建筑結構中鋼筋螺紋連接節點凍融傷害減緩新技術研究

中圖分類號：TQ178 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）05-0163-04

Abstract：Inorder to improve the durabilityand safetyof steel thread connection structure inbuildings under freezethaw environment，a freeze-thaw damage mitigation method for steel thread connection joints of polyurethane rubber sleeve is proposed，and the mitigation effctand damagemechanismof steel thread jointsunderthis methodare explored.Theresultsshow that the tension loss of the joint in theearlystage of the freeze-thaw cycleiseffectively slowed down after the polyurethane rubber sleeve thread connection joint is used.The maximum number of cycles of cracks inthe concrete specimens formed at room temperature is 15O times，compared with6times without polyurethane rubber sleeve thread connection joint.The maximum number of cycles of cracks in concrete specimens formed atlow temperature is 43 times.Compared with4 times without polyurethane rubber sleeve threaded connection，the damage time of the specimens is greatlydelayed，which proves the efectiveness of the method in alleviating freezethaw damage.

Key words：assembly building；threaded connection；concrete preparation；freezing and thawing deterioration；damagemechanism

混凝土構件連接技術是當前裝配式建筑中預制混凝土框架連接的一項重要技術，其連接節點的質量會直接影響整個建筑結構的安全性與穩定性[1]。鋼筋螺紋連接技術屬于混凝土構件連接技術中的一種干式連接技術，其構件通常由工廠預制生產，在現場直接連接，具有更快的連接效率并降低了現場污染[2]。但是由于整體性能較差，結構節點的承載力與耗能能力不穩定，相較于現澆連接或套筒灌漿連接等濕式連接，鋼筋螺紋連接暫未獲得大面積推廣[3]。為了提高鋼筋螺紋承載力，秦玉靈等選用標準螺紋連接件與楔形螺紋連接件進行振動試驗比較，試驗結果表明，楔形螺紋連接件相較于標準連接件可以更有效緊固預緊力矩值，具有良好的抗震放松性[4]；李佳澤等利用有限元模型，分別對無間隙與有間隙的螺栓連接結構在橫向振動載荷作用下螺紋連接配合間隙對螺紋牙根部應力與預緊力變化進行模擬仿真，結果表明，有間隙的螺栓連接結構在較早周期內螺紋牙根部應力大于無間隙螺紋牙，較晚周期內小于無間隙螺紋牙，證明間隙的存在降低了螺紋的松脫概率[5]。為了提高鋼筋螺紋連接節點在凍融循環條件下的耐久性與穩定性，提出一種聚氨酯橡膠套鋼筋螺紋連接的抗凍融方法，并對采用該方法下減緩效果與抗受損機理進行分析，為鋼筋螺紋連接技術在寒冷地區的推廣提供參考。

1試驗方案

1.1 材料與設備

主要材料： M16×220 規格碳鋼螺栓（政澤交通設施）、Q235鋼板（無錫鐵之家）、 水泥（浙江坤都）、MX2.6河沙（晶森礦產）、I類碎石（途勝達建材）、PCA-1聚羧酸減水劑（秦奮建材）聚氨酯預聚體（武漢拉那白，AR）、聚氨酯橡膠基膠（新領化工，AR）、二月桂酸二丁基錫（武漢拉那白，AR）、正硅酸四乙酯（方信化工，AR）、自來水等。混凝土設計強度等級為C30，其配合比如表1所示。

主要設備：P3Z凍融試驗機（鼎鵬儀器）、TW80溫度記錄儀（飛朵建材）、FBG濾波用光纖光柵傳感器（昊量光電）、真空升降攪拌機（偉銘機械）。

1.2 樣本制備

1.2.1 帶孔混凝土試件制備

按照表1中的配合比，分別在常溫環境（ ）與低溫環境 （6% ）澆筑2個尺寸為 200mm×200mm×

的混凝土試件。

1.2.2帶聚氨酯橡膠套螺紋連接節點試件制備

（1）使用水鉆在制備混凝土試件中間鉆取一個直徑約 28mm 的圓形孔洞，并按照工程中干式連接建筑節點技術，在常溫混凝土試件與低溫混凝土試件上分別插入1個未帶聚氨酯橡膠套螺栓與1個帶聚氨酯橡膠套螺栓進行組裝固定[6]。其中，聚氨酯橡膠套使用熱塑性聚氨酯彈性體橡膠，該橡膠材料具有耐水、耐腐蝕、耐紫外線與對外界溫度適應性強等特點，常被用于防止長期暴露環境下室外設備老化問題中。其制備方法為：

① 稱取一定量的聚氨酯預聚體和聚氨酯橡膠基膠，其中加入二月桂酸二丁基錫與正正硅膠四乙酯分別作為催化劑和交聯劑，將這些材料熔融混合。② 將混合液置于真空升降攪拌機中攪拌1h，隨后倒入 25mm×25mm×200mm 模具。③ 將混合液靜置固化 。在固化后的改性聚氨酯橡膠材料中掏出 24mm×24mm×200mm 的孔洞，制得改性聚氨酯橡膠套。

固定過程中，連接鋼板直徑與厚度分別為120mm 與 11mm ，鋼板中部留有一個直徑約 24mm 的圓形螺栓孔[7]。每個混凝土試件統一施加 20kN 的初始預緊力，未帶聚氨酯橡膠套鋼筋螺紋連接的常溫混凝土試件與低溫混凝土試件編號分別為PW-20和GW-20；帶聚氨酯橡膠套鋼筋螺紋連接的常溫混凝土試件與低溫混凝土試件編號分別為PS-20和GS-20。

（2）在螺栓螺桿外套上厚度為 1mm 的聚氨酯橡膠套管，聚氨酯橡膠套吸水率為 1% ，壓縮長久變形處于 6%～7% ，彈性模量為 ，具體如圖1所示。

1.3 融凍試驗方案

參照GB/T50082—2009對鋼筋螺紋連接節點進行融凍性能測試。試驗中，融凍機最高溫度與最低溫度分別設置為 15，-21degreeC 。試驗前，采用自然浸泡的方式將帶孔混凝土試件浸泡 96h ，使試件達到吸水飽和[8]。試驗開始時，設置溫度為最高溫度，以每分鐘 的速度下降至最低溫度，并在最低溫度保持 ，完成試件凍結，總共凍結時長為 。在凍結完成后，以 1.2‰ 的速度從最低溫度開始升溫[9]。在溫度上升至最高溫度后保持 1.5h ，完成試件融化，融化總時長為 。反復以上融凍過程，直至帶孔混凝土試件出現裂縫后，終止試驗[10] C

1.4 測試與表征

1.4.1 融凍循環次數

分別對6個試件進行融凍試驗，并記錄試驗終正時，每個試件的融凍循環次數。

1.4.2 螺栓張緊力監測

沿螺桿兩側分別開梯形槽，在槽內嵌入光纖光柵傳感器，并將其從螺栓突頭頂部引出，實現對螺栓內部預緊力的實時監測[]。為了降低溫度對光纖光柵反射波的影響，設置溫度傳感器對光纖光柵傳感器進行溫度補償，確保預緊力的檢測精度。

1.4.3 SEM微觀分析

采用微觀損傷測試分析，探究凍融條件下帶聚氨酯橡膠套鋼筋螺紋連接節點的損傷機理[12]。以上述常溫環境與低溫環境下澆筑的混凝土試件為例。在每循環50次后，對每個混凝土試件進行SEM掃描電鏡與顯微鏡分析。

2 結果與討論

2.1有無帶聚氨酯橡膠套鋼筋螺紋連接節點張緊力變化

圖2為未帶聚氨酯橡膠套情況下，常溫成型混凝土試件與低溫成型混凝土試件鋼筋螺紋連接節點的張緊力變化情況，為了便于對比，僅保留前6次凍融循環曲線進行研究[13]。其中， 和 分別代表初始預緊力與實時張緊力， 即代表張緊力剩余百分比。

由圖2可知，在第一次凍融循環中，2個成型混凝土試件螺紋連接節點的張緊力損失量整體相似，但跨度有著明顯差別[14]。這主要因為不同成型混凝土之間存在一定的熱膨脹差異。凍融循環過程中節點連接材料的收縮膨脹變形不同，也會使螺紋連接節點受到的張緊力不同。在凍融循環達到4次后，常溫成型混凝土試件與低溫成型混凝土試件鋼筋螺紋連接節點剩余張緊力百分比分別為 92.5% 和 81.7% ，張緊力損失出現較大差距。此時低溫成型混凝土已開始出現開裂現象，因此可以認為，在同樣的凍融條件下，低溫成型混凝土相較于常溫成型混凝土更容易受到破壞。

圖3為帶有聚氨酯橡膠套情況下，常溫成型混凝土試件與低溫成型混凝土試件鋼筋螺紋連接節點的張緊力變化情況，為了便于對比，僅保留前50次凍融循環曲線進行研究。

由圖3可知，在融凍循環過程中，鋼筋螺紋連接節點的張緊力損失表現出前期平穩下降，中期加速下降，以及后期快速下降3個不同階段。相較于低溫成型混凝土試件，常溫成型混凝土試件鋼筋螺紋連接節點的快速下降階段并不明顯，在凍融循環次數達到40次時，低溫成型試件連接節點的剩余張緊力百分比僅 0.3% 左右，混凝土試件已接近開裂；常溫成型試件連接節點的剩余張緊力百分比卻在0.9% 以上，混凝土試件仍處于較高質量。這是因為低溫成型混凝土相較于常溫成型混凝土有更多初始缺陷，在凍融過程中受到影響更大，螺紋連接節點張緊力的穩定性也相對更差[15]。因此帶聚氨酯橡膠套的鋼筋螺紋連接節點凍融劣化防治方法，雖然可以有效提高常溫混凝土的耐久性，但在應用于低溫地區時，仍需要進一步研究。

2.2 凍融循環次數

表2為有無帶聚氨酯橡膠套情況下不同地區成型混凝土試件最大凍融循環次數，反映不同混凝土試件鋼筋螺栓節點在凍融過程中張緊力損失情況。

由表2可知，帶聚氨酯橡膠套的鋼筋螺紋連接節點無論在常溫成型混凝土試件還是在低溫成型混凝土試件中，凍融次數都遠遠高于未帶聚氨酯橡膠套，證明了采用帶聚氨酯橡膠套的方法可以有效抑制鋼筋螺紋連接節點的凍融劣化情況。這是因為鋼筋螺紋連接節點一方面會對周圍混凝土產生壓力，同時鋼筋材質的螺栓會在凍融過程中受水結冰影響，對螺栓孔孔壁產生凍脹力，這些都是導致混凝土開裂的重要原因[1]。而在帶上聚氨酯橡膠套后，螺栓產生的凍脹力將會有所降低，對周圍混凝土的影響也在變小，因此混凝土在凍融環境下可以擁有更高的耐久性[17]

2.3 SEM微觀分析

通過SEM微觀圖可知，帶聚氨酯橡膠套鋼筋螺紋連接的常溫成型混凝土試件相較于未帶聚氨酯橡膠套鋼筋螺紋連接下的試件，孔洞內的水分有了顯著減少[18]。這一方面，降低了孔洞中未凍水產生的水壓力；另一方面使得聚氨酯橡膠的偏軟質地足以抵消剩余水結冰產生的膨脹力，提高了連接節點前期的抗凍性能[19]。隨著凍融循環次數增加，混凝土本身的抗壓與抗拉強度逐漸下降，此時混凝土出現較為嚴重的損傷，使得螺栓剩余張緊力百分比迅速下降，再加上連接節點附近孔洞結冰帶的的膨脹力，使得混凝土試件不堪重負，在循環第150次時出現開裂。

相較于常溫成型混凝土試件，低溫成型混凝土試件的抗凍性能雖然在采用帶聚氨酯橡膠套鋼筋螺紋連接節點后有了大幅提升，但是仍然有一定差距[20]。低溫成型混凝土在成型之初就有較多缺陷，相較于常溫成型混凝土更易受凍融循環作用。在凍融次數超過50次時，混凝土就開始出現大面積脫落。此時混凝土試件雖然并未出現明顯裂縫，但是質量和張緊力都出現嚴重損失，已經失去安全性保障。因此，綜合來看，使用帶聚氨酯橡膠套鋼筋螺紋連接可以有效減少凍融前期混凝土開裂現象。但是還應根據混凝土材料與力學性質差異，對后期螺栓張緊力缺失問題與節點材料開裂問題做出相應處理。

3結語

（1）循環凍融條件下，鋼筋螺紋連接混凝土試件張緊力受損情況會隨著凍融次數增加而逐漸增大，并在4＼～6次循環后出現裂縫，影響其耐久性與安全性；

（2）采用帶聚氨酯橡膠套鋼筋螺紋連接的混凝土試件相較于未帶聚氨酯橡膠套連接的試件，在循環凍融條件下，開裂時間被大大推遲。尤其是常溫成型的帶聚氨酯橡膠鋼筋螺紋連接的混凝土試件，直到出現裂縫的最大循環凍融次數為150次，抗凍融性能有了顯著提升；

（3）雖然帶聚氨酯橡膠套鋼筋螺紋連接的方式通過減少孔洞內水分與抵消水結冰產生的膨脹力，可以有效降低凍融前期混凝土的開裂現象。但是低溫成型的混凝土試件，由于混凝土本身缺陷較多，抗凍性能較差，在凍融循環40次時，雖然沒有出現明顯開裂情況，但剩余張緊力已不足 20% ，應用于建筑工程中已無法保證安全性能。因此在低溫地區應用聚氨酯橡膠套鋼筋螺紋連接技術時，應與其他混凝土質量提升技術配合，并不能直接使用。

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（責任編輯：蘇帆）