20世纪60年代, 美国Alfred A.Yee发明了钢筋套筒灌浆连接技术, 这种连接技术现场操作方便、施工效率高, 已发展成为装配式混凝土结构中钢筋连接的主要方式之一。套筒灌浆连接是通过特殊设计的柱状套筒和作为粘结剂的无收缩灌浆料组合而成的钢筋连接装置^[1]。灌浆料强度较高, 且有一定的微膨胀性, 能够密实地填充于套筒腔体内, 再加上套筒的机械咬合与径向约束作用, 使得预制构件通过套筒灌浆连接的方式形成结构整体。采用钢筋套筒灌浆连接的构件, 在同一个截面上接头率一般是100%, 且一般处于构件重要受力部位^[2], 如果施工质量无法得到保障, 会对装配式结构的使用性能和安全性能埋下重大隐患。为使灌浆料获得高强度和无收缩性, 需要严格按照设计水胶比进行拌制^[3]。由于操作不规范, 施工现场会出现灌浆料拌制时掺水量大于设计要求的情况, 造成灌浆料实际强度达不到设计要求^[4]。灌浆料是竖向钢筋传递荷载的重要介质, 灌浆料性能的降低会削弱装配式结构的整体性, 影响结构的使用安全^[5]。

抗压强度是表征灌浆料强度的主要指标之一, 目前通用的灌浆料抗压强度试验方法是参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》, 该方法要求制作40 mm×40 mm×160 mm的标准试块, 并且在标准养护条件下养护28 d, 按照“先折后压”的顺序对其进行抗压强度试验^[6]。这种方法适合于实验室制作试块或者现场同条件试块的抗压强度试验, 而工程实体难以满足标准试块的形状和尺寸要求, 本文尝试通过现场取样方法开展灌浆料实体强度检验技术的探索性研究。除了考虑试件形状和尺寸外^[7,8], 由于工程实体养护条件不同于实验室, 故综合考虑龄期、养护条件和试件形状及尺寸等因素, 共制作33个标准试块、105个圆柱体试块进行抗压强度试验, 研究各因素对灌浆料强度的影响规律, 对小直径圆柱体试块的强度值进行统计分析, 并建议合理的最小样本容量。

采用北京思达建茂生产的钢筋套筒连接用灌浆料, 灌浆料强度设计值为110 MPa;试验考虑参数为养护条件、龄期及试块尺寸。其中, 养护条件分为标准养护、自然养护、室温水中养护;龄期分为3、7、14、21、28 d;试块分为40 mm×40 mm×160 mm长方体试块和直径18 mm、高径比1∶1的圆柱体试块。

按产品要求的水胶比称取灌浆料和拌合水, 采用行星式搅拌机按照标准搅拌程序进行拌制, 搅拌完成后注入模具成型。为了批量获得小直径圆柱体试块, 设计了如图1所示的圆柱体试块成型模具。

对于标准试块采用300 k N万能材料试验机进行加载;对于小直径圆柱体试块采用100 k N万能材料试验机进行加载。标准试块在带有球铰的抗压夹具中施加竖向压力, 并且选择成型面为受压面;小直径圆柱体灌浆料试块的上下端面为受压面。试验加载速率均采用1.5 MPa/s, 避免加载速率不同对试验结果的影响。

试块均发生脆性破坏, 因试件破坏相当于在很短时间内释放较大的能量, 故都伴有较大的崩裂声响。标准试块受压范围相当于边长为40 mm的立方体, 破坏形态与立方体试块相似, 试件最终破坏形态为正反相接的四角锥体, 如图2 (a) 所示。

小直径圆柱体试块的破坏形态与标准尺寸试块略有不同。通过观察破坏后小直径圆柱体试块可以发现, 部分试块表面呈现较多的竖向裂纹, 试块外表面与内部发生剥离, 最终的破坏形态由正反相接的两个圆锥体组成, 如图2 (b) 、 (c) 所示。

对5组标准养护条件下的标准试块进行不同龄期时的抗压强度试验, 结果如图3所示。由图可以看出, 灌浆料早期强度增长较快, 标准养护3 d即可达到设计强度的85%, 标准养护7 d达到设计强度的91%, 标准养护14 d达到设计强度的108%, 从14~28 d灌浆料强度增长了6.8%, 灌浆料后期强度增长趋缓。灌浆料早期强度增长快对提高装配式结构的施工效率具有较大益处。

图4为3种不同养护条件下养护28 d的标准试块抗压强度试验结果。对比标准养护和自然养护的强度值可以看出, 标养试块强度比自然养护试块强度高12%左右。根据日常温湿度的记录数据, 本次试验自然养护条件的温度在20℃~25℃之间, 相对湿度在40%~60%, 自然养护条件下水分流失较快, 故强度值偏低。对比标准养护和室温水中养护的强度值可以看出, 二者湿度基本相同而室温略高于标养温度, 室温水养试块强度与标养试块强度无明显差异。

通过对比, 养护环境的湿度对强度影响明显, 而灌浆料的实际工作环境是处在埋置于混凝土构件的套筒内, 其水分散失较少, 并且可以和外界进行热量交换, 因此, 其实际强度与室温水养的条件更为接近。

通过图1所示的试模制作了3批小直径圆柱体试块 (每批35块) , 共计105个。其中第Ⅰ、Ⅱ批采用标准养护条件, 第Ⅲ批采用自然条件养护。表1为龄期28 d时小直径圆柱体试块抗压强度试验结果的统计值, 由表1可以看出, 当龄期相同时, 标养条件下抗压强度比自然养护高12.6%, 强度差异与标准试块的试验结果十分接近。

小直径圆柱体试块抗压强度柱状图如图5所示, 由图可以看出, 3批试块的抗压强度基本均符合正态分布。可以通过对小直径圆柱体试块抗压强度的统计分析, 来推定实体结构灌浆料的抗压强度, 并且在实体结构中小直径圆柱体试块也容易获取。

根据本次试验结果, 在相同养护条件、相同龄期下, 小直径圆柱体试块强度是标准试块强度值的75%。为了能通过小直径圆柱体试块抗压强度来推定实体结构灌浆料强度, 需建立小直径圆柱体试块与标准试块的强度换算关系。由于本次试验考虑的灌浆料品种和设计强度单一, 且试块数量有限, 尚不足以建立两者的换算关系。

因小直径试块抗压强度数据离散性较大, 故样本数量是实体强度推定的关键因素之一, 样本太多, 在工程上实现的成本比较高, 且在有些情况也比较困难;样本数量少, 离散性太大, 无法进行有效推定, 故需要确定合理的最小样本容量。针对本次试验数据, 按不同的样本容量分别计算样本的均值、标准差和推定值, 计算结果如图6所示。

由图6可见, 当样本容量大于15时, 试验结果的均值、标准差和推定值趋于稳定, 因此, 对于小直径试块的取样数量建议不宜低于15。

综合考虑试验龄期、养护条件和试件形状及尺寸等因素的影响, 对灌浆料抗压强度进行试验研究, 主要结论如下:

1) 灌浆料早期强度增长较快, 标准养护7 d即可达到设计强度的90%以上, 其后期强度增长趋缓。

2) 养护环境的湿度对强度影响明显, 灌浆料实际工作环境是处在埋置于混凝土构件的套筒内, 其水分散失较少, 且可以和外界进行热量交换, 故其实际强度与室温水养的条件更为接近。

3) 通过与标准试块强度数据进行对比, 小直径圆柱体试块强度统计结果与标准试块具有相似的规律, 且很好地符合正态分布。

4) 在相同养护条件、相同龄期下, 小直径圆柱体试块强度是标准试块强度值的75%。当样本容量>15时, 小直径试块强度的均值、标准差和推定值逐步趋于稳定, 故对小直径试块的取样数量建议不宜<15。