高温后钢筋套筒灌浆连接反复拉压受力性能试验研究

顾 盛，刘 佳，舒 斌，张国柱，张 军

（1.昆山市建设工程质量检测中心，江苏 昆山 215337；2.建研院检测中心有限公司，北京 100013；3.苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215011）

0 引言

建筑火灾产生的高温会使材料性能发生劣化［1］，高温后的建筑结构及构件安全性也会因此受到影响，整体性能变差［2］。作为一种在预制装配式混凝土结构中广泛使用的钢筋连接方式，钢筋套筒灌浆连接在高温后的性能会严重影响预制装配式建筑的整体性能［3，4］，因此，钢筋套筒灌浆连接在高温下及高温后的力学性能需得到广泛关注。近年来，国内外学者对装配式结构钢筋连接节点在高温下及高温后的性能展开了系列研究［5-7］，但仍有很多不足。本文通过对不同钢筋直径、不同温度作用后的套筒灌浆连接的受力性能展开研究，计算得出反复拉压作用下试件的极限荷载、钢筋与灌浆料之间的极限粘结强度，综合分析钢筋直径、温度对套筒灌浆连接试件破坏模式、极限承载力、钢筋与灌浆料之间粘结强度影响的规律。本文研究成果可为类似高温后预制装配式结构节点的性能研究提供参考。

1 试验准备

1.1 试件设计及制作

本试验中，试件所用钢筋均为热轧带肋钢筋，强度等级为 HRB400，直径分为 16、20、25 mm 3 种。钢筋的长度根据升温时高温炉上下两个夹具之间的距离来定，高温试验炉上下两夹具之间的距离为 960 mm，因此钢筋套筒灌浆连接中每一段钢筋的长度为 480 mm。试件所采用的全灌浆套筒为某公司生产的优质碳素结构钢套筒，根据所插入钢筋的直径（16、20 和 25 mm），该套筒分为 3 种型号。灌浆料为北京中德新亚建筑技术有限公司的 CGM 钢筋连接用套筒灌浆料。

试件按照 JGJ 355-2015［8］《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》进行加工制作，如图1 所示，试件设计如表1 所示。试验中，考虑每种型号试件在 6 个不同温度点（20、200、300、400、500、600 ℃）下的受力性能，共加工试件 18 个。

图1 钢筋套筒灌浆连接试件示意图

表1 试件列表

1.2 升温装置及升降温制度

升温试验采用数控高温试验炉进行试验，最高可加热至 1 000 ℃，该高温炉与万能试验机组成一体，万能试验机在此主要起到固定试件的作用，加热时只固定试件上部，下部放松呈悬空状态，以防止其在升温时产生温度应力，高温试验炉如图2 所示。

图2 高温试验炉

高温试验炉上中下 3 处均装有热电偶，实时测量高温炉加热时炉膛上中下 3 处的温度。升温时为使套筒灌浆试件内外部都能达到预定温度，在升至预定温度后，需恒温一定时间。升温时以 10 ℃/min 的速率均匀升温，升温至预定温度后恒温1 h，认为试件内外部均已达到预定温度，然后关闭并打开高温试验炉，待试件冷却至室温后取下，升温曲线如图3 所示。升温试验在 2020 年 11 月进行，室内温度约为 15 ℃。

图3 升温曲线

1.3 升降温过程

升温及恒温过程中，炉内不时传出灌浆料受热膨胀后受到外部套筒约束而崩裂的“嘭嘭”声，出现时试件所处温度较为随机，冷却后用红笔描出裂纹，如图4 所示。升温至 500 ℃ 时，炉内传出套筒与钢筋受热发出的刺激性气味。加热完毕撤去保温岩棉后，试件夹具表面可见灌浆料加热过程出析出的水滴。

图4 高温后灌浆料

加热完毕后打开炉门，试件自然冷却至常温。3 种尺寸试件均呈现出与常温时不同的表面特征。如图5 所示，随着温度的升高，套筒颜色变暗，呈现类似铁锈的红褐色，且表面有略微的起皮。

图5 套筒表面变色、起皮

2 反复拉压试验

循环加载试验采用高应力反复拉压方式，使用微机控制电液伺服万能试验机 SHT5106-P（立柱，活塞均加高 500 mm）进行加载，加载时，试件上部为灌浆端，该端随试验机夹具移动，下部为出浆端，该端固定，循环荷载试验加载装置如图6 所示，试验中试验机自带的力传感器与位移传感器也均能满足试验精度要求，所测位移值为上下两端夹头之间的分离位移。加载制度见式（1）：

图6 循环加载试验装置图

式中：fyk为钢筋屈服强度标准值。

试验中的力与位移数值均由仪器自带的传感器测得，并传输到计算机。

3 试验结果分析

3.1 破坏过程及模式

高应力反复拉压试验加载过程中，大部分试件在钢筋断裂或钢筋与灌浆料滑移之前没有明显的变化，个别试件在荷载第一次上升到循环荷载峰值并下降时伴有一声清脆的响声。

3.1.1 D16试件组

D16-T20、D16-T200、D16-T300、D16-T400、D16-T500 试件最终破坏模式为钢筋断裂。D16-T20 试件破坏后浆端出现了较为清晰的径向裂纹，从灌浆端部分灌浆料脱落后，清晰可见灌浆料中白色颗粒状物质，此为常温下灌浆料内部真实形态，如图7（a）所示。D16-T200、D16-T300 试件出浆端灌浆料不再呈现完整裂纹，温度越高，被震落的灌浆料则越多，如图7（b）、（c）所示。D16-T400 试件在最后被拉断的瞬间，先前循环时所出现的灌浆料裂纹突然崩裂，出浆端钢制垫片在被取下后，其内部灌浆料碎块呈小石块状，如图7（d）所示。D16-T500 试件灌浆料也有一条深度较深的裂纹，其靠近钢筋表面处灌浆料的破坏面开始呈现出锥形，出浆端灌浆料靠近端口部分已与套筒壁脱离，如图7（e）所示。

图7 D16 试件组破坏形态

D16-T600 试件最终破坏模式为钢筋与灌浆料的粘结滑移破坏。灌浆料呈块状脱离，内部呈锥形，在钢筋与灌浆料滑移的过程中有两者摩擦的声音，试件滑移端的钢筋横肋间附有较多一触即落的白色粉末状灌浆料，如图7（f）所示。

3.1.2 D 20 试件组

试件 D20-T20、D20-T200、D20-T300 最终破坏模式为钢筋断裂。由图8（a）～（c）可知，随着温度升高，试件的灌浆端灌浆料破坏面由浅至深，锥形破坏面越来越明显，灌浆料破坏表面与钢筋贴合处空隙越来越大。

试件 D20-T400、D20-T500、D20-T600 的破坏模式为钢筋与灌浆料之间的粘结滑移破坏，充分说明受高温作用使得试件钢筋与灌浆料之间的粘结性能有一定的劣化。如图8（d）～（f）所示，D20-T400 试件非滑移端有一灌浆料盖面在最后拉伸作用下被拉出，保存较为完整。滑移端钢制垫片并未掉落，钢筋纵横肋间残留少量灌浆料粉末，滑移时大部分灌浆料仍呈块状。较高温度作用后灌浆料在反复荷载作用下变得更加松散。试件 D20-T500 破坏时套筒端部的灌浆料呈块状脱落；试件 D20-T600 灌浆料性能劣化相当严重，灌浆料除发生块状脱落外还发生片状脱落，钢筋纵横肋间残留大量灌浆料粉。

图8 D20 试件组破坏形态

3.1.3 D25 试件组

试件 D25-T20 最终破坏模式为钢筋断裂，与较小钢筋直径试件相比，破坏时其出浆端灌浆料裂纹更宽大，如图9（a）所示。试件 D25-T200 在钢筋屈服阶段发生了夹具与钢筋之间的滑移，如图9（b）所示。试件D25-T300 与 D25-T400 发生了套筒外钢筋拉断破坏，如图9（c）～（d）所示。试件 D25-T500、D25-T600 的破坏模式为钢筋与灌浆料之间的粘结滑移破坏，且破坏后后者的灌浆料更细碎，如图9（e）～（f）所示。

图9 D25 试件组破坏形态

3.2 承载力与极限粘结强度

3 种尺寸试件在反复拉压作用下的极限承载力及钢筋与灌浆料间的极限粘结强度等如表2 所示。

由表2 可知，钢筋的直径越大，破坏时的极限荷载越大，钢筋与灌浆料间的极限粘结强度越大。3 种试件的极限承载力在温度低于 400 ℃ 时变化不大，温度达到 500 ℃ 时呈现下降趋势；而钢筋与灌浆料间的粘结强度受温度影响的作用更明显，在温度达到 400 ℃ 时，3 种试件的极限粘结强度便呈现下降趋势。

表2 3 种试件的承载力与极限粘结强度

4 结论

本文针对高温后的钢筋套筒灌浆连接试件，在不同直径、不同温度作用下进行了高应力反复拉压试验，比较分析了不同钢筋直径、不同温度点对套筒灌浆连接试件承载力、破坏模式的影响，主要结论如下。

1）试件呈现两种破坏模式。套筒外钢筋拉断破坏和钢筋与灌浆料粘结滑移破坏，试件的破坏模式随着温度的升高逐渐由套筒外钢筋拉断破坏变为钢筋与灌浆料之间的粘结滑移破坏，但不同直径试件破坏模式发生改变的临界温度并不相同。

2）试件极限承载力随温度的升高略有降低，当温度高于 500 ℃ 时较明显。

3）钢筋与灌浆料之间的极限粘结强度随温度升高呈下降趋势，当极限粘结强度小于钢筋抗拉强度时，试件会发生粘结滑移破坏。Q