在国家推进住宅产业化的大背景下, 装配式混凝土结构凭借其节能、环保、建设周期短的特点, 正受到前所未有的重视。在预制混凝土结构中, 装配整体式预制混凝土结构由于其兼具了现浇结构的整体性以及预制结构工厂化, 规模化、成本低等特点, 正得到越来越多的运用。钢筋套筒灌浆连接作为装配整体式结构中构件连接的重要手段, 其性能也受到了越来越多的关注。

钢筋、灌浆料和套筒, 作为构成钢筋套筒灌浆连接的三大要素, 均对套筒灌浆连接的力学性能有着重要的影响^[1]。对于混凝土预制构件, 灌浆接头连接质量是影响结构可靠度的最关键因素。受地域与季节影响, 各地施工环境温度差别较大。而灌浆料作为唯一在施工现场制作并施工的材料, 其性能必然受到环境温度的影响。因而研究环境温度对于套筒灌浆连接接头性能的影响有着十分重要的意义。

张守治等^[2]的研究结果表明:养护温度对砂浆早期强度影响较大, 对砂浆后期强度影响较小;养护湿度对砂浆早期强度影响较小, 对后期强度影响较大;在养护温度和养护湿度相同的情况下, 约束状态下的砂浆试件比无约束状态下的砂浆试件具有更好的力学性能。廉慧珍等^[3]通过研究发现:当养护温度低于40℃时, 砂浆的早期强度随着温度上升而增大, 但在第7天后, 混凝土强度增长缓慢。

为了研究环境温度对于钢筋连接用灌浆套筒性能的影响, 本文通过在不同温度、不同养护时间下的90个钢筋灌浆套筒连接试件的单调拉伸试验, 考察了灌浆料龄期和养护温度对于钢筋连接灌浆套筒力学性能的影响。

本研究选用了直径为20 mm, 型号为HRB400的钢筋以及GT4 20型钢筋灌浆套筒, 钢筋在灌浆孔端插入套筒180 mm, 在出浆孔端插入套筒190 mm。测试了养护温度分别在-15℃、0℃、5℃、15℃、25℃、35℃下龄期分别为1天、4天、7天、14天、28天的共计30组试件, 每组3个试件。

灌浆套筒的构造尺寸见图1以及表1。

本研究采用了与套筒配套的高强无收缩钢筋套筒连接用灌浆料, 用20℃~30℃的水进行拌合, 初始流动度≥300 mm, 30 min流动度≥260mm, 均符合《钢筋连接用灌浆料》 (JG/T 408—2013) 的要求。用灌浆机对套筒进行灌注。在灌注套筒试件的同时运用相同批次材料制作灌浆料试块以备灌浆料材性试验, 制作完毕之后, 将灌浆套筒试件和灌浆料试块一起转移到恒温恒湿保温箱中进行养护。

试验方法符合《钢筋机械连接通用技术规程》 (JGJ 107—2010) 的要求。采用500 k N电液伺服万能材料试验机加载。按照文献[4]的规定, 针对套筒进行单调拉伸试验, 加载制度为:0→最大拉力→0;试件屈服前荷载控制加载, 加载速率采用2 N· (mm^-2·s^-1) , 最高不超过10 N· (mm^-2·s^-1) ;测量接头试件的最大力总伸长率或抗拉强度时, 试验机夹头的分离速率采用0.05L_cmin^-1, L_c为试验机夹头间的距离。采用YHD100型位移传感器测量位移, 试验装置如图2所示, 采用500 k N多功能液压伺服试验机。

根据规范《钢筋连接用套筒灌浆料》^[6], 并参考《钢丝网水泥用砂浆力学性能试验方法》 (GB/T7897—2008) , 抗压强度试验的试块采用的是将40mm×40 mm×160 mm试块经过抗折试验折断后的半截。因此, 本试验制作了40 mm×40 mm×80mm的灌浆料试块来对灌浆料试块的抗压强度和弹性模量进行了试验。

在实验过程中共出现了4种破坏形态, 如图3所示, 分别为: (1) 灌浆孔端钢筋拉断; (2) 出浆孔端钢筋拉断; (3) 灌浆孔端钢筋刮犁式拔出; (4) 出浆孔端钢筋刮犁式拔出。各个试件的极限荷载如表2所示。

在发生钢筋刮犁式破坏的试件中, 灌浆孔端钢筋刮犁式拔出占了绝大部分, 这是由于灌浆套筒两边的内部构造不同, 对内部灌浆产生的约束不同。出于对施工便易性的考虑, 套筒的灌浆孔一段的孔径较大, 套筒对灌浆料的约束较出浆孔一端小, 因此降低了钢筋与灌浆料之间所能达到的极限粘结力。构造的不同也使套筒试件的破坏模式不尽相同。从图4中看出, 当套筒试件发生钢筋刮犁式拔出时, 灌浆孔端拔出通常带有锥形的灌浆料破裂面, 而出浆孔端拔出仅仅是钢筋表面的拔出。这是由于钢筋套筒内套筒的构造不同导致的, 如图1所示, 套筒出浆孔端内部有较长的肋, 能够对灌浆料起到较好的限制, 灌浆孔端考虑到施工的便易性, 钢筋插入孔较大, 破坏面发生在灌浆料内部。

根据吴小宝^[5]等的数值模拟分析, 钢筋的对中程度与套筒试件所能够达到的最终承载力成正比。在本次试验中, 这个结论得到了证实:在钢筋拉断的试件中, 灌浆孔端钢筋拉断的试件占据了绝大部分。这是由于灌浆孔一段的内部约束较少, 导致插入的钢筋对中性较另一端差。

是否发生钢筋拔出或拉断破坏, 主要还是取决于粘结承载力与钢筋极限承载力的相对大小。

图5-图9给出了各个温度水平下的荷载位移曲线。当试件发生钢筋拉断破坏时, 试件的荷载位移曲线与钢筋的荷载位移曲线基本相同, 当试件发生钢筋刮犁式拔出时, 可分为以下两种情况:第一种, 当试件的承载力未能超过钢筋的屈服强度时, 试件的荷载位移曲线可分为上升阶段、下降阶段、稳定阶段三个阶段, 稳定阶段的残余力为套筒内胶砂与钢筋的动摩擦力;第二种, 即试件的承载力超过了钢筋的屈服强度, 试件的荷载位移曲线可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、下降段、稳定阶段几个阶段。

加载初期为弹性阶段, 荷载P与位移δ的关系基本呈直线, 其后曲线形状的发展则与粘结力、钢筋屈服强度以及试件破坏形态等因素有关, 如粘结力很大, 则发生钢筋拉断破坏。荷载-位移曲线形状与钢筋拉伸曲线基本相同。龄期4 d时, 各个温度养护水平下的钢筋均能够使钢筋受拉屈服。

试件抗拉极限承载力受钢筋极限强度以及钢筋与灌浆料间的粘结强度影响, 由这两个强度对应承载力的较小值控制。

试件极限承载力与灌浆料龄期之间关系见图10。套筒试件在浇筑完的第一周内强度发展很快, 当龄期到达7 d时, 所有养护温度下的试件承载力均达到了极限承载力的90%以上。套筒试件的1 d强度受养护温度的影响最大, 在0℃以及5℃的养护温度下, 试件只达到了极限强度的5%以及7%, 而在25℃以及35℃的情况下, 试件的承载力均达到了极限承载力的95%以上。

从图11可以看出, 在龄期为1 d时, 试件的极限承载力与养护温度在5℃~25℃之间基本呈线性关系, 对数据点进行拟合, 可得公式如下:

式中, N_{1 d}表示套筒试件浇筑完毕养护1 d可以达到的强度;T表示养护的温度, 单位为℃。

灌浆料的抗压强度数据如表3所示。

图12为不同养护温度下灌浆料的抗压强度发展曲线。可以看出, 浇筑完成后的第一周, 灌浆料的抗压强度发展较快;当养护温度在15℃以上时, 灌浆料7 d的抗压强度便已达到了灌浆料28 d抗压强度的85%以上。当养护温度为0℃和5℃时, 灌浆料随时间保持增长, 强度增长的速率随龄期的增长逐渐放缓。从图中还可以看出, 养护温度对灌浆料的早期强度有较大影响, 随着龄期增长, 养护温度对灌浆料强度的影响逐渐减弱, 当到达28 d时, 各养护温度下的灌浆料试块抗压强度已无明显差异, 基本稳定在120 MPa左右, 超过文献[6]所要求的不小于85 MPa。

图13为不同养护温度下龄期1 d时灌浆料试块的抗压强度对比情况。可以看出, 在0~5℃的环境下, 灌浆料1 d龄期的抗压强度很低, 仅为2 MPa左右, 如图14中可看出, 试块表面十分湿润, 被钢筋被拔出后破坏面松散, 水化反应进展缓慢;当灌浆料的养护温度大于25℃时, 灌浆料的1 d强度达到了70 MPa以上。当养护温度在5℃到25℃之间时, 灌浆料的1 d抗压强度随着养护呈线性增长, 对5℃~25℃之间的数据点进行拟合, 可得公式如下:

式中, P_1d表示灌浆料试块1 d龄期的抗压强度;T表示养护的温度, 单位为℃。

根据文献[6]要求, 灌浆料的1 d抗压强度必须不小于35 MPa, 因此在施工过程中必须严格控制连接节点养护温度的控制, 当环境温度在5℃以下禁止进行施工作业, 在环境温度大于5℃时, 必须对节点进行必要的保温以及加热, 根据图13, 必须确保构件的养护温度在18℃以上, 才能够使构件的1 d强度符合规范要求。

图15反映了灌浆料的抗压强度与养护温度以及龄期的关系, 对数据点进行拟合可得公式如下:

式中, P为灌浆料的抗压强度;T为灌浆料的养护温度, T=0℃~35℃;D为龄期, 单位为d。

图16反映了不同温度水平下灌浆料弹性模量随龄期增长的变化曲线, 可以看出, 在低温养护条件下, 灌浆料前14 d的弹性模量都处于一个较低的水平, 14 d以后有较快的增长。在15℃以及35℃的养护条件下, 灌浆料的弹性模量不断发展, 在14 d以后达到一个稳定的水平。

由于灌浆料具有微膨胀性能且套筒对浇筑在其内部的灌浆料有较强的约束作用, 因此也减弱了材料的弹性模量对套筒试件刚度的影响。

图17显示了灌浆料抗压强度与套筒试件抗拉承载力的关系。可以看出, 当灌浆料强度小于62.5 MPa时, 灌浆料的强度与套筒试件的抗拉承载力呈线性关系, 当灌浆料强度不小于62.5 MPa时, 套筒试件的承载力基本达到其极限承载力, 绝大部分试件出现了钢筋被拉断的破坏模式, 对数据点进行拟合, 可得到公式如下:

当0≤P_灌浆料≤62.5 MPa,

当P_灌浆料>62.5 MPa,

从图18中可以看到, 套筒试件的极限承载力随龄期增长并无明显增长, 而是呈现无规律的波动。

在负温环境下, 灌浆料中的水分由于受冻结冰, 材料中缺乏自由水, 无法进行水化反应, 强度无明显发展, 针对其试块进行试验所得到的强度实际是由于水分结冰后冰块的强度, 并非材料自身强度。

通过以上试验, 本文得出如下结论:

(1) 养护温度越高, 灌浆料的早期强度发展越快。

(2) 养护温度越高, 灌浆套筒试件的早期极限承载力越高。

(3) 当灌浆料的强度小于62.5 MPa时, 灌浆料的抗压强度与灌浆套筒试件的极限承载力承载力呈线性关系。

(4) 灌浆料的强度大于62.5 MPa时, 灌浆料强度不再影响试件连接性能。

(5) 负温环境下, 灌浆料水化反应不明显, 套筒试件不具备强度。

通过以上结论, 本文有如下建议:

(1) 在施工过程中必须严格控制连接节点养护温度的控制, 当环境温度在5℃以下禁止进行施工作业, 在环境温度大于5℃时, 必须对节点进行必要的保温以及加热, 确保构件的养护温度在18℃以上。

(2) 在施工过程中, 可对同批次的灌浆料进行材性试验得到的灌浆料强度来预估套筒试件承载力, 以保证施工质量。