装配式建筑套筒灌浆连接系统膨胀约束关键技术研究*

李宪军， 邓美林， 何廷树

(1 山西大学电力与建筑学院， 太原 030013； 2 西安建筑科技大学材料科学与工程学院， 西安 710055)

0 引言

由于装配式建筑具有施工速度快、现场作业量少、有利于建筑工业化和环境效益好等优点，促进了装配式建筑的快速发展。到20世纪末，装配式建筑作为住宅产业化的建筑生产方式，已经广泛应用于各类建筑领域，发挥着不可替代的作用[1]。然而，装配式建筑虽具有天然独特优势的同时，但其连接可靠性问题成为国内外学者和工程技术人员研究和探索的主题。如何提高预制构件之间的连接性能是保障装配式结构整体安全性的关键，国内外专家学者试图解决上述问题。郑永峰等[2]研究了套筒内腔构造对钢筋套筒灌浆连接黏结性能的影响，发现增加套筒环肋数量及内壁凸起高度，可提高钢筋套筒灌浆连接的承载力。Einea等[3]采用光圆钢管设计的搭接钢筋连接灌浆套筒、内壁焊接钢筋灌浆套筒、端部焊接钢环灌浆套筒和端部焊接钢板灌浆套筒进行性能比较，发现端部焊接钢板灌浆套筒连接的钢筋黏结强度最高，端部焊接钢环灌浆套筒次之。Kim[4]研究的锥形灌浆套筒，可以提高套筒连接的黏结强度。Sayadi等[5]采用梁式试件研究高强螺栓灌浆套筒，发现高强螺栓设置在钢筋弹性段，会降低连接的抗拉强度。郭正兴等[6]发明了采用无缝钢管冷滚压工艺制作了一种变形灌浆套筒(GDPS)，其团队研究验证了该套筒的可行性，认为套筒内腔构造影响其约束机理和约束作用，进而影响钢筋的黏结强度。戢文占等[7]研究了高强钢筋连接用套筒灌浆料配比及缓凝剂对其膨胀性能的影响；李向民等[8]和郑清林等[9]对套筒灌浆系统中灌浆缺陷对其性能的影响进行了较系统的研究，并给出了不影响接头强度的灌浆缺陷范围，以及水平方向的缺陷对接头的承载力影响最大，中部缺陷的危害大于端部缺陷，而小于均布缺陷。还有一些专家学者研究了套筒灌浆连接系统的高低温状态下的力学性能及耐久性，与混凝土结构结合后的力学性能以及对套筒灌浆系统中灌浆缺陷的修补等。这些研究促进和完善了装配式建筑行业的健康良性发展，对指导装配式建筑设计、施工具有深远意义，但是还需要考虑套筒灌浆系统中灌浆材料的强度、膨胀率的大小，以及对套筒内壁、钢筋表面的黏结力、摩擦阻力等的影响，从而使钢筋间应力得以有效传递，使装配式结构整体性更好，接点连接更加可靠。有关这方面的研究几乎没有相关文献可查，仅有一些研究提到膨胀约束的概念，但没有量化指标。

在国内外专家学者的研究成果的基础上，结合李宪军等[10-11]的专利成果，提出装配式建筑接点套筒灌浆连接系统的套筒端部缩径，套筒灌浆材料提供塑性膨胀源和硬化过程中的限制膨胀源。同时通过调控灌浆料的限制膨胀率大小，来实现套筒灌浆系统的性能最优化，其中塑性膨胀源主要是尽可能降低施工过程中的灌浆缺陷，这也是发明者充分考虑到装配式建筑接点连接的重要性所进行的发明创造。该研究对提高套筒灌浆系统的安全性具有重要意义，也对套筒灌浆料提出了限制膨胀率可量化的具体要求，同时为装配式建筑接点连接系统提供了进一步深入研究的思路和方向。

本文通过不同缩小直径尺寸和不同端头缩径长度形成约束，进行了限制膨胀率对套筒灌浆连接系统极限荷载的试验研究。

1 试验方案

本研究思路的提出是在研究隧道带模注浆材料均质性过程中，偶然发现缩径限制了竖向膨胀，增加了横向膨胀应力，使缩径的玻璃瓶胀裂。采用灌浆套筒端部缩径和可调灌浆料限制膨胀率相结合，可以优化装配式建筑接点灌浆套筒连接系统的性能。该方案主要研究不同限制膨胀率对缩径套筒灌浆连接系统性能的影响。缩径玻璃瓶和扩径玻璃杯中放入微膨胀灌浆料硬化后的效果如图1所示。

图1 缩径玻璃瓶和扩径玻璃杯膨胀效果图

1.1 灌浆料配方设计方案

由于灌浆材料一般均具有一定的微膨胀或无收缩性能，在有约束的条件下，限制了灌浆材料体积膨胀，进而提高了其密实性，同时提高了与套筒内壁之间的摩擦阻力和对钢筋的握裹力。本灌浆料配方设计了5组，其中P·O42.5水泥(代号为C)，42.5级硫铝酸盐水泥(代号为S)，脱硫石膏(代号为G)，硅灰(代号为H)，氢氧化铝(代号为L)，塑性膨胀剂(代号为P)，聚羧酸高性能减水剂(代号为J)，硼砂(代号为N1)，葡萄糖酸钠(代号为N2)，粘度为40 000mPa.s，羟丙基甲基纤维素醚(代号为M)，触变润滑剂(代号为R)，非离子型消泡剂(代号为X)，粒径40～70目的石英砂(代号为砂)，水料比为0.13～0.15。参照《钢筋连接用套筒灌浆料》(JG/T 408—2019)[12]和《混凝土膨胀剂》(GB 23439—2017)[13](限制膨胀率试验方法参照附录A)标准进行检测。不同限制膨胀率灌浆料配方设计及主要性能如表1和表2所示。

不同限制膨胀率灌浆料配方设计 表1

不同限制膨胀率灌浆料配方设计的主要性能测试结果 表2

1.2 端头缩径式套筒灌浆连接系统的设计方案

在郑永峰等[2]、郭正兴等[6]开发的变形灌浆套筒以及套筒内部构造对系统性能影响的基础上，设计端头缩径式套筒灌浆连接系统(简称连接系统)。灌浆套筒两端均采用灌浆方式连接钢筋的接头，为全灌浆套筒；一端螺纹连接，一端灌浆连接的接头，称之为半灌浆套筒，具体如图2所示。

图2 全灌浆和半灌浆套筒设计图

为了简化研究过程和便于实际施工，本试验设计了9组缩径方案和1组0缩径对比，距端头30，50，70mm开始缩径，分别渐进式缩小直径2，3，4mm，然后采用第1.1节设计的5个不同限制膨胀率灌浆料配方进行试验。为了验证该连接系统在同等条件下灌浆料与套筒内壁之间的摩擦阻力以及与钢筋之间的握裹力能否达到预期效果，通过调整锚固长度，以钢筋拔出拉应力的大小进行判断，确定钢筋的锚固长度为4d和5d(d为钢筋直径)。全灌浆和半灌浆缩径套筒设计如图3所示。

图3 全灌浆和半灌浆套筒缩径设计简图

1.3 灌浆套筒及钢筋性能

灌浆套筒采用Q345规格型号为D45×4.0的低合金无缝钢管加工而成，缩径制作由机加工专业车间按照本研究方案制作而成。钢管外直径为45mm，内直径为37mm，在此基础上按照第1.2节的技术方案，加工成不同缩径尺寸的灌浆套筒；钢筋采用普通热轧带肋HBR400直径为20mm的钢筋。钢管和钢筋原材力学性能如表3所示。

钢管和钢筋原材力学性能 表3

1.4 试验方法

本试验参照《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(JGJ 355—2015)[14]、《钢筋连接用灌浆套筒》(JG/T 398—2012)[15]和《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》(GB/T 1499.2—2018)[16]等标准进行试验研究。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

根据第1.1节设计的5个不同限制膨胀率灌浆料配方，对第1.2节设计的不同端头缩径长度和不同缩径尺寸套筒性能影响进行研究。主要考察在不同缩径方案下，不同限制膨胀率的灌浆料对套筒灌浆连接系统抗拉强度的影响，以及灌浆料(微膨胀混凝土、压浆料)在有约束的状态下，其限制膨胀率(膨胀应力)为多大时，能使约束膨胀系统的综合性能最优。本试验设计的连接系统成型后，自然养护28d进行测试，具体试验方案对应的试验结果如表4所示。

2.2 不同缩径尺寸下限制膨胀率对连接系统极限荷载的影响

根据试验方案，首先分别研究端头缩径长度为30，50，70mm的条件下，缩小直径为2，3，4mm时，对应5组不同限制膨胀率的灌浆料，分别对锚固长度为4d，5d的连接系统的抗拉极限荷载试验进行研究分析，并与0缩径的灌浆套筒进行比较，具体分析对比如图4～6所示。

由表4和图4～6可以看出，端头缩径长度和缩小直径相同时，随着灌浆料限制膨胀率的增大，无论锚固长度为4d或5d，连接系统的抗拉极限荷载均呈现出先增大后减小的趋势。只有端头缩径长度为70mm、缩小直径为2，3mm且锚固长度为5d的试件的试验结果呈现出一直增大趋势。端头缩径长度相同时，随着直径尺寸的缩小，连接系统对不同限制膨胀率灌浆料的约束膨胀应力增加，表现出拔出钢筋极限荷载增大的趋势，这与本方案设计的预期效果相吻合。与0缩径试件相比较，端头缩径长度为30mm时，随着套筒端头内径的减小，对不同限制膨胀率的灌浆料而言，锚固长度为4d和5d的连接系统的极限荷载均呈现出增大的趋势。以下内容均为与0缩径试件相比较，端头缩径长度为30mm、缩小直径2mm时，锚固长度为4d和5d的连接系统的极限荷载增幅最大分别为61.8kN和29.7kN；缩小直径3mm时，锚固长度为4d和5d的连接系统的极限荷载增幅最大分别为76.6kN和47.0kN；缩小直径4mm时，锚固长度为4d和5d的连接系统的极限荷载增幅最大分别为78.8kN和48.4kN。端头缩径长度为50mm和70mm，其增长规律与30mm基本一致。端头缩径长度为50mm、缩小直径2mm时，锚固长度为4d和5d的连接系统的极限荷载增幅最大分别为72.7kN和39.5kN；缩小直径3mm时，锚固长度为4d和5d的连接系统的极限荷载增幅最大分别为85.8kN和51.8kN；缩小直径4mm时，锚固长度为4d和5d的连接系统的极限荷载增幅最大分别为86.8kN和58.2kN。端头缩径长度为70mm、缩小直径2mm时，锚固长度为4d和5d的连接系统的极限荷载增幅最大分别为74.6kN和49.4kN；缩小直径3mm时，锚固长度为4d和5d的连接系统的极限荷载增幅最大分别为89.1kN和63.7kN；缩小直径4mm时，锚固长度为4d和5d的连接系统的极限荷载增幅最大分别为91.9kN和69.4kN。当端头缩径长度为70mm时，缩小直径3～4mm范围内，锚固长度为5d的连接系统部分钢筋拉断，进一步说明该约束膨胀体系的优越性。同时缩小直径的尺寸也需要控制在一个合理的范围，在满足灌浆套筒体系标准要求和不影响施工的前提下，缩小直径的尺寸应不小于3mm。

不同缩径条件下灌浆料限制膨胀率对套筒灌浆连接系统抗拉强度的影响 表4

图4 端头缩径长度为30mm时锚固长度为4d和5d的连接系统极限荷载

图5 端头缩径长度为50mm时锚固长度为4d和5d的连接系统极限荷载

图6 端头缩径长度为70mm时锚固长度为4d和5d的连接系统极限荷载

2.3 不同端头缩径长度下限制膨胀率对灌浆套筒连接系统极限荷载的影响

在第2.2节的研究分析基础上，进一步研究缩小直径为2，3，4mm的条件下，端头缩径长度为30，50，70mm时，对应5组不同限制膨胀率的灌浆料，分别进行灌浆套筒锚固长度为4d和5d时的抗拉极限荷载试验进行研究分析，并与0缩径的灌浆套筒进行比较，具体分析对比如图7～9所示。

由表4和图7～9可以看出，端头缩径长度不同而缩小直径相同时，随着端头缩径长度的增大，不同限制膨胀率对应的锚固长度为4d和5d的连接系统极限荷载均呈现出逐步增大的趋势。这与预期设计试验方案也相契合，而且与郑永峰等[2]的研究成果“增加套筒环肋数量，增大环肋内壁凸起高度，可提高钢筋套筒灌浆连接的承载力”有一定的相关性。由于套筒内部构造的差异，与该研究得出的结论不尽相同，这主要是增加套筒环肋数量和内壁凸起高度是间断性的，而本试验采用的缩径方式是渐进式，缩径套筒的内部构造与文中提到的锥形灌浆套筒有一定相似性，这样的设计对硬化后灌浆料的整体性有协同保护作用。与0缩径试件相比较，缩小直径分别为2，3，4mm时，随着端头缩径长度增加，对应不同限制膨胀率的灌浆料而言，锚固长度为4d和5d的连接系统的极限荷载均呈现出增大的趋势。其中增幅最大的是端头缩径长度为70mm、缩小直径为4mm时，锚固长度为4d和5d的连接系统极限荷载增幅最大。但是灌浆料约束膨胀应力达到一定值时，其拔出钢筋的极限荷载有所降低，说明灌浆料的限制膨胀率有一个合理的范围。由试验结果分析可以得出，灌浆料的7d限制膨胀率应不大于0.048%，而且28d限制膨胀率要求降低得越小越好。从试验结果来看，端头缩径长度应该尽可能地加长，同时也要考虑加工的难易程度和成本控制，建议端头缩径长度应不小于50mm。

图7 缩小直径为2mm时锚固长度为4d和5d的连接系统极限荷载

图8 缩小直径为3mm时锚固长度为4d和5d的连接系统极限荷载

图9 缩小直径为4mm时锚固长度为4d和5d的连接系统极限荷载

2.4 综合分析

通过对比试验结果可知，端头缩径长度和缩径尺寸相同的情况下，灌浆料的限制膨胀率不同，其表现出套筒灌浆连接系统的极限荷载不同，端头缩径长度相对越长，对约束膨胀灌浆料的效果越好。这充分证明灌浆料的限制膨胀率不同，其对套筒壁的作用力大小差异较大。而随着灌浆料限制膨胀率的增大，套筒灌浆连接系统的极限荷载均呈现出先增大后减小的趋势，这是因为在缩径套筒约束状态下，当限制膨胀率达到一定值时，灌浆料本身的强度不足以抵抗膨胀产生的应力，导致其自身体系发生破坏或弱化，表现为拔出钢筋的极限荷载有所降低。这也是该研究对约束膨胀构件或部件的设计、施工等提出的新思路，可以把结构与材料的性能有机结合起来，以保证合理使用材料和结构安全。

3 后续研究思路及拓展应用

装配式混凝土结构中，钢筋套筒灌浆料以竖向膨胀为主，灌浆料与套筒筒壁之间的摩擦阻力较小。如何约束竖向膨胀应力，提高套内壁与灌浆料之间的横向膨胀应力，并调控至合理范围，是装配式混凝土结构钢筋套筒灌浆连接系统需要解决的问题之一。而钢管混凝土体系、后张法预应力桥梁的注浆料，也存在类似的问题。李宪军等[17]公开的一种约束竖向膨胀应力的钢管专利，正是利用端头缩径钢管约束混凝土的竖向膨胀应力，提高钢管混凝土的整体受力性能。本研究提出套筒灌浆连接系统后续研究思路及拓展应用如下：

(1)在有约束的条件下，灌浆料膨胀应力的大小，对系统有较明显的改善作用。后续需要从套筒设计和灌浆料性能进行深入综合研究，研发出性能更好、成本更低、施工更便捷的灌浆套筒系统。

(2)通过约束与膨胀应力调控后的灌浆套筒系统，还需要进一步研究荷载-位移、量化膨胀应力、抗剪性能以及构件实体测试等大量工作。该技术可应用于钢管混凝土、预应力桥梁和各种可创造约束锚固体系中。

4 结论

(1)在不同限制膨胀率灌浆料研发的基础上，通过不同端头缩径长度和缩小直径尺寸的约束条件，可以得出灌浆料的7d限制膨胀率应不大于0.048%，端头缩径长度应不小于50mm，缩小直径尺寸应不小于3mm时，极大地提高了套筒灌浆连接系统的极限荷载。

(2)灌浆套筒端头缩径长度与缩小直径尺寸合理匹配形成约束体系，通过灌浆料限制膨胀率的调控技术，可以实现装配式建筑套筒灌浆接点连接系统性能最优化。可量化的约束膨胀体系为新设计、新工艺、新组合构件或部件提供了新的思路。