套筒水平灌浆缺陷复灌前后对套筒钢筋受拉性能的影响

颜 华，宋 波，徐东升，张国栋

(1.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083；2.廊坊师范学院建筑工程学院,廊坊 065000；3.强震区轨道交通工程抗震研究北京市国际科技合作基地，北京 100083)

钢筋套筒灌浆连接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对接连接方式。钢筋套筒灌浆连接是装配整体式混凝土结构的核心，对结构整体性能至关重要。由于钢筋套筒连接处位于结构节点处，通常预制构件纵筋在同一连接区段内采用100%连接，且位于箍筋加密区，这对接头连接质量提出了更高要求。套筒灌浆属于隐蔽工程，实际施工中影响梁筋连接套筒灌浆质量的因素不易控制，水平钢筋套筒连接往往存在顶部脱空缺陷，因此施工中如何检测套筒灌浆质量成为工程界普遍关注的问题。

中外学者针对钢筋套筒灌浆的研究主要集中在承载力和缺陷检测等方面。Alias等[1]设计了有无钢螺旋的灌浆套管连接器在增量拉伸载荷下作为横向钢筋的力学性能；Ling等[2]设计制作了不同接头形式的套筒灌浆连接件并通过试验对其可行性进行了研究；Henin等[3]设计了一种采用无缝钢管制作，管壁内表面布有螺纹的灌浆套筒，并通过单向拉伸试验和数值模拟对套筒灌浆连接件的承载力进行了研究；吴涛等[4]对20个套筒灌浆连接件进行单轴拉伸试验,研究了套筒种类、锚固长度和钢筋直径对套筒筒壁应变的影响；张增德等[5]采用玻璃纤维复合材料作为套筒材料,设计出一种GFRP(glass fiber reinforced polymer)全灌浆套筒进行数值模拟验证了其可行性；王瑞等[6]采用有限元软件ABAQUS灌浆套筒连接件进行模拟,并与试验值进行对比,研究结果表明钢筋偏位对试件承载力影响不显著，灌浆套筒拉伸试验中,套筒并未达到屈服,处于弹性阶段。武立伟等[7]研究了抗剪键对钢筋套筒灌浆的承载力影响。余琼等[8-9]进行了45个带肋钢筋锚入套筒约束灌浆料中的拉拔试验，研究了试件破坏形态和黏结强度的变化规律，并进行了采用套筒搭接连接的预制剪力墙拟静力试验，结果表明套筒在预制混凝土剪力墙中能够很好地传递钢筋应力；许成顺等[10]对高应力反复拉压作用下钢筋套筒灌浆连接性能进行了试验研究；刘立平等[11]进行了装配式结构数值模拟分析中半灌浆套筒钢筋连接本构关系的研究，其模拟结果能与试验结果较好地契合；王玲等[12]研究了灌浆套筒用于连接角纵筋的T形柱边框架梁柱节点在水平地震作用下破坏过程。

目前，中外研究中对缺陷问题的处理研究很少。为此，提出二次复灌处理方式，并针对不同材料的复灌效果进行对比研究，以验证复灌技术的可行性，但对灌浆材料要求严格，研究结果对实际工程问题有一定借鉴意义。

1 灌浆缺陷试验

1.1 原材料

试验采用HRB400钢筋，直径为14 mm，实测钢筋力学性能参数如表1所示。

试验采用某厂家提供的全灌浆套筒，由球墨铸铁铸造而成，材料性能满足标准《钢筋连接用灌浆套筒》 (JGJ/T 398—2012)[13]要求，尺寸如图1和表2所示。试验套筒内上段和下段钢筋的锚固长度均严格控制为钢筋直径d的8倍。

表1 钢筋力学性能参数Table 1 Mechanical property parameters of reinforcement

L为灌浆套筒总长；L1为灌浆端钢筋锚固长度；L2为溢浆端钢筋锚固长度；L3为安装密封塞长度；D为套筒外径；D1为套筒内径；D3为灌浆孔外径；D4为灌浆孔内径；D5为溢浆孔外径；D6为溢浆孔内径；S1为灌浆孔中心距套筒端长度；S2为溢浆孔中心距套筒端长度图1 套筒尺寸示意图Fig.1 Schematic diagram of sleeve size

试验采用与套筒相配套的灌浆料，拌合时水与灌浆料的质量比为0.14，初始流动度大于340 mm，30 min流动度大于310 mm，标准养护条件下，24 h抗压强度大于35 MPa,28 d抗压强度大于85 MPa，满足现行行业标准《钢筋连接用套筒灌浆料》(JGJ/T 408—2019)[14]要求。

1.2 灌浆缺陷设计

在现有对灌浆套筒内部灌浆缺陷检测手段缺乏，大规模工厂化加工和现场装配前提下，灌浆缺陷很难避免，缺陷的大小和分布必然对结构受力产生影响。现以水平灌浆套筒作为研究对象，设计了灌浆率为100%、80%、70%、60%的4组不同的套筒进行了拉伸受力试验来验证缺陷对受力的影响程度。缺陷套筒示意图如图2所示。制作和试验过程如图3所示。

采用称重法量出每组组合的灌浆前后重量，满灌浆料质量采用称量方法取一组满灌浆套筒灌浆前后套筒中灌浆料质量的平均值如表3所示。满灌浆时灌浆料质量计算公式为

表2 套筒尺寸参数Table 2 Sleeve size parameters

图2 套筒缺陷示意图Fig.2 Schematic diagram of sleeve defect

图3 试件制作和试验过程Fig.3 Specimen making and test process

M=H1-Q

(1)

式(1)中：M为满灌浆时灌浆料质量；Q为灌浆前套筒质量；H1为满灌浆后套筒质量。

有孔洞缺陷的灌浆套筒灌浆率为K，计算得出的实际灌浆率如表4所示。灌浆套筒灌浆率计算公式为

K=(H2-Q)/M

(2)

式(2)中：K为套筒实际灌浆率；H2为有缺陷套筒灌浆后质量。

表4 有缺陷套筒灌浆率Table 4 Grouting rate of defective sleeve

按照现行行业标准《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355—2015)[15]进行接头试件的对中单向拉伸试验。测试内容包括屈服强度、抗拉强度以及破坏形态。

1.3 试验结果分析

试验破坏形态主要为钢筋拉断、端部灌浆料破碎钢筋拔出和钢筋直接拔出如图4所示。

试验结果如表5所示。根据《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355—2015)对钢筋套筒灌浆连接强度的规定:钢筋套筒灌浆连接接头的屈服强度不应小于连接钢筋屈服强度标准值(研究所用钢筋屈服强度标准值为400 MPa )；钢筋套筒灌浆连接接头的抗拉强度不应小于连接钢筋抗拉强度标准值(研究所用钢筋抗拉强度标准值540 MPa)，且破坏时应断于接头外钢筋;套筒灌浆连接接头单向拉伸试验加载过程中，当接头拉力达到连接钢筋抗拉荷载标准值的1.15倍(相当于研究所用钢筋抗拉强度达到其标准值540 MPa的1.15倍，即621 MPa)而未发生破坏时，应判为抗拉强度合格，可停止试验。

图4 试件破坏形态Fig.4 Failure mode of specimen

表5 拉伸试验数据结果Table 5 Results of tensile test data

由表5试验结果可知，无缺陷灌浆套筒连接的屈服强度和抗拉强度均满足标准要求，从荷载-位移曲线(图5)可以看出，套筒钢筋受力也经过了弹性、屈服、强化和断裂4个阶段，和钢筋力学性质完全一直(有一个套筒由于加载机器故障，强化阶段未显示)。对灌浆率为80%灌浆套筒连接的屈服强度能够满足标准要求，其最大抗拉强度为450 MPa，只相当于钢筋的屈服强度，从荷载-位移曲线(图5)可以看出，钢筋加载刚到达屈服平台钢筋就被拔出，不能满足规范要求，钢筋被拔出，可判定不能满足受力要求，为不合格。对灌浆率为70%灌浆套筒钢筋未达到屈服强度就被拔出，最大抗拉强度为150 MPa，仅为钢筋标准屈服强度的33%，说明钢筋变形还处在弹性范围内，可判定不能满足规范要求，为不合格。对灌浆率为60%灌浆套筒钢筋加载初期就被拔出，最大强度为40 MPa，仅为钢筋标准屈服强度的9%，说明钢筋变形还处在弹性范围内，可判定不能满足规范要求，为不合格。(灌浆率为60%钢筋荷载-位移曲线图主要反映的是灌浆料与套筒在钢筋拉拔过程中的受力状态，不能反映钢筋受力)。

图5 拉伸试验荷载-位移曲线Fig.5 Load displacement curve of tensile test

2 缺陷复灌后套筒连接试验

2.1 灌浆材料选择

灌浆料是连接套筒与钢筋得关键材料，现在市场上灌浆料品种很多，但使用效果不一定都能达到套筒灌浆要求，特别是灌浆过程中流动性的保证对最终灌浆得饱满度至关重要。试验采用两种水泥基灌浆料，一种为高强无收缩灌浆料(GWL)，一种为套筒高强灌浆料(TGL)，两者均标明可用于套筒灌浆，主要技术参数基本一致，执行标准《钢筋连接用套筒灌浆料》(JG/T 408—2019)[14]要求，如表6所示。

经过实际试验检测两种材料初始流动度均≥300 mm，满足规范指标要求，30 min流动度套筒高强灌浆料(TGL)为268 mm，大于等于260 mm，满足规范要求，但高强无收缩灌浆料(GWL)不满足要求，仅为136 mm。由于试验是在实验室进行的，需要精确计量灌入的灌浆料质量，时间比正常灌浆要长，对初始流动性30 min流动性要求都比较高，采用两种灌浆料进行缺陷灌浆，测试结果对初始缺陷灌浆影响就有较大差异，二次缺陷复灌结果差异更大。考虑到实际施工中各种因素的影响，采用高强无收缩灌浆料(GWL)对施工质量很难保证。

表6 灌浆料主要技术参数Table 6 Main technical parameters of grouting material

2.2 试验结果分析

复灌灌满的控制也采用质量控制法，即二次复灌后套筒质量和一次性灌满的套筒质量进行对比得到实际灌浆率，二次灌浆以灌浆口流出灌浆料为灌浆灌满的控制标准。为了使复灌效果更为明显，试验选择60%和70%初始灌浆率的套筒进行复灌试验。复灌前后质量对比如表7所示。

从表7测量结果可以看出，采用高强无收缩灌浆料(GWL)在初始缺陷灌浆阶段就出现灌浆不顺畅，达不到灌浆要求的现象，即使第一次灌浆达到缺陷率要求，但由于灌浆流动性不好，套筒内造成局部堵塞，无法形成顺畅的水平面，进行二次灌浆时灌浆料无法进入，从而达不到试验要求的灌浆率(个别灌浆效果可以满足)。采用套筒高强灌浆料(TGL)其流动性基本能满足初始和二次灌浆率的要求。

最终试件破坏形式两种材料有很大的差异，采用高强无收缩灌浆料(GWL)试件复灌后破坏以端部灌浆料破碎钢筋拔出为主(有一个试件钢筋被拉断)如图6(a)所示，采用套筒高强灌浆料(TGL)的试件破坏均为钢筋被拉断如图6(b)所示。

表7 两种灌浆料灌浆质量对比Table 7 Comparison of grouting quality of two grouting materials

图6 两种灌浆材料复灌套筒拉力试验破坏现象Fig.6 Failure phenomenon of sleeve tension test of two grouting materials

从荷载-位移曲线(图7)可以看出，采用套筒高强灌浆料(TGL)的套筒复灌后钢筋受力经过了弹性、屈服、强化和断裂四个阶段，和钢筋力学性质完全一直，复灌效果良好，能满足灌浆套筒的受力要求。采用高强无收缩灌浆料(GWL)在初始缺陷灌浆时的预留空隙在套筒内没有形成贯通的水平面，造成局部堵塞，导致在进行二次复灌时灌浆料无法顺利通过，最终灌浆率达不到补灌要求。在工程检测中如发现灌浆缺陷，采用复灌方法是可以解决的，但对灌浆料要求应更加严格。所以在实际工程的灌浆料一定要采用套筒专门的材料。

3 结论

基于现行行业标准《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355—2015)[15]，对密实灌浆、有灌浆缺陷和缺陷二次复灌的灌浆套筒进行了单向拉伸受力试验，得到了以下结论。

(1)无缺陷灌浆套筒钢筋的屈服强度和抗拉强度均满足标准要求，钢筋受力经过了弹性、屈服、强化和断裂4个阶段，和钢筋力学性质完全一致。

(2)对灌浆率为80%灌浆套筒钢筋的屈服强度能够满足标准要求，在钢筋加载刚到达屈服平台钢筋就被拔出。对灌浆率为70%灌浆套筒钢筋未达到屈服强度就被拔出，钢筋变形还处在弹性范围内。对灌浆率为60%灌浆套筒钢筋加载初期就被拔出，最大强度仅为钢筋标准屈服强度的9%。

图7 不同灌浆料70%、60%孔隙率复灌对比Fig.7 Comparison of 70%,60% porosity of different grouting materials

(3)采用高强无收缩灌浆料(GWL)和套筒高强灌浆料(TGL)进行复灌对比试验，采用高强无收缩灌浆料(GWL)的套筒不能满足受力要求，其原因时流动性不能满足要求，采用套筒高强灌浆料(TGL)的套筒的力学性能满足规范要求，在工程检测中如发现灌浆缺陷，采用复灌方法是可以解决的，其中灌浆料的选择尤为重要。