灌浆料的物理力学性能是影响钢筋套筒灌浆连接结构性能的关键因素之一。钢筋套筒灌浆连接通过钢筋、灌浆料、钢套筒的相互粘结将荷载从一端钢筋传递到另一端钢筋 ^[1]。为保证不同材料间的界面粘结性能,并满足装配式结构快速施工的要求 ^[2],灌浆料应具有高强、早强和微膨胀等基本特性。提高灌浆料强度可提高钢筋凸肋与灌浆料之间的机械咬合力,从而提高钢筋的粘结强度; 而灌浆料的膨胀率尤其是终凝后的膨胀率将影响套筒对灌浆料的初始约束,进而影响钢筋的粘结性能 ^[3]。

　　 近年来,随着装配式混凝土结构的推广应用,众多学者对钢筋套筒灌浆连接的结构性能进行了研究 ^[3,4,5,6],但针对套筒灌浆料物理力学性能的文献记载相对较少。为研究灌浆料对钢筋套筒灌浆连接结构性能的影响,并为钢筋套筒灌浆连接的施工控制提供依据,本文对多种不同配比的灌浆料的龄期强度、尺寸效应、体积稳定性进行了试验研究。

　　 试验研究共采用了9种灌浆料,G1～G6从市场上购买,G7～G9自行研制,均为常温型灌浆料。其中,G3为设备基础、结构加固及预应力等工程中应用的普通水泥基灌浆料,其余均为钢筋连接用套筒灌浆料。G4和G5的干混料配比相同,但水料比不同,分别为0.12和0.13。筛分分析发现,G2和G6配比基本相同,但G2主要采用金刚砂作为细骨料,G6则主要采用河砂作为细骨料。G7和G9为针对GDPS套筒 ^[1]灌浆连接设计的灌浆料,G9膨胀剂的掺量较G7增加了1倍,详细配比见表1。G8灌浆料配比同G7,但干混料在室内环境下(相对湿度50%～80%)储存了14个月,而保质期为6个月(干燥环境)。

　　 按GB/T 17671—1999 ^[7]及GB/T 50081—2002 ^[8]对灌浆料的龄期强度及尺寸效应进行试验研究。图1为40mm×40mm×160mm灌浆料试块抗折强度试验装置,图2为40mm×40mm×160mm灌浆料试块在抗折强度试验完成后用来进行抗压强度试验(试块尺寸为40mm×40mm×80mm),图3为70.7mm和100mm立方体试块抗压强度试验装置,图4为100mm立方体试块劈裂强度试验装置。

　　 灌浆料早期膨胀率试验采用GB/T 50448—2008 ^[9]及ASTMC940-98a ^[10]中推荐的非接触式测量法,通过激光发射接受系统及数据采集系统对灌浆料的早期膨胀率进行测量,采用边长100mm立方体混凝土试模,试验装置见图5; 灌浆料的长期体积稳定性试验采用投影万能测长仪测量,试块尺寸为40mm×40mm×160mm,如图6所示。

　　 主要试验结果见表2。套筒灌浆料G1,G2满足JGJ 355—2015 ^[11]规定的强度要求; 普通水泥基灌浆料G3的3d及28d抗压强度满足规范要求,但1d抗压强度不满足; 套筒灌浆料G4和G5的干混料配比相同,但水料比(α)分别为0.12和0.13,加水量的变化导致G5的1d抗压强度不满足规范要求,但G4灌浆料的30min流动度仅为210mm,流变性变差,不满足JGJ 355—2015 ^[11]规定的≥260mm的要求; 由于灌浆料G2主要采用金刚砂作为骨料,G6则主要采用河砂作为骨料,造成G6的抗压强度小于G2,尤其是1d抗压强度降低明显,不满足规范1d强度要求。

　　 G8和G7相比,1d和3d抗压强度分别平均降低了21.2%和14.7%,主要原因为灌浆料储存时间过长,干混料受潮导致含水量发生变化,造成强度降低,因此灌浆料应在保质期内使用,并且开封后应尽快使用,避免受潮。G9和G7相比可以看出,膨胀剂的含量增加,在一定程度上降低了灌浆料的强度,并且早期强度降低更加明显,1d和3d抗压强度分别降低了24.7%和20.6%,28d抗压强度降低了7.1%。

　　 图7为不同配比的灌浆料强度随龄期的变化曲线,试块尺寸为40mm×40mm×160mm。图7(a)为抗压强度的变化规律,在养护前3d,灌浆料强度迅速增长,3d抗压强度平均较1d提高了125.1%。随后的灌浆料强度增速减缓,28d抗压强度平均较3d仅提高了33.4%。灌浆料抗折强度(图7(b))随龄期的变化规律与抗压强度类似,并且3d后的抗折强度增幅更小。3d时的抗折强度平均值即已达到28d抗折强度平均值的92%。

　　 图8为根据灌浆料G1～G6的强度平均值拟合得到的回归曲线,可见强度变化随龄期增长呈明显的指数变化。若不考虑灌浆料后期(养护28d后)的强度增长,则灌浆料的早期强度可按式(1),(2)计算:

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{g}\text{c}}=f{}_{\text{g}\text{c},28}-f{}_{\text{g}\text{c},28}\times 0.644{}^{{\rm T}}(1)\\ f{}_{\text{g}\text{f}}=f{}_{\text{g}\text{f},28}-f{}_{\text{g}\text{f},28}\times 0.465{}^{{\rm T}}(2)\end{array}$

　　 式中:f_gc和f_gf分别为灌浆料的抗压强度和抗折强度; f_gc,28和f_gf,28分别为灌浆料28d抗压强度和抗折强度; T为灌浆料的龄期。

　　 尺寸效应是指材料的力学性能不再是一个常数,而是随着结构几何尺寸的变化而变化 ^[12]。对混凝土材料而言,其作为一种非匀质和不等向性材料,在制作过程中即在内部存在少量分散的微裂缝。混凝土受力后,这些初始微裂缝逐渐增多并不断开展,最终发展成宏观裂缝而导致混凝土破坏。这种断裂能随试件尺寸的增大而增大,强度随尺寸的增大而减小的现象,即为混凝土的尺寸效应。

　　 图9为不同尺寸的灌浆料试块抗压强度对比。不同于混凝土材料及豆石灌浆料,本文灌浆料的尺寸效应不明显,抗压强度随试块尺寸的增大没有明显降低,部分试验结果反而略有升高。其主要原因为:灌浆料尽管也是由骨料和浆体组成的复合材料,但其与混凝土的最大区别在于没有粗骨料,而仅以砂子作为细骨料(图10(a))。吴元等 ^[13]采用的灌浆料之所以存在明显的尺寸效应是由于其灌浆料仍采用了较多的豆石作为粗骨料,如图10(b)所示。

　　 混凝土或豆石灌浆料在凝固过程中,粗骨料和水泥砂浆的收缩差和不均匀温湿度场在骨料周围产生一个微观应力场。由于水泥砂浆和粗骨料表面的粘结强度仅为砂浆抗拉强度的35%～65% ^[14],而粗骨料本身的抗拉强度远超水泥砂浆的抗拉强度,故当混凝土内微观拉应力较大时,首先在粗骨料的界面出现微裂缝。试验结果证明 ^[15],混凝土在受力前的初始微裂缝都出现在较大粗骨料的界面。而由于套筒灌浆料没有粗骨料,通过合理的控制灌浆料的流动度和粘度,充分搅拌并静置排气后可保证各种材料在水泥浆体中较为均匀的分布,其初始微观缺陷远少于混凝土等粗骨料材料,更接近于匀质材料,因而尺寸效应不明显。

　　 图11为灌浆料自然密封条件下的早期膨胀率变化曲线,该阶段为灌浆料的塑性阶段。图中可以看出除灌浆料G1外,其余灌浆料3h膨胀率均大于0.02%,满足JGJ 355—2015 ^[11]中的规定。G2下降段较陡,表明后期收缩变形相对较大,G3,G4下降段较平缓,而G7几乎没有下降段,体积稳定性最好。

　　 灌浆料凝结后,为避免其自收缩产生拉应力造成开裂及与套筒、钢筋间的剥离,需在外加剂中引入中后期膨胀组分。该组分与水泥水化产物发生反应,产生一定的体积膨胀,在套筒的约束下,于灌浆料内部产生一定的压应力,抵消收缩引起的拉应力,并可在钢筋-灌浆料-套筒界面处建立适当的初始接触压力,使灌浆料处于预压状态。

　　 图12和13分别为灌浆料在自然密封养护条件和水养条件下膨胀率随龄期的变化曲线。在自然条件下,灌浆料硬化阶段变形为收缩变形。由于灌浆料的后期收缩容易引起灌浆料的开裂,进而影响钢筋的粘结性能,因此灌浆料后期的收缩越小性能越好; 在水养条件下,灌浆料的变形则为膨胀变形。在自然和水养条件下,灌浆料的膨胀和收缩变形均趋于稳定。需要指出的是,灌浆料在实际工程中位于套筒内部,而套筒又密封于预制构件混凝土内,灌浆料水泥水化后的多余水分无法排出。因此,尽管水分无法从外部得以补充,灌浆料仍处于高保湿环境下,介于自然养护和水养护环境之间。

　　 同时可以发现,由于G9灌浆料膨胀剂的掺量增加了1倍,其在自然条件和水养条件的变形均大于G7灌浆料。这意味着在养护阶段,灌浆料的膨胀变形将在套筒-灌浆料-钢筋界面上产生更大的接触压力,有利于减少和延缓荷载作用下灌浆料的劈裂,进而提高连接钢筋的粘结性能。

　　 (1)套筒灌浆料强度在养护前3d增长迅速,后期强度增长缓慢,随龄期的增加灌浆料强度近似呈指数增长。基于试验数据,给出了灌浆料龄期强度的预测公式。

　　 (2)由于灌浆料没有粗骨料,通过合理的控制灌浆料的流动度和粘度并充分搅拌、排气后,灌浆料较接近于匀质材料,尺寸效应不明显。

　　 (3)灌浆料应在保质期内使用,避免干混料受潮后强度降低。

　　 (4)单纯增加膨胀剂的掺量可提高灌浆料养护阶段的膨胀变形,减少和延缓荷载作用下灌浆料的劈裂,但同时会造成灌浆料强度,尤其是早期强度的明显降低。