒采购成本优势明显。

为保证接头连接可靠, 无论采用哪种钢筋套筒, 其有效连接段套筒内径和长度均不应过小。灌浆段套筒最小内径 (环形凸起部分内径) 与连接钢筋公称直径的差值不得小于行业标准规定数值:直径12~25毫米钢筋不宜小于10毫米、直径28~40毫米钢筋不宜小于15毫米, 半灌浆套筒长度应确保连接钢筋锚固长度不小于插入钢筋公称直径的8倍, 滚压型全灌浆套筒沿长度方向的中心点两端无滚压环肋的平直段长度不宜小于4.5倍钢筋直径。

套筒采购前应进行工艺检验, 也就是说, 同一工程项目宜采购同一厂家生产的同材料、同类型灌浆套筒。灌浆套筒使用前应制作3个灌浆套筒连接接头进行工艺检验, 其结果应符合JGJ107-2010《钢筋机械连接技术规程》中的Ⅰ级接头要求。套筒采购时应加强进场检验, 做到同一厂家、同一牌号、同一规格的钢筋及同一炉 (批) 号、同规格的灌浆套筒, 每500个接头为一个验收批, 每批随机抽取3个制作灌浆套筒连接接头试件进行抗拉强度检验, 检验结果应符合Ⅰ级接头要求, 连续检验10个验收批抽样试件抗拉强度检验合格时, 验收批接头数量可扩大为1000个。

构件厂应采用由接头型式检验确定的与选用灌浆料相匹配的灌浆套筒, 施工中不得随意更换, 否则应重新进行接头型式检验、工艺检验。

为保证灌浆套筒连接的内、外墙板在工地现场的安装精度和快速施工, 保证灌浆套筒定位准确、预留插筋位置准确以及长度符合要求是构件生产质量控制的重要内容。北京市装配式公租房建设始于2014年, 生产墙板时学习借鉴相关经验采用橡胶棒进行灌浆套筒定位, 由于工程量较小, 橡胶棒周转使用次数少, 使用效果不错。但是, 随着装配式公租房项目试点规模的扩大, 采用橡胶棒进行套筒定位的缺点越来越突出, 比如:橡胶棒弹性较大, 易弯曲, 极易造成套筒轴线不垂直;橡胶棒易老化, 使用一定次数后, 如不及时更换极易造成套筒偏位;橡胶棒更换频繁, 成本较高。针对橡胶棒定位的缺点, 北京燕通开发出一种专用定位钢棒系统, 定位效果好、成本低, 被全国同行广泛采用, 应用过程如图3~图6所示。定位钢棒的直径比相应规格套筒内径小1~2毫米, 可以在钢制边模上实现快速安装, 定位系统不仅能保证套筒准确定位和良好的垂直度, 还设置了防套筒偏移措施和防灌浆管堵塞措施。实际应用表明, 墙板中的套筒位置精度小于2毫米, 可以确保墙板在施工现场快速高效安装。

灌浆套筒螺纹连接端采用直螺纹连接, 连接螺纹的公差带应符合现行国家标准GB/T 197《普通螺纹公差》中6H、6f级精度规定。半灌浆套筒接头连接时首先用管钳扳手拧紧, 做到钢筋丝头与灌浆套筒顶紧凸台相互顶紧, 然后用扭力扳手校核拧紧扭矩, 保证拧紧扭矩值符合表3的规定。

预制墙板脱模后, 要用高压水枪冲洗侧面以形成粗糙面, 很多带有缓凝剂组分的水泥砂浆会被冲入灌浆套筒内, 应及时采取措施将进入套筒内的砂浆清理干净, 因为缓凝剂失效后形成的硬化砂浆会污染套筒内壁, 给灌浆接头造成质量隐患 (如图7、图8所示) 。为保证万无一失, 外墙板发货及安装前应对灌浆套筒作进一步检查和清理。

套筒灌浆料是一种以水泥为基本胶结材料, 配以适当级配骨料以及少量的外加剂和其他材料组成的干混料, 加水搅拌后具有大流动度、早强、高强、微膨胀等性能, 填充于套筒和带肋钢筋间隙内, 形成钢筋灌浆连接接头。灌浆料性能的优劣直接影响结构安全性能, 是确保装配式混凝土结构顺利发展的关键因素。根据JGJ355-2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》规定, 套筒灌浆施工时灌浆料使用温度应不低于5℃。在北京市这种低温季节较长的地区施工, 装配式构件有效安装工期缩短, 因此研究适用于低温季节施工的超早强灌浆料具有非常大的现实意义。目前, 北京市装配式公租房工程中使用的灌浆料有两种, 一种是采用普通硅酸盐水泥配制的常温灌浆料, 适用于环境温度高于5℃的灌浆施工。另一种是采用特种水泥配制的低温超早强灌浆料, 适用于环境温度低于5℃的灌浆施工, 其性能应符合表4的规定。

低温超早强灌浆料型式检验温度规定为-5℃, 即要求低温超早强灌浆料流动度试验、竖向膨胀率试验和抗压强度试验的原材料均应在-5±1℃环境下预放置24小时以上, 使用0℃拌合用水进行搅拌。抗压强度试验中, 除了检测-5±1℃环境下养护1天和3天试块结果外, 还要检测-5±1℃环境下养护7天后转移到20℃标准养护箱中养护28天试块的抗压强度, 检测结果应符合JGJ 355《钢筋套筒连接应用技术规程》的规定。

现浇和预制墙板转换层处现浇混凝土中伸出的钢筋应采用专用工具进行定位, 并应采用可靠的固定措施控制连接钢筋的中心位置及外露长度满足设计要求, 专用模具定位如图9所示。一旦总承包单位对装配式建筑安装的高精度要求理解不足, 在方案编制或技术交底时, 对这项规定没有引起高度重视, 在现浇层混凝土完成、墙板安装时才发现问题严重, 不仅严重影响工期, 如果处理不当还会留下质量隐患。

在实际工程中, 钢筋与套筒位置错位偏移, 一种情况是现浇混凝土施工时没有采用专用模具进行套筒钢筋定位, 如果发生轻微偏移, 可采用工具对钢筋进行适当调整, 保证钢筋能够顺利插进套筒内, 如果严重偏移只能剔除硬化混凝土进行钢筋重新定位;另一种情况是预制构件套筒位置不准确, 主要是构件生产时的套筒定位或尺寸不精密。发生这种情况时, 切不可随意切断套筒灌浆, 或将钢筋弯折勉强插入套筒内。

夹心保温外墙板宜采用连通腔灌浆, 连通灌浆区域划分宜通过灌浆工艺试验确定;每个区域除预留灌浆孔、出浆孔与排气孔外, 应形成密闭空腔, 不应漏浆;连通灌浆区域内任意两个灌浆套筒间距离不宜超过1.5米, 要确保灌浆过程中不漏浆, 选择合适的封闭材料、优化形成合理的封闭工艺、培养操作人员认真负责的态度, 三者缺一不可。

(1) 封仓砂浆要求。施工温度高于5℃时, 宜采用常温封仓砂浆施工;施工温度低于5℃时, 应采用专用低温封仓砂浆施工。封仓砂浆应具有良好的触变性, 抗压强度等级应不低于被连接构件混凝土的强度等级, 其性能应符合表5的要求。

(2) 保温板位置封仓要求。经过多年实践, 采用封仓珍珠棉效果比较好。封仓前应检查封仓珍珠棉, 保证表面平整, 无撕裂、无破损、无缩孔和严重污损等情况。当夹心墙板内的保温材料不够平整时, 应适当加厚封仓珍珠棉厚度。要确保珍珠棉搭接部位严密, 无漏空现象。封仓实例如图10所示。

目前, 国内外对钢筋套筒灌浆质量是否合格的判定主要是依据出浆口是否均匀出浆。实际施工经验表明, 即使出浆口全部出浆的墙板, 由于局部漏浆也可能导致该仓套筒中浆液面下降, 不能满足8D钢筋连接要求。北京燕通与北京智博联科技股份有限公司合作, 基于阻尼振动衰减原理研发了一种灌浆饱满性的检测方法。该方法通过监测仪器将专用传感器在空气、未固化灌浆料、固化灌浆料三种不同介质中不同的振动能量衰减规律, 用不同形状的波形直观显示出来, 可以准确判断钢筋套筒是否灌满及灌满后是否漏浆 (如图11、图12所示) 。该方法在北京平乐园公租房工程中使用取得较好效果。

从2014年开始, 北京市保障性住房建设投资中心大力推动装配式公租房建设, 北京燕通即建立了套筒灌浆专业施工队伍, 针对不同施工季节使用的灌浆料性能、封仓工艺、灌浆施工机具和灌浆施工工艺进行系统研究, 所有操作人员经过培训持证上岗, 这些措施有效保证了灌浆质量。

实例1:北京市通州区马驹桥公租房项目是国内首个全部住宅均采用“装配式剪力墙结构和装配式装修”的规模化保障房小区, 是北京市首个全部清水混凝土外饰面小区, 也是北京市已建成最大规模的装配式住宅小区, 总建筑面积21.1万平方米, 包括10栋16层住宅楼 (项目封顶日期为2014年11月, 如图13所示) 。截至2016年底, 海淀区温泉C03地块、丰台区郭公庄一期 (如图14所示) 和朝阳区平乐园公租房等项目顺利封顶。这四个项目总建筑面积超过50万平方米, 均采用构造为“钢筋混凝土结构层 (200毫米) +保温层 (25~90毫米) +钢筋混凝土饰面保护层 (60毫米) ”的结构装饰保温一体化外墙板维护结构和清水混凝土外饰面, 使用的拉结件包括不锈钢拉结件 (哈芬) 、GFRP拉结件 (Thermomass) 和桁架拉结件 (佩克) 三类, 保温材料包括硬泡聚氨酯板、真空绝热板和挤塑保温板三类。在外墙板和内墙板竖向钢筋连接中采用了北京市建筑工程研究院有限责任公司生产的组合式半灌浆套筒、常温灌浆料和低温超早强灌浆料, 灌浆料28天抗压强度大于100兆帕, 实际使用直径为12~16毫米, 灌浆接头约30万个。

实例2:通州区台湖B1、D1地块公租房项目 (如图15所示) 。该项目采用装配整体式剪力墙结构, 总建筑面积50余万平方米, 34栋14~28层住宅楼构件总量约7.5万立方米。该项目预制夹心保温外墙板和内墙板的竖向钢筋均采用钢筋套筒连接。夹心保温外墙板设计构造为“钢筋混凝土结构层 (200毫米) +石墨挤塑板保温层 (80~90毫米) +钢筋混凝土饰面保护层 (60毫米) ”, 拉结件采用不锈钢材质的板式和针式拉结件组合体系 (哈芬) 。该项目是北京市首次在装配式住宅中采用滚压全灌浆套筒技术, 2017年3月初开始进行预制构件安装和灌浆施工, 2017年底结构封顶, 使用直径12~16毫米灌浆接头总计约40万个。