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。目前我国装配整体式混凝土结构竖向连接以钢筋套筒灌浆连接为主。通常预制构件纵筋在同一连接区段内采用100%连接, 并且竖向承重构件连接区域一般位于箍筋加密区, 这对接头连接质量提出了更高要求。由于钢筋套筒灌浆连接构造复杂, 又属隐蔽工程, 灌浆质量控制难度较大。

　　 德国、日本等发达国家主要依靠工人系统培训、合理工法和有效管理来保证灌浆的密实性。国内由于发展时间较短、工厂制作精度有待改善、现场人员培训不足、监管缺位等原因, 套筒灌浆不密实现象时有发生, 主要表现在以下几个方面:1) 构件生产或安装过程套筒中落入堵塞物, 导致套筒出浆口不出浆或阻断浆体的连续性;2) 灌浆结束前持压不充分、灌浆口封堵不及时或者连通腔漏浆, 导致套筒内浆体回流;3) 由于构件生产或现场安装偏差导致下段钢筋无法就位, 个别存在下段钢筋被割短或割断现象。以上问题可知在套筒内形成的缺陷都可归结为减少了钢筋的有效锚固长度, 而锚固长度不足, 钢筋套筒灌浆连接接头强度就可能达不到要求, 存在安全隐患。

　　 国外对钢筋套筒灌浆连接的受力机理研究较多, Kim^[1]通过单向拉伸试验和循环加载试验对套筒约束作用进行了研究;Ling等^[2]通过单向拉伸试验对钢筋和灌浆料之间的粘结性能进行了研究;Henin等^[3]通过单向拉伸试验和数值模拟对钢筋套筒灌浆连接的承载力以及灌浆料与套筒间的摩擦系数进行了研究。国内研究主要集中在连接的施工工艺、质量控制以及套筒产品连接接头的性能检验等方面, 秦珩等^[4]对影响钢筋套筒灌浆连接质量的关键因素进行了研究;吴小宝等^[5]研究了灌浆料龄期和钢筋种类对接头受力性能的影响;王东辉等^[6]研究了套筒和钢筋直径大小对接头受力性能的影响;郑永峰^[7]提出了一种新型变形灌浆套筒 (GDPS套筒) , 并对其受力性能进行了研究。

　　 综上可见, 国内外对套筒灌浆缺陷的检测技术以及缺陷对接头强度的影响等研究较少。本课题组前期针对套筒灌浆质量的检测技术开展了大量研究, 形成了套筒灌浆饱满度和内部灌浆缺陷的检测方法^[8,9]。在此基础上, 本文针对工程上常用的不同型号套筒, 研究了不同大小灌浆缺陷对接头强度的影响程度, 以便为套筒灌浆质量检测评估和后续整治提供依据。

　　 (1) 钢筋。试验采用HRB400E抗震钢筋, 包括14, 20, 25mm三种直径, 实测钢筋力学性能参数如表1所示, 单向拉伸破坏形态如图1所示。

　　 (2) 灌浆套筒。试验采用全灌浆套筒, 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》 (JG/T 398—2012) ^[10]要求, 尺寸如表2所示。本次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 (8d) 。

　　 (3) 灌浆料。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0.13, 初始流动度为335mm, 30min流动度为290mm;标准养护条件下, 1d抗压强度为38.5MPa, 3d抗压强度为72.0MPa, 28d抗压强度为123.8MPa, 满足现行行业标准《钢筋连接用套筒灌浆料》 (JG/T 408—2013) ^[11]要求。

　　 灌浆缺陷设计如图2所示, 其中, 图2 (a) 为无缺陷状态, 图2 (b) 表示缺陷位于套筒内下段钢筋的底部。用套在钢筋上的橡皮塞模拟缺陷, 通过设置不同长度的橡皮塞可精确产生一系列不同大小的缺陷。橡皮塞的壁厚小于钢筋和套筒内壁的间隙, 当橡皮塞高度超过套筒灌浆口高度时, 可以确保灌浆时浆体能够从间隙中流过。

　　 灌浆套筒内部缺陷可分为以下几种:堵塞物导致在套筒内下段钢筋锚固段底部形成缺陷;浆体回流导致在套筒内上段钢筋锚固段顶部形成缺陷;下段钢筋割短或割断导致在套筒内下段钢筋锚固段顶部或全长度范围形成缺陷。套筒顶部有定位横隔板, 在套筒内上段钢筋锚固段顶部或套筒内其他部位精确设置不同大小的缺陷比较困难, 本研究主要选择在套筒内下段钢筋锚固段底部设置缺陷。灌浆缺陷设置参数如表3所示。

　　 试件成型步骤如下:1) 固定下段钢筋并设置位于下段钢筋锚固底部的缺陷;2) 安装套筒并固定上段钢筋, 在套筒出浆口插入透明塑料管, 塑料管端头高度高于套筒顶端, 以确保出浆口灌浆饱满密实;3) 进行灌浆操作, 一人持灌浆机灌浆管灌浆, 另一人负责用橡胶塞封堵灌浆口, 要求在拔出灌浆管的同时封堵灌浆口;4) 灌浆3d后拆除固定支架, 然后自然养护到28d进行试验。具体接头试件的成型过程见图3。

　　 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) ^[12]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。

　　 主要试验结果如表4所示。现行行业标准《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》 (JGJ 355—2015) ^[12]对钢筋套筒灌浆连接的强度做了如下规定: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 (本研究所用钢筋屈服强度标准值为400MPa^[13]) ;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 (本研究所用钢筋抗拉强度标准值为540MPa^[13]) , 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 (相当于本研究所用钢筋抗拉强度达到其标准值540MPa的1.15倍, 即621MPa) 而未发生破坏时, 应判为抗拉强度合格, 可停止试验。

　　 基于以上规定, 由表4可见, 当缺陷位于套筒内下段钢筋锚固段底部时, 对于GTZQ4-14接头, 当缺陷长度占钢筋锚固长度 (8d) 的40%时 (缺陷长度为44.8mm, 钢筋实际锚固长度仅为4.8d, 缺陷长度占套筒有效长度的17.2%) , 接头的屈服强度和抗拉强度仍满足标准要求。对于GTZQ4-20接头, 当缺陷长度占钢筋锚固长度 (8d) 的30%时 (缺陷长度为48mm, 钢筋实际锚固长度仅为5.6d, 缺陷长度占套筒有效长度的13.7%) , 接头的屈服强度和抗拉强度仍满足标准要求;当缺陷长度占钢筋锚固长度 (8d) 的40%时, 3个接头中有一个接头外钢筋未断, 此时接头屈服强度满足要求, 但抗拉强度为588.8MPa, 小于621MPa (连接钢筋抗拉强度标准值的1.15倍) , 因此, 判定该组接头抗拉强度不合格。对于GTZQ4-25接头, 当缺陷长度占钢筋锚固长度 (8d) 的30%时 (缺陷长度为60mm, 钢筋实际锚固长度仅为5.6d, 缺陷长度占套筒有效长度的13.6%) , 接头的屈服强度和抗拉强度仍满足标准要求;当缺陷长度占钢筋锚固长度 (8d) 的40%时, 3个接头外钢筋均未断, 此时, 接头屈服强度均满足要求, 但抗拉强度均小于621MPa (连接钢筋抗拉强度标准值的1.15倍) , 因此, 判定该组接头抗拉强度不合格。

　　 另外, 需要特别说明的是, 由表4可见, GTZQ4-20接头钢筋的屈服强度和抗拉强度均满足现行国家标准《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》 (GB 1499.2—2007) ^[13]的要求, 但低于表4中另外两种钢筋的强度指标和表1中相应母材的强度指标, 而GTZQ4-20接头钢筋的实测内径公称尺寸偏差均符合现行国家标准《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》 (GB 1499.2—2007) ^[13]的规定, 结果说明这批钢筋在材性上存在差异, 导致钢筋的超强系数不稳定。材性的差异往往与化学组成、热处理工艺等因素有关, 这些因素对钢筋表面的锚固性能也会产生影响, 从而会影响钢筋套筒灌浆连接的破坏模式。以上情况在实际工程中是可能存在的。

　　 各组试件破坏形态如图4所示。当缺陷位于套筒内下段钢筋锚固段底部时, 所有接头外钢筋未断接头的抗拉强度均超过抗拉强度标准值540MPa, 但均未超过抗拉强度标准值的1.15倍 (621MPa) 。其中, GTZQ4-20第A7组第3个接头, 以及GTZQ4-25第A7组第1和第3个接头, 在破坏时由于钢筋与灌浆料之间瞬间剥离并发出如同钢筋拉断的巨大声响, 但其钢筋滑移并不明显。选择GTZQ4-20第A7组第3个接头和GTZQ4-25第A7组第1个接头进行破型, 发现套筒内部上下段钢筋均未断, 如图5所示。但GTZQ4-25第A7组第2个接头在破坏时并无巨大声响, 而是下段钢筋发生了刮犁式拔出, 见图6。

　　 (1) 当灌浆缺陷长度较小时, 发生接头外钢筋拉断破坏;随着灌浆缺陷长度增加, 破坏模式将发生改变, 可能发生钢筋和灌浆料之间的剥离破坏, 也可能发生钢筋刮犁式拔出破坏。

　　 (2) 对于GTZQ4-14接头, 当缺陷长度不超过套筒内下段钢筋锚固长度 (8d) 的40%时, 接头对中单向拉伸强度仍满足要求;对于GTZQ4-20接头, 当缺陷长度不超过套筒内下段钢筋锚固长度 (8d) 的30%时, 接头对中单向拉伸强度仍满足要求;对于GTZQ4-25接头, 当缺陷长度不超过套筒内下段钢筋锚固长度 (8d) 的30%时, 接头对中单向拉伸强度仍满足要求。

　　 (3) 对于常用型号灌浆套筒, 当套筒端头灌浆缺陷长度不超过套筒内一侧钢筋锚固长度 (8d) 的30%时, 其接头的对中单向拉伸强度仍符合要求。后续还需进行不同缺陷长度灌浆套筒的高应力反复拉压、大变形反复拉压试验研究, 为套筒灌浆质量检测评估和后续整治提供技术支撑。