根据住房和城乡建设部的统计, 2015年全国新建装配式建筑面积为7 260万m², 2016年为1.14亿m², 2017年1~10月为1.27亿m², 大部分为装配整体式混凝土建筑。装配整体式混凝土结构竖向预制构件 (剪力墙或框架柱) 绝大多数都采用钢筋套筒灌浆连接, 且关键受力部位纵筋往往100%采用套筒灌浆连接。连接是装配整体式混凝土结构的关键, 是装配整体式混凝土结构整体性能等同于现浇的重要保证, 因此, 钢筋套筒灌浆连接质量至关重要。由于钢筋套筒灌浆连接构造复杂, 又属隐蔽工程, 灌浆质量实际控制难度较大。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质量。国内由于发展时间短且发展速度快、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, 灌浆质量存在不少问题, 业界对此十分关注。文献调研表明, 目前关于钢筋套筒灌浆连接的研究涵盖了黏结锚固机理^[1,2,3]、接头受力性能^{[4,5,6,7,8,9]}、构件制作与现场施工工艺^{[10,11,12,13]}及质量控制要点^[14,15]等方面, 但针对钢筋套筒灌浆连接存在问题及其解决方法的研究较少。

为深入了解实际情况, 课题组在装配整体式混凝土建筑发展较快的上海、江苏、安徽等地区调研了21家构件厂和18个实际工程, 基于实地调研总结出套筒灌浆存在的突出问题。

存在的问题:灌浆时使用劣质灌浆料或过期灌浆料、回收利用超过初凝时间的灌浆料、误用坐浆料或水泥砂浆等。由于灌浆设备老化导致动力不足或为了提高灌浆速度, 随意增大水灰比。行业标准JG/T408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》^[16]对套筒灌浆料抗压强度做出了明确规定:标准养护条件下, 1d抗压强度≥35MPa, 3d抗压强度≥60MPa, 28d抗压强度≥85MPa。灌浆料质量不合格或者水灰比过大, 都可能导致灌浆料强度达不到标准要求。

解决策略:采用质量合格的灌浆料, 并严格按照说明书提供的水灰比配制灌浆料拌合物;灌浆时按要求留置伴随试件并按期检测抗压强度。严禁用坐浆料或水泥砂浆代替灌浆料。定期维修灌浆设备确保动力适中。建立工地灌浆料进库登记备查制度, 确保每个工地使用与套筒数量相配套的灌浆料总量。

存在的问题:对于套筒内上、下2段对接的钢筋, 行业标准JGJ355—2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》^[17]规定, 全灌浆套筒上、下2段钢筋在套筒内的锚固长度都不应小于各自直径的8倍。上段钢筋在构件厂施工, 一般问题不大;下段钢筋需要在施工现场插入套筒内, 有时由于构件生产或现场安装偏差过大导致下段钢筋无法就位 (见图1a) , 个别存在下段钢筋被割断现象 (见图1b) 。另外, 还存在由于钢筋未采取保护措施, 现场现浇作业时砂浆溅到钢筋上, 导致有些钢筋表面包裹了1层砂浆 (见图1c、图1d) , 而工程用混凝土强度等级一般在C40及以下, 强度远低于灌浆料强度, 相当于在钢筋和灌浆料之间增加了1个薄弱层, 会影响钢筋锚固强度。

解决策略:合理使用预留钢筋定位板 (见图2) ^[11], 提高构件生产或现场安装精度, 必要时采取合理的钢筋纠偏措施, 严禁现场截断钢筋。为现场外露待插入套筒的钢筋设置防护措施, 可采用循环使用的保护套, 防止砂浆溅射到表面形成锚固薄弱层;未采取防护措施的, 如有砂浆溅射到钢筋表面, 在构件吊装前应采用钢丝刷对钢筋表面进行有效清理。研发大间距大直径钢筋连接、大间距高强钢筋连接、螺旋筋集中约束搭接连接等新型连接形式, 增加钢筋间距、减少钢筋数量或采用大孔道集束连接, 提升钢筋连接的便利性和可施工性。

存在的问题:构件生产或安装过程中套筒内落入堵塞物或者套筒底部附近连通腔堵塞, 连通腔灌浆时套筒出浆口均可能不出浆。出现这些情况一般均对不出浆套筒进行单独灌浆。如果属套筒底部附近连通腔堵塞, 单独灌浆是可行的;但如属套筒中落入堵塞物, 则单独灌浆时套筒出浆口仍可能不出浆, 这时现场工人常从出浆口倒灌一下, 由于没有排气孔倒灌效果不好, 且由于出浆口处被封堵将影响后期的整治。另外, 连通腔灌浆时, 某一分仓尚未灌满时恰逢灌浆机料斗中浆体用完, 此时如灌浆料搅拌不及时, 待套筒中浆体有所凝固时再灌浆也会导致套筒出浆口不出浆, 这种情况在夏季天气炎热时更易发生。

解决策略:构件出厂检查和进场验收时, 检查套筒内部是否有堵塞, 如发现堵塞及时清除。构件吊装就位前仔细检查连通腔位置是否有杂物, 连通腔周边封堵前再次检查连通腔内是否有杂物。正式灌浆前借助空压机全数通气检查 (目前工程中也有采用灌水法进行检查的, 对于设置坐浆层的单独套筒灌浆方式是可行的;而对于连通腔灌浆方式, 灌水法会导致大量水留存在连通腔中稀释灌浆料, 导致灌浆料强度下降) , 最后确认套筒内部是否存在堵塞, 这时如堵塞特别是当堵塞物卡在钢筋和套筒内壁之间时, 可伸入可弯折铁丝进行疏通, 但操作难度较大。灌浆机灌浆和灌浆料搅拌应同步进行, 灌浆机料斗中的灌浆料接近用完时应及时添加搅拌好的灌浆料, 确保灌浆的连续性。

存在的问题:连通腔灌浆结束前, 如果灌浆设备拔出前持压不充分, 浆体未填充各类微小缝隙, 则灌浆结束后浆体继续流动填充缝隙将导致出浆口浆体回流;各套筒出浆口回流与缝隙分布有关, 具有随机性。连通腔灌浆结束, 灌浆设备从灌浆口拔出, 如果封堵灌浆口不及时导致漏浆较多, 也会导致套筒内浆体回流, 这种情况下往往是连通腔灌浆口位置的套筒回流最为严重。当套筒单独灌浆时, 由于封堵灌浆口不及时造成的浆体回流现象更为普遍。

实际工程中普遍采用连通腔灌浆方式, 从一个套筒灌浆口灌浆, 浆体首先流入连通腔, 然后再依次向上流入各套筒, 如果连通腔密封不严, 特别是有机电类管道穿过的地方 (见图3a、图3b) 密封十分困难, 易出现连通腔漏浆, 从而引起套筒内浆体回流。工程中出现漏浆 (见图3c、图3d) 后, 常采用干粉状灌浆料、纸片或灌浆料包装袋等进行临时封堵, 由于灌浆料拌合物凝固速度很快, 这些临时措施有时也能奏效。当漏浆发生在内墙或外墙的内侧时, 补救措施相对容易;但当漏浆发生在外墙外侧 (见图3e、图3f) 时, 处理难度很大。对于预制夹心保温墙体, 内叶墙底部的水平接缝与外叶墙底部的防水孔腔通过保温层底部的弹性防水密封材料进行隔离, 如果密封材料封堵不严, 高低不平的保温层表面难以密封, 内叶墙底部水平接缝灌浆后浆体便容易流向外叶墙底部的防水孔腔, 从而造成套筒内浆体回流及防水孔腔堵塞, 这对预制夹心保温墙体的钢筋套筒灌浆连接性能和构造防水都会产生明显不利影响。

解决策略:连通腔灌浆结束前, 当其他所有套筒都已经出浆并封堵后再多持压至少15s;在有条件时可采用调压灌浆设备, 先进行高压灌浆再低压持压一定时间;或者采用具有可调流量、自动保压、实时监测流量与压力等功能的新型智能灌浆设备^[13]。灌浆设备拔出时, 灌浆人员和封堵人员密切配合, 努力做到灌浆设备拔出的同时进行封堵, 尽量减少灌浆口漏浆。采用专用连通腔密封材料, 严禁使用普通砂浆, 并确保密封材料养护到合适龄期后再进行灌浆 (已发现有些工程过早开始灌浆, 灌浆压力作用下导致密封材料开裂、漏浆严重) , 现浇与预制结合处、机电管道穿过处应加强密封处理措施;为确保外墙外侧灌浆时接缝不漏浆, 可将连通腔基层外侧边缘找平, 吊装时将橡塑棉用水泥钉钉到基层上, 并确保橡塑棉平直^[12]。目前竖向构件套筒出浆口外接PVC管多为水平伸出墙面, 可适当向上倾斜使出口高度高于套筒出浆口, 这样PVC管中可备有部分浆体供回流 (见图4a) ;或者采用弯曲型出浆管 (见图4b) , 灌浆结束后出浆管中存有较多浆体, 可有效补给套筒中浆体的回流;或者除了套筒外, 再在墙体内设置1根与连通腔相连的排气管, 排气管的高度高于所有套筒出浆口, 当排气管出浆口出浆时, 里面的浆体也可有效补给套筒中浆体的回流。目前, 设置排气管已在预制柱中广泛采用 (见图4c、图4d) , 在预制剪力墙中采用还未见报道。对于预制夹心保温墙体内叶墙底部的水平接缝与外叶墙底部的防水孔腔之间的密封, 要特别处理好下部墙体顶部保温层破损的地方, 应先做好修补、找平, 保持保温层顶面高度一致, 再放置密封材料密封。

GB/T51231—2016《装配式混凝土建筑技术标准》^[18]、JGJ1—2014《装配式混凝土结构技术规程》^[19]和JGJ355—2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》^[17]均要求套筒灌浆应饱满密实。出现如上所述的套筒出浆口不出浆、套筒出浆口浆体回流等问题时, 都可能导致套筒灌浆不饱满。因此, 在监管体系尚不健全、操作工人培训尚不到位、设计建造工艺仍不完善的当下, 应对套筒灌浆进行必要的检测, 通过检测来促进并保证灌浆质量。在前期大量试验研究的基础上, 提出了两种适用的套筒灌浆饱满度检测方法:预埋钢丝拉拔法和预埋传感器法^[20]。

1) 预埋钢丝拉拔法即灌浆前在套筒出浆口预埋钢丝, 灌浆料凝固一定时间后对预埋钢丝进行拉拔, 通过拉拔荷载值判断灌浆饱满度的方法, 具体操作要求可参见文献[21]。

必要时, 预埋钢丝拉拔法检测结果可用内窥镜法进行校核, 即利用预埋钢丝拉拔后留下的孔道, 将内窥镜探头伸入套筒出浆口内部观测灌浆是否存在缺陷。内窥镜法校核试验如图5a所示, 校核结果如图5b~5d所示。由于预埋钢丝拉拔法是在浆体凝固后进行检测, 因此, 对于判断灌浆不饱满的套筒如何进行有效治理和修补有待专项研究。

2) 预埋传感器法即灌浆前在套筒出浆口预埋阻尼振动传感器, 灌浆过程中或灌浆结束5min后, 通过传感器数据采集系统获得的波形判断灌浆饱满度的方法, 具体操作要求可参见文献[22]。

对判断灌浆不饱满的套筒应立即进行补灌处理。对于单独套筒灌浆, 直接从不饱满套筒的灌浆口进行补灌;对于连通腔灌浆, 补灌宜优先从原连通腔灌浆口补灌, 从原连通腔灌浆口补灌效果不佳时, 可从不饱满套筒的灌浆口进行补灌。

1) 灌浆料、钢筋等原材料质量符合要求是评定套筒灌浆质量的先决条件, 如果灌浆料强度不合格, 或者钢筋被随意割断, 即使灌浆饱满密实, 钢筋套筒灌浆连接接头的性能也可能不满足要求。

2) 针对套筒灌浆存在的问题, 应由研发、设计、构件制作、安装施工、质量检测等产业链各环节联动解决。研发和设计应从源头上简化连接构造;构件制作和安装施工应保证精度, 确保操作工艺和质量控制措施有效;检测则是对研发、设计、构件制作、安装施工等各环节质量的验证。

3) 建议研发大间距大直径钢筋连接、大间距高强钢筋连接、螺旋筋集中约束搭接连接等新型连接形式, 增加钢筋间距、减少钢筋数量或采用大孔道集束连接, 提升灌浆套筒连接的便利性和可施工性。