装配式混凝土结构对缩短建设周期、提高工程质量、降低建造成本、促进节能减排、改善人居环境、转变建筑业生产方式等均有积极意义, 在我国具有非常广阔的应用前景。套筒灌浆连接是目前装配式混凝土结构中钢筋连接的主要方式之一, 是利用内部带有剪力槽的套筒和注入高强度无收缩灌浆料将受力钢筋进行连接, 该连接技术具有施工快捷、受力简单、附加应力小、适用范围广、易吸收施工误差等优点^[1,2]。从套筒灌浆连接原理可知, 灌浆料质量是影响接头连接性能的重要因素, 而灌浆料强度又是评价灌浆料质量的重要指标。现有灌浆料强度检验方法是针对试模制作的40mm×40mm×160mm标准试件^[3,4,5], 为了解工程实体灌浆质量, 迫切需要研发灌浆料实体强度检验方法。

　　 因灌浆套筒一般在构件生产时已预埋在混凝土中, 而灌浆料又充满在套筒内, 检测仪器均无法与套筒内灌浆料直接接触。可接触或者可取样的部位仅局限在灌浆口和出浆口处, 本文借鉴钻芯法检测混凝土强度的思路^[6], 提出采用小直径芯样法检测套筒灌浆料实体强度, 截取连接灌浆设备和套筒的硬质PVC管内的灌浆料, 再加工成高径比1∶1的小直径灌浆料芯样, 通过检验其抗压强度来评价套筒内灌浆料的实体强度, 小直径芯样试件获取情况见图1。

　　 因小直径芯样的形状和尺寸均不同于灌浆料标准试件, 为了能对灌浆料实体强度进行符合性判定, 需建立小直径芯样试件与标准试件的强度换算关系。因此, 本文考虑灌浆料的品牌、龄期、加水量和试件尺寸的影响, 通过制作不同强度的标准试件和小直径圆柱体试件进行强度试验, 研究灌浆料强度的影响因素以及小直径芯样法检测套筒灌浆料实体强度的换算关系, 为检测标准的制订提供基础数据和参考依据。

　　 为建立两种试件的强度换算关系, 需制作不同强度范围内的标准试件和小直径圆柱体试件。套筒灌浆料的强度与其配比、龄期、加水量有关, 故可通过采用不同设计强度、调整加水量和选择试验龄期三种方式, 制作出不同强度范围的标准试件 (40mm×40mm×160mm) 和小直径圆柱体试件 (直径18mm, 高径比1∶1) 。

　　 选取了四种品牌的灌浆料, 设计强度和加水量见表1。共制作11组小直径圆柱体试件和同批次标准试件, 每组试件包括35个小直径圆柱体试件和2组 (每组3个, 共6个) 同批次标准试件, 试件设计情况见表2。

　　 为能获得小直径圆柱体试件, 设计了如图2所示的试模。试模有35个尺寸相同的圆孔, 每个圆孔的内径和深度均为18mm。

　　 小直径圆柱体试件与标准试件不同, 其受压面是浇筑面, 为了减小由于浇筑面不平整对试验结果的影响, 在进行抗压强度试验前, 采用砂轮机对小直径圆柱体试件的浇筑面进行磨平处理, 试验时采用万向铰来消除端面与轴线倾斜的影响。每组试件均在标准养护条件下养护到试验龄期。

　　 标准试件依据《水泥胶砂强度检验方法 (ISO 法) 》 (GB/T 17671—1999) , 按照“先折后压”的次序进行抗压强度试验, 受压面为其成型面, 采用300kN电子式全自动压力试验机;小直径圆柱体试件在具有球铰的夹具下进行抗压强度试验, 采用100kN微机控制电子万能试验机, 如图3所示。

　　 试验加载制度均为从零到破坏的一次加载, 加载速率均为1.5MPa/s^[7,8]。试验前测量试件受压面尺寸, 试验破坏时记录试件最大荷载值和破坏形态。

　　 标准试件和小直径圆柱体试件在极限状态下均发生脆性破坏, 标准试件受压范围相当于边长为40mm的立方体, 破坏形态与立方体试件相似, 试件最终破坏形态为正反相接的四角锥体, 见图4 (a) 。

　　 小直径圆柱体试件的破坏形态与标准试件略有不同, 通过观察发现, 部分试件表面呈现较多的竖向裂纹, 试件外表面与内部发生剥离。对小直径圆柱体试件受压破坏形态进行分析, 可将其归纳为三种情况:正倒相接的圆锥体破坏形态、斜裂缝剪切破坏形态和局部压碎破坏形态, 如图4 (b) ～ (d) 所示。其中, 圆锥体破坏、斜裂缝剪切破坏形态属于轴心受压时的典型破坏形态。

　　 图5为小直径圆柱体试件在不同破坏形态下的抗压强度均值。由图5可见, 当试件发生圆锥体破坏时, 抗压强度均值最高;当发生局部压碎破坏时, 抗压强度均值最低, 只达到了圆锥体破坏时的60%左右。从破坏机理分析, 小直径圆柱体达到抗压极限承载力时应发生圆锥体破坏或斜裂缝剪切破坏, 发生局部压碎破坏的原因可能是试件偏心受压导致。因此, 在对小直径圆柱体试件抗压强度结果进行统计时, 建议去除发生局部压碎破坏形态的数值。

　　 套筒灌浆料属于水泥基材料, 其原材料一般包含有水泥、砂、减水剂、消泡剂和保水剂等, 产品标准《钢筋连接用套筒灌浆料》 (JG/T 408—2013) 仅对灌浆料抗压强度进行了限定。通过本次试验发现, 在设计加水量、标准养护28d条件下, 灌浆料标准试件抗压强度均满足不低于85MPa的规范要求, 但不同品牌灌浆料的抗折强度差异较大。四种品牌灌浆料抗压强度和抗折强度的统计结果见图6, 品牌C, D的抗折强度有3倍之差, 这可能与不同品牌灌浆料选取的原材料和设计配比有关。

　　 为研究灌浆料强度随龄期增长的趋势, 选取品牌D的灌浆料, 分别对其标准试件3d, 7d, 14d, 21d, 28d的抗压强度进行了统计分析。从图7可见, 标准试件3d抗压强度均值可达到28d抗压强度的75%, 14d之前灌浆料抗压强度增长较快, 后期强度增速减缓。灌浆料早期强度增长较快的特性有利于提高装配式混凝土结构的施工效率。

　　 每种配比的灌浆料都有设计加水量, 为了达到高强度, 灌浆料的设计加水量一般为12%左右, 只有加水量符合设计要求时, 灌浆料才能发挥最佳性能。按照规定搅拌程序, 在设计加水量下拌合物能拥有很好的和易性。在施工现场, 受施工条件限制和施工进度影响, 加水量有时得不到精确控制, 会出现加水量增加的情况。为验证加水量增加对灌浆料抗压强度的影响, 对按设计加水量和1.2倍设计加水量拌制的灌浆料试件进行了抗压强度试验, 试验结果见图8。

　　 由图可见, 相同龄期下, 加水量的增大会降低灌浆料的抗压强度, 不同品牌降低的幅度有差异;标准试件抗压强度均值最大降幅达到36%, 小直径圆柱体试件抗压强度均值最大降幅达到48%。

　　 灌浆料实体强度是保证钢筋套筒灌浆连接性能的关键因素, 灌浆料因未按设计加水量进行拌制而降低了强度, 进而影响套筒灌浆连接的性能指标, 对装配式结构连接节点的安全性造成隐患。

　　 在建立标准试件和小直径圆柱体试件的抗压强度换算关系之前, 先对灌浆料小直径圆柱体抗压强度进行统计分析。小直径圆柱体试件抗压强度的均值、方差和变异系数见表3。

　　 为得到小直径圆柱体试件的抗压强度概率分布函数, 对11组抗压强度结果进行了数理统计和概率分布拟合, 直方图及拟合结果见图9。为验证小直径圆柱体试件抗压强度是否服从正态分布, 利用χ²分布族的拟合检验对每组试验结果进行假设检验。取α=0.05, 其中原假设H₀:每组小直径圆柱体试件抗压强度概率分布服从正态分布。

　　 $\chi {}^2={\displaystyle \sum _{i=1}^k\frac{f{}_i{}^2}{n\stackrel{︿}{{\displaystyle p{}_i}}}}-n\sim \chi {}^2(k-r-1)(1)$

　　 式中:f_i为落在各强度区间范围内试验结果的个数;p_i为按照假定概率分布计算得到的概率估计值;n为样本总量;γ为参数估计的个数, 取2。

　　 该假设检验的拒绝域为χ²≥χ${}_{\alpha }^2$ (k-r-1) , 通过式 (1) 计算得到的假设检验结果见表4。从表4可知, 各组小直径圆柱体试件抗压强度值的χ²拟合检验结果均在拒绝域以外, 故在显著性水平0.05下接受H₀, 即小直径圆柱体试件的抗压强度结果服从正态分布。

　　 按照现行规范要求, 灌浆料强度合格判定是通过标准试件标养28d后的抗压强度试验结果进行评定, 故需将小直径圆柱体试件抗压强度转化为同条件下标准试件的抗压强度。与小直径圆柱体试件同批次的11组标准试件抗压强度统计结果见表5。同条件下, 标准试件抗压强度与小直径圆柱体试件抗压强度的散点图见图10。

　　 为得到两种试件抗压强度的换算关系, 分别利用线性、多项式、指数型和幂指数型四种函数进行数据拟合和回归分析, 拟合结果见表6。

　　 根据相关系数R²的统计意义, 当其值越接近1时表示拟合优度越好。从表6可见, 采用多项式拟合的拟合公式2可较好地反映小直径圆柱体试件抗压强度均值与标准试件抗压强度均值的换算关系。另外, 根据两种试件的抗压强度均值对应关系, 拟合曲线应经过坐标原点或接近原点。但拟合公式4的预测结果随着灌浆料平均强度的降低趋于平缓, 与原点有较大偏离, 故该公式在低强度换算时可能存在较大误差。

　　 通过现阶段试验数据的综合分析, 推荐使用拟合公式2作为两种试件的抗压强度换算关系。

　　 检验批强度推定的准确度与取样数量密切相关, 如果取样数量太少, 则结果离散性太大, 无法对灌浆料的实体强度进行准确推定。通过增大同批次灌浆料小直径芯样的取样数量可减小数据的离散性, 但如果取样数量过大, 在工程上实现的成本较高, 且在有些情况也较困难, 故需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小直径圆柱体试件抗压强度的均值μ、标准差S和变异系数, 计算结果见图11。由图11可见, 当样本容量大于15时, 抗压强度的均值、标准差和变异系数均趋于稳定, 因此, 对于同批次小直径芯样的取样数量建议不宜低于15个。

　　 (1) 在同条件下, 小直径圆柱体的抗压强度试验值较标准试件的抗压强度值低。小直径圆柱体试件抗压强度试验值还与其破坏形态有关, 在正倒相接的圆锥体破坏形态、斜裂缝剪切破坏形态和局部压碎破坏形态等三种受压破坏形态中, 圆锥体破坏时, 抗压强度均值最高;局部压碎破坏时, 抗压强度均值最低;发生局部压碎破坏的原因可能是试件偏心受压导致。因此, 在对小直径圆柱体试件抗压强度结果进行统计时, 建议去除发生局部压碎破坏形态的数值。

　　 (2) 在设计加水量、标准养护28d条件下, 灌浆料标准试件抗压强度均满足不低于85MPa的规范要求, 但不同品牌灌浆料的抗折强度差异较大。

　　 (3) 利用χ²分布族的拟合检验对小直径圆柱体试件抗压强度进行假设检验, 结果表明, 小直径圆柱体试件抗压强度值较好地服从正态分布。

　　 (4) 分别利用线性、多项式、指数型和幂指数型等进行数据拟合和回归分析, 结果表明, 采用二次多项式函数对小直径圆柱体试件强度与标准试件强度换算关系的拟合度最好。

　　 (5) 当样本容量大于15时, 小直径圆柱体试件抗压强度的均值、标准差和变异系数均趋于稳定, 因此, 对于同批次小直径芯样的取样数量建议不宜低于15个。