套筒約束灌漿料與鋼筋黏結強度試驗研究

黃遠 張帆 易偉建

摘? ?要：為了對裝配式混凝土結構中套筒灌漿連接接頭鋼筋與灌漿料的黏結性能進行研究，設計了30個灌漿套筒連接節點進行拉拔試驗，研究了鋼筋錨固長度、灌漿料抗壓強度、灌漿料厚度和鋼筋直徑四個參數對黏結強度的影響.試驗結果表明：隨著錨固長度增加，鋼筋與灌漿料之間的黏結強度降低;隨著灌漿料抗壓強度增加，鋼筋與灌漿料之間的黏結強度增加;隨著灌漿料厚度的增加，黏結強度降低，對于12 mm的鋼筋，當灌漿料厚度在9 ～ 11 mm之間時，灌漿料厚度對黏結強度影響較小，當灌漿料厚度超過11 mm時，影響顯著增加;黏結強度隨著鋼筋直徑的增加而增大.根據試驗量測的套筒應變和隔離體受力平衡模型，得到了黏結強度與約束應力、灌漿料抗壓強度的關系式，可供工程實際中套筒灌漿連接節點錨固長度取值參考.

關鍵詞：套筒灌漿;黏結強度;破壞形態;分析模型;試驗研究

中圖分類號：TU375.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

文章編號：1674—2974（2020）09—0069—07

Abstract：In order to study the bond behavior between the steel bar and the grouting material of the sleeve grouting joint in the precast concrete structure， 30 specimens of grouting sleeve are designed for pull-out tests. The effects of four parameters including steel anchorage length， grouting compressive strength， grouting thickness and steel bar diameter on the bond strength of steel bars were studied. The results show that as the anchor length increases， the bond strength between the steel bar and the grout decreases; with the increase of compressive strength of grouting material， the bond strength between reinforcement and grouting material increases. With the thickness of the grout increasing， the bond strength decreases. For 12 mm steel bars， when the thickness of the slurry is between 9 mm and 11 mm， the thickness of the slurry has little effect on the bond strength. When the thickness of the slurry exceeds 11 mm， the effect is significantly increased. The bond strength increases as the diameter of the bar increases. According to the measured sleeve strain and the balance distribution model of the spacer， the relationship between the bond strength and the restraint stress as well as the compressive strength of the grout is obtained， which can? provide a reference for the anchorage length of grouted sleeve connections in the engineering practice.

Key words：sleeve grouting;bond strength;failure mode;analytical model;experimental research

鋼筋套筒灌漿連接是指在預制構件中預埋套筒，再插入鋼筋并灌注漿料而實現鋼筋的對接連接，是目前我國裝配式混凝土結構受力鋼筋連接的主要形式[1-2].

目前，國外學者對不同形式的套筒進行了拉拔性能研究. Ling等[3]設計制作了鋼筋焊接套筒（THS）和錐形套筒（WBS）;Hosseini等[4]、Alias等[5]設計的焊螺旋鋼筋式套筒;Henin等[6]設計的內螺紋套筒、端部焊鋼板式套筒;Seo等[7]設計的鋼筋帶端頭式套筒. 通過改變套筒構造等措施，有效地增加了鋼筋與灌漿料之間的黏結性能，避免試件發生鋼筋拔出破壞.

國內學者也對鋼筋套筒灌漿連接接頭的性能進行了研究.鄭永峰等[8]設計制作了變形灌漿套筒（GDPS），研究了套筒內腔構造對黏結性能的影響，結果表明：在套筒兩端增設肋紋，可有效避免發生套筒灌漿料黏結破壞，當肋紋出現在非彈性段時，減小了鋼筋與灌漿料之間的平均黏結強度;黃遠等[9]設計了14個鋼筋半套筒灌漿連接試件進行拉伸試驗，研究鋼筋直徑、鋼筋偏移對接頭性能的影響，結果表明：鋼筋偏移對試件承載力的影響可忽略不計;吳小寶等[10]研究了灌漿料養護齡期和鋼筋類別對鋼筋套筒灌漿連接性能的影響，結果表明：齡期1天以后，荷載位移曲線出現明顯的屈服和強化階段;許成順等[11]研究了鋼筋套筒灌漿連接接頭在高應力反復拉壓荷載作用下的接頭性能，結果表明：高應力反復拉壓對端部灌漿料造成一定的損傷，但對連接試件的性能無明顯影響.

目前國內外套筒灌漿連接接頭性能研究主要關注套筒形式的合理性論證，對于套筒中灌漿料和鋼筋的黏結性能的研究較少. 因此，本文設計了30個鋼筋與套筒約束灌漿料連接試件進行拉拔試驗，研究鋼筋錨固長度、灌漿料抗壓強度、灌漿料厚度和鋼筋直徑四個參數對黏結強度的影響. 并根據Einea等[12]提出套筒與灌漿料隔離體約束應力分析模型來分析鋼筋與套筒約束灌漿料試件的黏結強度.

1? ?試驗概況

1.1? ?試件設計

為了研究套筒中鋼筋與灌漿料的黏結性能，設計了10組，每組3個共30個試件. 研究的主要參數包括鋼筋錨固長度、灌漿料強度、灌漿料厚度及鋼筋直徑，試件的參數取值如表1所示. 以標準試件L16-0.14-D16-4d為例，第一組表示套筒規格，表示不同鋼筋直徑（12 mm、16 mm、20 mm）所對應的套筒規格;第二組表示灌漿料的水料比（0.14、0.15、0.16）;第三組表示連接鋼筋的直徑d0（12 mm、16 mm、20 mm）;第四組表示錨固長度（3 d0、4 d0、5 d0）. 套筒連接中的灌漿料厚度g用公式（1）計算.

式中：g表示灌漿料厚度（mm）;D表示套筒外徑（mm）;d0表示鋼筋直徑（mm）;t表示套筒壁厚（mm）.各符號的含義見圖1.

試件制作時，把全灌漿套筒沿橫向中間位置切割成兩個大小相等的半套筒，為了保證黏結長度，沿鋼筋長度方向設置了無黏結段，無黏結段通過PVC管來隔離鋼筋與灌漿料之間的黏結，PVC管縫隙塞入工業橡皮泥以防止漏漿. 鋼筋處于套筒中心位置，無偏心.加載端鋼筋伸出400 mm，自由端鋼筋伸出60 mm，如圖1所示.

1.2? ?材料性能

試驗中連接鋼筋采用HRB500月牙形帶肋鋼筋，其力學性能如表2所示.

試驗中灌漿料采用西卡（中國）有限公司生產的Sika-Grout PC牌灌漿料. 根據GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》，測得其40 mm × 40 mm × 160 mm灌漿料試塊抗壓強度如表3所示. 套筒采用擠壓成型鋼套筒，其彈性模量Esl = 2.06 × 105 MPa.

1.3? ?試驗裝置及測量布置

試驗加載裝置如圖2所示，采用HC-20型錨桿拉拔儀進行加載.數顯千分表豎直放置于鋼筋自由端部，用以量測拉拔過程中鋼筋的滑移. 拉拔荷載40 kN之前，加載按力控制，以荷載2 kN為增量進行讀數，荷載超過40 kN以鋼筋滑移量每10? μm為增量進行位移控制讀數，以捕獲極限荷載. 當拉拔荷載出現明顯下降后，以每500? μm滑移為增量進行讀數，鋼筋滑移量達到20 mm時停止加載.

每個試件上設置兩個應變片如圖3所示. S1沿套筒橫向安裝在距離套筒自由端L0 /3黏結段位置處，用以測量套筒由于灌漿料膨脹引起的環向應變;S2沿加載端鋼筋縱向安裝在距離套筒承壓段一倍鋼筋直徑位置處，用以測量拉拔試驗過程中鋼筋的縱向應變.

2? ?試驗結果

各個試件的試驗結果如表4所示. εsl表示試件達到最大承載力時對應的套筒環向應變（mm/mm）.鋼筋黏結強度τu按公式（2）計算.

式中：τu表示鋼筋黏結強度（MPa），Pu表示試件最大承載力（kN），d0表示鋼筋直徑（mm），L0表示鋼筋錨固長度（mm）.

試件的破壞模式為兩種：

1）鋼筋拔出破壞，如圖4（a）所示：試件加載初期黏結-滑移曲線表現出良好的彈性響應，同時試件內灌漿料沿鋼筋肋紋表面產生微裂紋并逐漸發展，試件剛度逐漸降低;隨著鋼筋屈服，鋼筋明顯伸長，表現在上部鋼筋錨具發生明顯位移，下部千分表示數基本不變，拉拔儀荷載上下波動;鋼筋屈服后，試件處于強化階段，荷載、滑移持續增加，達到試件最大承載力后，荷載逐漸下降，鋼筋的滑移量明顯增加，加載到20 mm時，停止加載，如圖5所示.

2）鋼筋拉斷破壞，如圖4（b）所示：只有試件L16-0.14-D16-5d-2發生這種破壞. 鋼筋拉斷發生在試件達到最大承載力后荷載下降段，斷裂位置處于距離套筒端部20 mm位置，有明顯的頸縮現象.試件最大承載力133.03 kN.

套筒環向應變隨著荷載的變化曲線如圖6所示.在拉拔荷載初期，套筒環向呈現線性拉伸應變，當荷載達到峰值強度后，套筒環向應變隨著荷載的增加而迅速增大，說明此時套筒對灌漿料產生了約束作用.

3? ?試驗結果分析

3.1? ?鋼筋錨固長度

圖7為16 mm直徑鋼筋的黏結強度在不同錨固長度下的變化情況. 鋼筋錨固長度從3d0增加到4d0，鋼筋黏結強度平均值從44.68 MPa降低到40.7 MPa，降低了8.9%，錨固長度從4d0增加到5d0，黏結強度平均值從40.7 MPa降低到32.86 MPa，降低了19.3%. 黏結強度隨著錨固長度的增加而降低，這是由于黏結強度沿鋼筋錨固長度范圍內分布不均勻導致的，黏結強度在加載端附近存在一個峰值，錨固長度越大，其端部黏結強度峰值對平均黏結強度影響越小，因此黏結強度越小.

3.2? ?灌漿料抗壓強度

圖8為鋼筋黏結強度隨灌漿料抗壓強度變化的情況. 抗壓強度從61.5 MPa增加到81.1 MPa，黏結強度平均值增加了8.2%，抗壓強度從81.1 MPa增加到92.5 MPa時，黏結強度平均值增加了6.2%. 黏結強度隨著抗壓強度的增加而增加，這是因為試件均為鋼筋拔出破壞，其承載力取決于鋼筋與灌漿料的機械咬合區域的抗剪強度，而灌漿料抗壓強度增加，增強了灌漿料的抗剪強度，黏結強度增加.

3.3? ?灌漿料厚度

試驗通過保持鋼筋直徑不變，改變套筒規格的方式改變套筒與鋼筋之間的灌漿料厚度，研究灌漿料厚度對鋼筋黏結性能的影響. 圖9為直徑12 mm的鋼筋黏結強度隨灌漿料厚度變化的情況.灌漿料厚度由9.5 mm增加到11.2 mm，由11.2 mm增加到12.3 mm，黏結強度平均值分別降低了1.0%和6.2%.

3.4? ?鋼筋直徑

圖10給出了黏結強度隨著鋼筋直徑變化的數據.鋼筋直徑從12 mm增加到16 mm時，黏結強度呈增大趨勢，鋼筋直徑從16 mm增加到20 mm時，黏結強度又發生了減小.由于本次試驗中黏結強度隨著鋼筋直徑變化的規律不明顯，因此鋼筋直徑對黏結強度影響還需要進一步的研究.

4? ?黏結強度理論分析

為了分析鋼筋與灌漿料之間的黏結強度，采用Einea等[12]提出的套筒與灌漿料隔離體約束應力分析模型來分析鋼筋套筒約束灌漿料試件的黏結性能.如圖11所示，可以推導出了環向拉力Tsl與約束應力un的關系.

模型分析時基于以下4個假定：

1）由套筒引起的約束應力沿鋼筋錨固長度分布均勻;

2）約束應力可由套筒的環向應變量化得出;

3）黏結應力沿鋼筋錨固長度范圍內分布均勻;

4）由套筒引起的總約束力大小等于作用在鋼筋上的總約束力.

套筒的環向拉伸應力是套筒環向應變εsl和彈性模量Esl的函數，如式（3）所示. 同時，拉伸應力也受套筒橫截面積的影響，如式（4）所示.

式中：σsl表示套筒環向拉伸應力（MPa），εsl表示套筒環向應變（mm/mm），Esl表示套筒彈性模量（MPa）;t表示套筒厚度（mm）.

綜合公式（3）、（4）可得：

根據靜力平衡條件可得：

聯立公式（5）、（6）得到：

式中：Tsl表示套筒環向拉力（N），un表示套筒提供的約束應力（MPa），D0表示套筒內徑（mm）.

Untrauer和Henry[13]研究表明，鋼筋與混凝土的黏結強度τu與鋼筋上的約束應力un和灌漿料抗壓強度fg成比例增加，其關系式為：

將式（7）代入式（8），可得：

式中：A、B通過實驗數據回歸擬合得到.將本文試驗測試得到的套筒數據（表1）、灌漿料強度（表3）和黏結強度及對應的應變數據（表4）代入公式（9）進行回歸分析，可以回歸得到參數A取為3.1，B取為0.11.因此鋼筋黏結強度的擬合公式如下：

根據黏結強度 τu可得鋼筋套筒約束灌漿連接試件的最大承載力Pu計算式如下：

根據式（10）計算得到的各個試件的黏結強度代入式（11）可以得到各個試件的理論計算承載力Pu，pre，理論計算承載力Pu，pre和試驗承載力Pu，exp對比如圖12所示.

5? ?結? ?論

通過套筒灌漿連接靜力拉拔試驗和分析，可以得到以下結論：

1）鋼筋錨固長度增加，試件最大承載力增加;而隨著錨固長度增加，導致鋼筋上的黏結應力分布不均勻，黏結強度降低;

2）灌漿料抗壓強度增加，增加了灌漿料抗剪強度，因此試件最大承載力和黏結強度均增加;

3）套筒內灌漿料厚度增加，鋼筋與灌漿料的黏結強度減小，當灌漿料厚度超過11 mm時，影響更大;

4）通過應力模型推導了黏結強度與約束應力、灌漿料抗壓強度的關系式，可供工程實際中套筒灌漿連接節點錨固長度取值參考.

參考文獻

[1]? ? 高向玲，徐龍標，李杰，等. 預制混凝土梁柱節點試驗及框架受力性能分析[J]. 湖南大學學報（自然科學版），2017，44（7）：97—103.

GAO X L，XU L B，LI J，et al. Tests of precast concrete beam-column joints and analysis on mechanical behavior of prefabricated RC frame structures [J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2017，44（7）：97—103. （In Chinese）

[2]? ? 徐詠，熊峰，陳江. 裝配式剪力墻豎向焊接節點抗剪性能[J]. 湖南大學學報（自然科學版），2018，45（5）：53—61.

XU Y，XIONG F，CHEN J. Shear behavior of vertical welded connection in precast shear wall [J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2018，45（5）：53—61. （In Chinese）

[3]? ? LING J H，RAHMAN A B A，IBRAHIM I S，et al. Tensile capacity of grouted splice sleeves[J]. Engineering Structures，2016，111：285—296.

[4]? ? HOSSEINI S J A，RAHMAN A B A. Effects of spiral confinement to the bond behavior of deformed reinforcement bars subjected to axial tension[J]. Engineering Structures，2016，112：1—13.

[5]? ? ALIAS A，ZUBIR M A，SHAHID K A，et al. Structural performance of grouted sleeve connectors with and without transverse reinforcement for precast concrete structure[J]. Procedia Engineering，2013，53：116—123.

[6]? ? HENIN E，MORCOUS G. Non-proprietary bar splice sleeve for precast concrete construction[J]. Engineering Structures，2015，83：154—162.

[7]? ? SEO S Y，NAM B R，KIM S K. Tensile strength of the grout-filled head-splice-sleeve[J]. Construction and Building Materials，2016，124：155—166.

[8]? ? 鄭永峰，郭正興. 變形灌漿套筒連接性能試驗研究及有限元分析[J]. 建筑結構學報，2016，37（3）：94—102.

ZHENG Y F，GUO Z X. Experimental study and finite ele-ment analysis on behavior of deformed gout-filled pipe splice [J]. Journal of Building Structures，2016，37（3）：94—102. （In Chinese）

[9]? ? 黃遠，朱正庚，黃登，等. 鋼筋半套筒灌漿連接的靜力拉抻試驗研究[J]. 華南理工大學學報（自然科學版），2016，44（2）：26—32.

HUANG Y，ZHU Z G，HUANG D，et al. Investigation into half grout sleeve splicing for rebars via static tensile test[J]. Journal of South China University of Technology （Natural Science），2016，44（2）：26—32. （In Chinese）

[10]? 吳小寶，林峰，王濤. 齡期和鋼筋種類對鋼筋套筒灌漿連接受力性能影響的試驗研究[J]. 建筑結構，2013，43（14）：77—82.

WU X B，LIN F，WANG T. Experimental research on effects of grout age and types of steel bars on mechanical behavior of grout sleeve splicing for reinforcing bars [J]. Building Structure，2013，43（14）：77—82. （In Chinese）

[11]? 許成順，劉洪濤，杜修力. 高應力反復拉壓作用下鋼筋套筒灌漿連接性能試驗研究[J]. 建筑結構學報，2018，39（12）：178—184.

XU C S，LIU H T，DU X L. Experimental study on connec-tion performance of grouted sleeve splicing for rebars under high stress repeated tension-compression loading [J]. Journal of Building Structures，2018，39（12）：178—184. （In Chinese）

[12]? EINEA A，YAMANE T，TADROS M K. Grout-filled pipe splices for precast concrete construction[J]. PCI Journal，1995，40（1）：82—93.

[13] UNTRAUER R E，HENRY R L. Influence of normal pressure on bond strength[J]. ACI Structural Journal，1965，65：577—585.