环境温度对钢筋套筒灌浆连接接头性能的影响

33卷第5期 2017年10月

结构工程师Structural Engineers

Vol. 33 , No. 5 Oct. 2017

环境温度对钢筋套筒灌浆连接接头性能的影响

1!! 吴佳鹏2

(1.上海天华建筑设计有限公司，上海200233 $ 2.同济大学建筑工程系，上海200092)

顾

浩

声

钢筋套筒灌浆连接的施工质量是影响预制装配整体式混凝土结构可靠度的最关键因素。为了

研究环境温度以及养护龄期对钢筋套筒灌浆连接施工质量的影响，制作了 90个试件进行了单调拉伸试

摘

要

验。研究表明，养护温度越高，灌浆套筒试件的早期极限承载力越高；当灌浆料的强度小于62. 5 MPa 时，灌浆料的抗压强度与灌浆套筒试件的极限承载力呈线性关系，当灌浆料强度大于62. 5 MPa时，灌浆 料强度对接头性能影响不大。

关键词灌浆套筒，钢筋连接，环境温度，龄期

Influence of Ambient Temperature on Performance

of Grout Sleeve Splicing of Rebars

GUHaosheng1，！ WU Jiapeng2

(l.Tianhua Architecture Planning & Engineering Ltd.，Shanghai，200233 ；

2. Department of Building Engineering，Tongji University，Shanghai 200092)

Abstract The construction quality of grout sleeve splicing of rebarsis the key factor of reliability of assembled monolithic precast concrete structure. To research the effects of ambient temperature and curing period，90 specimens were tensioned monotonically. It shows that the higher ambient temperature the higher ultimatebearing capacity showthe grouting coupler specimens. Besides，when the compressive strength of the grout islower than 62. 5 MPa，the compressive strength of the grout and the ultimate bearing capacity of the specimens have a linear relation. However，when the compressive strength of the grout is higher than 62. 5 MPa，it has little influence on the performance of grouting coupler.

Keywords grouting coupler，rebar splicing，ambient temperature，curing period

钢筋、灌浆料和套筒，作为构成钢筋套筒灌浆

〇引言

在国家推进住宅产业化的大背景下，装配式 混凝土结构凭借其节能、环保、建设周期短的特 点，正受到前所未有的重视。在预制混凝土结构 中，装配整体式预制混凝土结构由于其兼具了现 浇结构的整体性以及预制结构工厂化，规模化、成 本低等特点，正得到越来越多的运用。钢筋套筒 灌浆连接作为装配整体式结构中构件连接的重要 手段，其性能也受到了越来越多的关注。

收稿日期！

连接的三大要素，均对套筒灌浆连接的力学性能 有着重要的影响[1]。对于混凝土预制构件，灌浆 接头连接质量是影响结构可靠度的最关键因素。 受地域与季节影响，各地施工环境温度差别较大。 而灌浆料作为唯一在施工现场制作并施工的材 料，其性能必然受到环境温度的影响。因而研究 环境温度对于套筒灌浆连接接头性能的影响有着 十分重要的意义。

张守治等[2]的研究结果表明：养护温度对砂 浆早期强度影响较大，对砂浆后期强度影响较小;

2016 -06 -19

联系作者，Email :guhaosheng@thape. com. co

•试验研究+

•

141 +

结构工程师第33卷第5期

养护湿度对砂浆早期强度影响较小，对后期强度 影响较大;在养护温度和养护湿度相同的情况下， 套筒连接用灌浆料，用20 C〜30 C的水进行拌 合，初始流动度\"300 mm，30 min流动度\"260 约束状态下的砂浆试件比无约束状态下的砂浆试 件具有更好的力学性能。廉慧珍等[3]通过研究 发现:当养护温度低于40 C时，砂浆的早期强度 随着温度上升而增大，但在第7天后，混凝土强度 增长缓慢。

为了研究环境温度对于钢筋连接用灌浆套筒 性能的影响，本文通过在不同温度、不同养护时间 下的90个钢筋灌浆套筒连接试件的单调拉伸试 验，考察了灌浆料龄期和养护温度对于钢筋连接 灌浆套筒力学性能的影响。

1试验研究

1.1试件设计

本研究选用了直径为#0 <<

，型号为

HRB400的钢筋以及GT4 20型钢筋灌浆套筒，钢 筋在灌浆孔端插入套筒180 <<，在出浆孔端插入 套筒190 <<。测试了养护温度分别在-15 C、 0 C、5 C、15 C、25 C、35 C下龄期分别为1天、 4天、7天、14天、28天的共计30组试件，每组3 个试件。

灌浆套筒的构造尺寸见图1以及表1。

表

1 GT4 20型套筒详细尺寸

Table 1 Dimension of GT4 20 grouting coupler mmLL#l2?3D37018017&2052402425/223/D4D//D616/1346.5,1,28

21.2试件制作与养护

本研究采用了与套筒配套的高强无收缩钢筋

<<，均符合《钢筋连接用灌浆料》（JG/T 408— 2013%的要求。用灌浆机对套筒进行灌注。在灌 注套筒试件的同时运用相同批次材料制作灌浆料 试块以备灌浆料材性试验，制作完毕之后，将灌浆 套筒试件和灌浆料试块一起转移到恒温恒湿保温 箱中进行养护。

1.3

试验装置与加载制度

试验方法符合《钢筋机械连接通用技术规

程》（JGJ 107—2010%的要求。采用500 kN电液 伺服万能材料试验机加载。按照文献[4]的规 定，针对套筒进行单调拉伸试验，加载制度为:0( 最大拉力（0 $试件屈服前荷载控制加载，加载速率 采用2 N •( mm_2 • s_1 %，最高不超过10 N • (mr<2 • 41);测量接头试件的最大力总伸长率 或抗拉强度时，YHDmin试验机夹头的分离速率采用0. 05

-1，？。为试验机夹头间的距离。采用 100型位移传感器测量位移，试验装置如图2 所示，采用500 kN多功能液压伺服试验机。

图

2套筒试件试验装置

Fig. 2 Test equipment for grouting coupler specimens

1.4灌浆料材性试验

根据规范《钢筋连接用套筒灌浆料》[6]，并参 考《钢丝网水泥用砂浆力学性能试验方法》（GB/T 77—2008 %，抗压强度试验的试块采用的是将40 mmx 40 mm X 160 mm试块经过抗折试验折断后的 半截。因此，本试验制作了 40 mm X 40 mm X 80 mm的灌浆料试块来对灌浆料试块的抗压强度和 弹性模量进行了试验。

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•

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Experiment Study

2

试验结果及分析

试验结果

在实验过程出现了 4种破坏形态，如图3 所示，分别为:①灌浆孔端钢筋拉断;②出浆孔端钢 筋拉断;③灌浆孔端钢筋刮犁式拔出;④出浆孔端钢筋刮犁式拔出。各个试件的极限荷载如表2所示。

表

2 套筒试件试验结果

Table 2 Test result of grouting sleeve connectors

编号

峰值荷载

./kN

峰值荷载对应的 钢筋应力％

T(-15)-D(l)u/MPa

T(-15)-D(4)34T(-15)-D(14)T(-15)-D(7)161099731051T(-15)-D(28)58T(0)-D(1)71183225T(0)-D(4)161

1051233

T(0)-D(14)T(0)-D(7)184T(0)-D(28)1586601T(5T(5)-D(1)

191)-D(4)

18314609

45T(5)-D(14)T(5)-D(7)

185584T(5)-D(28)192588T( 15)-D(1)192610610

T( 15) -D(4)85271TT( 15)-D(7)184585T(15)-D(28)(18759515)-D(14)188T(25)-D(1)187597T(25)-D(4)191595191607T(25)-D(14)T(25)-D(7)192608

T(25)-D(28)192611T(192611610

T(35)-D(1)18358335)-D(4)191T(T(608

35)-D(7)1

602T(35)-D(14)5)-D(28)1911906083604备注\"RV# F)标识$°C下龄期为&的试验批次，每批次试件为'个。

在发生钢筋刮犁式破坏的试件中，灌浆孔端钢 筋刮犁式拔出占了绝大部分，这是由于灌浆套筒两 边的内部构造不同，对内部灌浆产生的约束不同。 出于对施工便易性的考虑，套筒的灌浆孔一段的孔 径较大，套筒对灌浆料的约束较出浆孔一端小，因 此降低了钢筋与灌浆料之间所能达到的极限粘结 力。构造的不同也使套筒试件的破坏模式不尽相 同。从图（中看出，当套筒试件发生钢筋刮犁式拔

出时，灌浆孔端拔出通常带有锥形的灌浆料破裂 面，而出浆孔端拔出仅仅是钢筋表面的拔出。这是 由于钢筋套筒内套筒的构造不同导致的，如图#所 示，套筒出浆孔端内部有较长的肋，能够对灌浆料 起到较好的，灌浆孔端考虑到施工的便易性， 钢筋插入孔较大，破坏面发生在灌浆料内部。

图'接头试件的四种破坏模式

Fig. 3 Failure mode of splicing specimens

图（灌浆孔端拔出与出浆孔端拔出破坏模式对比

Fig. 4 Draw of rebar from entrance and vent for grouting

根据吴小宝等的数值模拟分析，钢筋的对 中程度与套筒试件所能够达到的最终承载力成正 比。在本次试验中，这个结论得到了证实:在钢筋 拉断的试件中，灌浆孔端钢筋拉断的试件占据了 绝大部分。这是由于灌浆孔一段的内部约束较 少，导致插入的钢筋对中性较另一端差。

是否发生钢筋拔出或拉断破坏，主要还是取 决于粘结承载力与钢筋极限承载力的相对大小。2.2套筒受力性能分析2.2.1试件荷载-位移曲线

图5 -图9给出了各个温度水平下的荷载位 移曲线。当试件发生钢筋拉断破坏时，试件的荷 载位移曲线与钢筋的荷载位移曲线基本相同，当 试件发生钢筋刮犁式拔出时，可分为以下两种情 况:第一种，当试件的承载力未能超过钢筋的屈服 强度时，试件的荷载位移曲线可分为上升阶段、下 降阶段、稳定阶段三个阶段，稳定阶段的残余力为 套筒内胶砂与钢筋的动摩擦力;第二种，即试件的 承载力超过了钢筋的屈服强度，试件的荷载位移

•试验研究+

+

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曲线可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、下降

段、稳定阶段几个阶段。

图

5龄期1 d时的荷载位移曲线 Fig. 5 Load-displacement curves at 1 d

图

6龄期4d时的荷载位移曲线

Fig. 6 Load-displacement curves at 4 d

图

7龄期7 d荷载位移曲线对比

Fig. 7 Load-displacement curves at 7 d

图

8龄期14 d荷载位移曲线对比 Fig. 8 Load-displacement curves at 14 d

图

9龄期28 d荷载位移曲线对比

Fig. 9 Load-displacement curves at 28 d

加载初期为弹性阶段，荷载.与位移*的关系 基本呈直线，其后曲线形状的发展则与粘结力、钢 筋屈服强度以及试件破坏形态等因素有关，如粘结 力很大，则发生钢筋拉断破坏。荷载-位移曲线形 状与钢筋拉伸曲线基本相同。龄期4 d时，各个温 度养护水平下的钢筋均能够使钢筋受拉屈服。 2.2.2承载力分析

试件抗拉极限承载力受钢筋极限强度以及钢 筋与灌浆料间的粘结强度影响，由这两个强度对 应承载力的较小值控制。

试件极限承载力与灌浆料龄期之间关系见 图10。套筒试件在浇筑完的第一周内强度发展 很快，当龄期到达7 d时，所有养护温度下的试 件承载力均达到了极限承载力的9〇e以上。套 筒试件的1d强度受养护温度的影响最大，在 0 C以及5 C的养护温度下，试件只达到了极限 强度的5e以及7e，而在25 C以及35 C的情 况下，试件的承载力均达到了极限承载力的 95e以上。

200 n

丄-____^

5o

—-■—o°c

0o

-•——5°C

5

o

H--A—… 15°C 25 °C 35°C

0

5 10 15

20 25 30

龄期/ d

图

10试件极限承载力与龄期的关系Fig. 10 Relationship between bearing

capacity and curing period

从图11可以看出，在龄期为1 d时，试件的 极限承载力与养护温度在5 C〜25 C之间基本 呈线性关系，对数据点进行拟合，可得公式如下：

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•

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Experiment Study

*1d = 8. 827 3 • \" + 35. 832

4# = 0• 987

(1 %

式中，*id表示套筒试件浇筑完毕养护％ d可以达 到的强度$ \"表示养护的温度，单位为c &

200「

5

o S

/

躺0

o墀

o

5

养护温度

/ °C

图

11龄期1 d养护温度与试件极限承载力的关系Fig. 11 Relationship between bearing capacityof specimen and curing temperature at 1 d

2.3灌浆料材性分析

2.3.1灌浆料的抗压强度发展曲线

灌浆料的抗压强度数据如表3所示。

表

3 灌浆料抗压强度试验结果

Table 3

Test results of grout speimens\\\\^

龄期

/d

温度

14714280247658#1231552029242#759#832570#7#98119.7#435

75

#590#2

#91157121#&#

0119114

121118

图#为不同养护温度下灌浆料的抗压强度 发展曲线。可以看出，浇筑完成后的第一周，灌浆 料的抗压强度发展较快;当养护温度在# c以上 时，灌浆料％ d的抗压强度便已达到了灌浆料 28 d抗压强度的85%以上。当养护温度为0°c和 * c时，灌浆料随时间保持增长，强度增长的速率 随龄期的增长逐渐放缓。从图中还可以看出，养 护温度对灌浆料的早期强度有较大影响，随着龄 期增长，养护温度对灌浆料强度的影响逐渐减弱， 当到达28 d时，各养护温度下的灌浆料试块抗压 强度已无明显差异，基本稳定在#0 MPa左右，超 过文献[6 ]所要求的不小于85 MPa。

2.3.2养护温度对灌浆料早龄期抗压强度影响

分析

图13为不同养护温度下龄期1 d时灌浆料

试块的抗压强度对比情况。可以看出，在0〜5c 的环境下，灌浆料1 d龄期的抗压强度很低，仅为 2 MPa左右，如图14中可看出，试块表面十分湿 润，被钢筋被拔出后破坏面松散，水化反应进展缓 慢;当灌浆料的养护温度大于25 C时，灌浆料的 1 d强度达到了 70 MPa以上。当养护温度在5 C 到25 C之间时，灌浆料的1 d抗压强度随着养护 呈线性增长，对5 C〜25 C之间的数据点进行拟 合，可得公式如下：

.1d = 3. 239 2 • \"+ 16. 91

42 = 0.962

(2%

式中，.1d表示灌浆料试块1 d龄期的抗压强度;T 表示养护的温度，单位为c。

根据文献[6]要求，灌浆料的1 d抗压强度必 须不小于35 MPa，因此在施工过程中必须严格控 制连接节点养护温度的控制，当环境温度在5 C 以下禁止进行施工作业，在环境温度大于5 C时， 必须对节点进行必要的保温以及加热，根据图 13,必须确保构件的养护温度在18 C以上，才能 够使构件的1 d强度符合规范要求。

different curing temperature

and curing temperature at 1 d

•试验研究+

+

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(a) 5°C 养护 1 d

(b) 25°C 养护 1 d

图

14低温和常温下破坏情况对比

Fig. 14 Comparison of failure under low and normal temperature

2.3.3养护温度与龄期对灌浆料强度影响综合

分析

图15反映了灌浆料的抗压强度与养护温度 以及龄期的关系，对数据点进行拟合可得公式 如下：

.=19.394 .($) -26.775 (3%

$2 (#\" + 5%

(4%

式中，.为灌浆料的抗压强度$ \"为灌浆料的养护 温度，\"=0 C〜35 °C;H为龄期，单位为d&

2.3.4灌浆料的弹性模量分析

图16反映了不同温度水平下灌浆料弹性模 量随龄期增长的变化曲线，可以看出，在低温养护 条件下，灌浆料前14 d的弹性模量都处于一个较 低的水平，14 d以后有较快的增长。在15 C以及

35 C的养护条件下，灌浆料的弹性模量不断发

展，在14 d以后达到一^个稳定的水平。

6

4o20o86o4Mo2W

o/o鹋 睜

oo

10 100 1 000

10 000温度.天

2/(°C.d2)

图

15灌浆料强度与养护温度以及龄期的关系

Fig. 15 Relation between grouting strengthand curing period and temperature

由于灌浆料具有微膨胀性能且套筒对浇筑在

其内部的灌浆料有较强的约束作用，因此也减弱 了材料的弹性模量对套筒试件刚度的影响。

2.4套筒试件承载力与灌浆料强度关联分析

图17显示了灌浆料抗压强度与套筒试件抗 拉承载力的关系。可以看出，当灌浆料强度小于 62 5 MPa时，灌浆料的强度与套筒试件的抗拉承 载力呈线性关系，当灌浆料强度不小于62. 5 MPa 时，套筒试件的承载力基本达到其极限承载力，绝 大部分试件出现了钢筋被拉断的破坏模式，对数 据点进行拟合，可得到公式如下：当0 $ .灌浆料$ 62. 5 MPa，

*套筒2 2 915.灌浆料B 6 991

4 2：0. 986

(5%当.灌浆料〉62 • 5 MPa，

*套筒21.

2 kN(6%

bearing capacity of specimen

2.5负温环境下的灌浆套筒承载力分析

从图18中可以看到，套筒试件的极限承载力 随龄期增长并无明显增长，而是呈现无规律的

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146 +

Experiment Study

波动。

在负温环境下，灌浆料中的水分由于受冻结 冰，材料中缺乏自由水，无法进行水化反应，强度 无明显发展，针对其试块进行试验所得到的强度 实际是由于水分结冰后冰块的强度，并非材料自 身强度。

Q 0 ____________|5 ____________|10 ____________|15 ___________20 |___________25 |___________30

|

龄期/d

图

18 - 15 C试件极限承载力与龄期之间的关系Fig. 18 Relation between bearing capacity of specimen and curing period under - 15 C

3结论

通过以上试验，本文得出如下结论：

(1)养护温度越高，灌浆料的早期强度发展

越快。

(#%养护温度越高，灌浆套筒试件的早期极 限承载力越高。

(3%当灌浆料的强度小于62.5 MPa时，灌浆 料的抗压强度与灌浆套筒试件的极限承载力承载 力呈线性关系。

(4%灌浆料的强度大于62. 5 MPa时，灌浆料 强度不再影响试件连接性能。

(5%负温环境下，灌浆料水化反应不明显，套 筒试件不具备强度。

通过以上结论，本文有如下建议：

(1%在施工过程中必须严格控制连接节点养 护温度的控制，当环境温度在5 C以下禁止进行 施工作业，在环境温度大于5 C时，必须对节点进 行必要的保温以及加热，确保构件的养护温度在 18 C以上。

(2%在施工过程中，可对同批次的灌浆料进 行材性试验得到的灌浆料强度来预估套筒试件承 载力，以保证施工质量。

参考文献

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