塑性膨胀剂对半灌浆套筒连接破坏模式的影响.pdf

第 44 卷第 3 期2023 年 6 月喀什大学学报Journal of Kashi UniversityVol.44 No.3Jun.2023塑性膨胀剂对半灌浆套筒连接破坏模式的影响周奎1,2，欧阳伟2，刘昕毅2，刘洋2，朱琦2(1.喀什大学 土木工程学院，新疆 喀什 844000；2.上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093）摘要：设计了 6组 36个塑性膨胀剂不同掺量的灌浆套筒连接试件进行单向拉伸试验，以研究塑性膨胀剂对试件连接破坏模式的影响.结果表明，随着塑性膨胀剂掺量的增加，试件由钢筋拉断破坏逐渐转变为钢筋拔出破坏；当塑性膨胀剂掺量相同时，试件的灌浆锚固钢筋连接力学性能随着锚固长度的增加而增强；当锚固长度相同时，塑性膨胀剂掺量为 0.10%的试件连接力学性能相比其他掺量表现更佳，说明灌浆套筒连接试件中塑性膨胀剂的最佳掺量范围在 0.10%左右；塑性膨胀剂掺量为 0.10%时，试件出现拔出破坏，说明掺入膨胀剂时还需要关注设计应力大小.关键词：塑性膨胀剂；灌浆套筒连接；破坏模式；拉拔试验；力学性能中图分类号：TU502+.6文献标志码：A文章编号：2096-2134（2023）03-0061-050引言灌浆材料中增加胶体含量会增加灌浆料的强度，同时也会增加灌浆料的孔隙率1.但低水胶比的高强灌浆料早期自收缩趋势明显2，而且灌浆料在硬化阶段也容易产生体积收缩，导致灌浆料和套筒之间出现脱空，使套筒连接承载力降低，影响结构的稳定性和安全性3.塑性膨胀剂可以使浆体在塑性阶段产生膨胀，通过在浆体内部释放氮气，产生大量的微细气泡而引发塑性膨胀，补偿浆体的早期收缩4，提高塑性阶段的浆体密实率.预制装配剪力墙结构在墙体安装时，底部采用贯通腔方式对套筒进行灌浆，整个贯通腔处于楼板平面位置，灌浆料掺入塑性膨胀剂是考虑外墙防水的一种良好选择.曾明等5自制一种新型复合型膨胀剂，研究了其对水泥基灌浆材料性能的影响，结果表明，低水胶比条件下的流动性、泌水性、强度和耐久性均有明显改善.叶显等6研究了不同种类、不同掺量的膨胀剂在不同养护条件下对高强灌浆料体积稳定性的影响.刘云霄等7-8研究了各种类、各掺量的膨胀剂对灌浆料各项性能的影响，结果表明，硫铝酸盐膨胀剂的后期膨胀效果较好；氧化钙膨胀剂的早期与后期膨胀效果均较好，但会削弱灌浆料的流动度与强度.奉瑞萍等9研究在其他组分完全相同的情况下，发现掺量在 0 0.03%时，灌浆料的抗折强度和抗压强度均先增大后减小.王玉进等10研究了内掺 MgO膨胀剂对套筒灌浆料抗压强度和自生体积变形的影响，结果表明，MgO 膨胀剂可以明显补偿套筒灌浆料自生体积收缩，掺量在 6%以内时，对抗压强度影响较小；MgO 膨胀剂掺量增加直至12%时，硬化灌浆料浆体孔隙率相应增加，微观孔径增大，抗压强度有较大降低.Zhang 等11、Wang 等12研究了塑性膨胀剂对高性能水泥砂浆灌浆料流动度、机械强度和尺寸稳定性的影响.塑性膨胀剂会使灌浆料流动度轻微下降，可以在较小的剂量下提高抗弯强度和抗压强度，而剂量较高则会使强度显著下降.胡星13等研究了主要成分为硫化物、氧化铝的塑型膨胀剂配置的灌浆料，发现膨胀剂掺量过大时会导致强度下降，最佳掺量为 0.2%.赵泽锦等14对比了型、型硫铝酸钙类膨胀剂、氧化镁膨胀剂对混凝土面板抗裂强度的影响，使用型膨胀剂的微膨胀效果最显著，使混凝土早期收缩率降低了75.8%，28 d 干缩率减小 50.9%、42 d 收缩率减小收稿日期：2023-02-20基金项目：2021年上海理工大学大学生创新创业项目资助.作者简介：周奎（1970-），男，安徽人，副教授，博士，主要研究方向为结构非线性性能和结构损伤识别.DOI：10.13933/ki.2096-2134.2023.03.012喀什大学学报第 43 卷83.3.以上研究均表明塑性膨胀剂掺入后的微膨胀可以补偿灌浆料在塑性阶段的收缩，避免硬化后灌浆料的收缩开裂，保证了灌浆密实和充盈.灌浆料中掺入适量的微膨胀对钢筋产生环向压力，形成约束，提升了灌浆料与套筒间的黏结力、摩擦力及机械咬合力，从而增强钢筋灌浆套筒连接的整体承载能力，但掺量过多会产生较多微孔隙，导致强度下降.为研究掺入膨胀剂后连接破坏模式以及塑性膨胀剂的最佳掺量，本研究制作了 6 组 36 个半灌浆套筒试件，对试件进行单向拉伸试验，研究了不同比例的塑性膨胀剂对半灌浆套筒试件的破坏模式、承载力和变形性能等的影响，为保障灌浆套筒连接的安全性能提供参考和数据积累.1试验概况1.1原材料（1）钢筋.本试验采用 HRB400 钢筋，公称直径 20 mm.根据国家规范15进行钢筋的单向拉伸试验，实测得钢筋屈服强度为 453 MPa，抗拉强度为645 MPa，弹性模量为194 GPa.（2）灌浆套筒.本试验采用的套筒型号为CTJ-B4-20 球墨铸铁半灌浆套筒.一端与钢筋进行螺纹连接，另一端与钢筋灌浆连接，连接钢筋的锚固长度为 8d.套筒尺寸见表 1.灌浆套筒的材料性能满足标准 钢筋连接用灌浆套筒（JG/T 398-2019）16的要求.表 1半灌浆套筒尺寸表（mm）型号GTJ-B4-20适用钢筋直径20全长210灌浆端有效长度170外径45内径33.3（3）灌浆料.试验采用 C60标准型 CGM 高强灌浆料，灌浆料内原有的外加剂的作用原理与塑性膨胀剂的作用原理不相关，也不会互相反应.根据 钢筋连接用套筒灌浆料（JG/T 408-2019）17，在 高 强 灌 浆 料 中 加 入 0.00%、0.05%、0.10%、0.20%、0.30%和 0.50%比例的塑性膨胀剂，实测试验数据均能满足要求，达到抗压强度标准.（4）塑性膨胀剂.采用山东鸿鹄新材料有限公司产品，化学成分如表 2 所示.在一定的温度和砂浆水化的碱性条件下释放氮气，产生微细、均匀的气泡，浆体在塑性阶段产生适度的微膨胀，补偿灌浆料浆体水化和凝固前由于浆体沉降和自收缩等而造成的体积收缩.表 2塑性膨胀剂化学成分（%）Na2O15.40SiO20.124CaO0.042Al2O30.018SO30.041Cl0.640Fe2O30.018CO283.721.2试验设计本试验主要研究不同比例的塑性膨胀剂对钢筋灌浆套筒连接破坏模式的影响.因此，设计了 6组不同比例的塑性膨胀剂套筒试件，掺量分别为 0.00%，0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.50%.图 1 所示为距套筒端部 40 mm、70 mm、100 mm、130 mm 处纵肋上对称布置的应变计，以 V1V8表示.应变计型号为 BE120-3AA(11)，栅长栅宽为 2.8 mm 2 mm，电阻为 119.90.2，灵敏系数为2.111%.图 1钢筋上应变计布置示意1.3试验装置和试验方法试 验 采 用 SHT-4160G 万 能 试 验 机 进 行 加载，DH3816N 静态应力应变测试仪进行数据采集.根据 钢筋套筒灌浆连接应用技术规程（JGJ355-2015）18进行单向拉伸试验，测试其抗拉强度和连接接头的破坏模式.加载速率采用位移控制，速度为 2.0 mm/min，持续加载直至试件破坏.2试验结果与分析2.1试验现象与结果试验中灌浆套筒连接出现两种破坏模式，RP(Rebar Pull-out)表示钢筋拔出破坏，RF(Rebarfracture)表示钢筋拉断破坏，如图 2 所示.具体试验结果数据见表3.(a)钢筋拔出破坏(b)钢筋拉断破坏图 2半灌浆套筒拉伸试验破坏模式本节中的试件平均黏结应力（MPa）的计算62第 3 期周奎，欧阳伟，刘昕毅，刘洋，朱琦：塑性膨胀剂对半灌浆套筒连接破坏模式的影响式19：=F d la，（1）其中，F 为试件所受拉力荷载（kN），d 为试件钢筋直径（mm），la为套筒内钢筋灌浆锚固长度（mm）.表 3试验结果试件编号A1A2A3A4A5A6B1B2B3B4B5B6C1C2C3C4C5C6D1D2D3D4D5D6E1E2E3E4E5E6F1F2F3F4F5F6塑性膨胀剂掺量/%0.000.050.100.200.300.50抗拉强度/MPa570590580580580630570570560590610620570590600590600590590550590590610590590590570590580560560550570600540570峰值荷载/kN180.05184.41180.79183.19183.75198.17180.14178.53176.75185.75191.86194.09180.34183.86187.74184.38189.36185.84185.00174.20183.79182.43191.21186.35177.91184.84180.54185.15182.88177.16177.17177.71178.47186.96169.37180.28平均峰值荷载/kN185.06184.52185.25183.83181.41178.33粘结强度/MPa17.9218.3517.9918.2318.2918.7317.9317.7717.5918.4919.0919.3217.9518.3018.8818.3518.8518.5018.4117.3418.2918.1619.0818.5417.7118.3517.9718.4318.2017.6317.6317.0917.7618.6116.8616.95平均粘结强度/MPa18.2518.3718.4718.3018.0517.48破坏模式RFRFRPRPRFRFRPRFRFRPRPRPRFRPRPRFRFRPRPRPRFRFRFRPRPRP注:RF拉断破坏，RP拔出破坏.2.2试验结果分析2.2.1塑性膨胀剂对试件破坏模式的影响由表 3 可见，塑性膨胀剂掺量为 0.00%时，套筒试件的破坏模式均是钢筋拉断破坏；塑性膨胀剂掺量为 0.50%时，试件的破坏均是钢筋拔出破坏.其他掺量试件的破坏模式则有钢筋拉断和钢筋拔出两种破坏形式，由此可以看出随着塑性膨胀剂的掺入，试件的破坏模式由钢筋63喀什大学学报第 43 卷拉断破坏逐步转变为钢筋拔出破坏，且峰值荷载逐渐减小.2.2.2塑性膨胀剂对试件力学性能的影响从图 3 中，可以看出随着塑性膨胀剂掺量的增加，试件的抗拉强度和峰值荷载先减小再增大最后再减小，到掺量为 0.10%时，试件的抗拉强度达到最大.而塑性膨胀剂对粘结应力的影响则是先提高粘结强度后降低，在掺量为 0.10%时，粘结强度均值达到了 18.47MPa，在各组塑性膨胀剂掺量中，表现最佳.由此可以知，掺入适量塑性膨胀剂是可以提高套筒连接的抗拉强度、峰值荷载和粘结应力.但掺入过多塑性膨胀剂则会降低套筒试件的力学性能.本试验中塑性膨胀剂掺量为 0.10%时，试件的力学性能表现最好.图 3塑性膨胀剂对试件力学性能的影响然 而钢 筋 套 筒 灌 浆 连 接 应 用 技 术 规 程（JGJ355-2015）18中明确要求钢筋套筒连接破坏时应断于接头外钢筋，即不允许出现钢筋拔出破坏，因此对于实际工程中塑性膨胀剂的应用需要格外小心.2.2.3塑性膨胀剂对荷载-应变曲线的影响图 4(a)(d)所示分别为不同膨胀剂掺量、距套筒端部 40 mm、70 mm、100 mm 和 130 mm 处钢筋应变计实测的荷载与应变曲线.在弹性阶段，试件的荷载-应变曲线呈现线性关系.膨胀剂的掺量对试件荷载-应变曲线的斜率有显著影响.随着塑性膨胀剂的掺入，试件荷载-应变曲线的斜率先增加后减小.当塑性膨胀剂掺量为 0.10%时，试件荷载-应变曲线的斜率最大，说明此时试件的粘结能力最强；当塑性膨胀剂的掺加剂量超过了 0.10%时，塑性膨胀剂反而会对灌浆端锚固钢筋的连接力学性能产生不利影响.在塑性膨胀剂掺量相同的情况下，不同锚固长度的曲线斜率也不一致，说明套筒内钢筋的应力分布并不是均匀的.在 40 mm 处试件的荷载-应变曲线斜率最小，而应变最大；随着锚固长度的增加，试件的荷载-应变曲线的斜率也在逐步增大，应变逐步减小；至锚固位置 130 mm处，荷载-应变曲线斜率达到最大.说明锚固的长度也会影响试件的安全性，锚固长度越深，钢筋的拉伸刚度越大，试件的锚固性能越好.图 4钢筋不同位置荷载-应变曲线3结论（1）钢筋灌浆套筒连接接头试件在拉拔试验中的破坏模式主要有两种：钢筋拔出破坏与钢筋拉断破坏，且随着塑性膨胀剂掺量的增加，试件破坏模式由钢筋拉断破坏逐步向钢筋拔出破坏转变.（2）从拉拔试验所得出的峰值荷载、粘结强度、抗拉强度等特征值数据来看，当塑性膨胀剂掺量为 0.10%时，试件的各项性能指标最优，有着最佳的粘结性能与抗拉性能；而随着塑性膨胀剂掺量的添加，试件的粘结性能与抗拉性能也逐渐减弱.（3）灌浆套筒试件内灌浆锚固钢筋的荷载-应变关系在弹性阶段符合线性关系.当塑性膨胀剂掺量相同时，试件的灌浆锚固钢筋连接力学性能随着锚固长度的增加而变强.当锚固长度相同，塑性膨胀剂掺量为 0.10%时，试件的灌浆锚固钢筋连接力学性能相比其他掺量表现更64第 3 期周奎，欧阳伟，刘昕毅，刘洋，朱琦：塑性膨胀剂对半灌浆套筒连接破坏模式的影响佳；荷载-应变曲线斜率也随着塑性膨胀剂的增加先增加后减小，说明灌浆套筒连接试件中塑性膨胀剂的最佳掺量范围在0.10%左右.（4）在套筒连接设计中，试件不允许出现拔出破坏，但在塑性膨胀剂掺量为 0.10%时，试件的破坏模式出现拔出破坏.说明掺入塑性膨胀剂时需要格外关注破坏模式的转变.参考文献：1 Liu Y,Wang Y,Fang G,et al.A preliminarystudy oncapsule-based self-healing grouting materials for groutedsplice sleeve connection J.Construction and BuildingMaterials,2018,170:418-423.2 Hua C,Acker P,Ehrlacher A.Analyses andmodels ofthe autogenous shrinkage of hardening cement paste:I.Modelling at macroscopic scale J.Cement and ConcreteResearch,1995,25（7）:1457-1468.3 谷坤鹏,李漠.后张预应力高性能灌浆料体积稳定性的研究J.混凝土,2007,（10）:30-33.4 Sui C,Farrar M J,Harnsberger P M,et al.New low-temperature performance-grading method:Using 4 mm parallel plates on a dynamic shear rheometer J.Transportation Research Record:Journal of the Transportation Research Board,2011,22（7）:43-48.5 曾明,周紫晨.一种用于水泥基灌浆料的复合膨胀剂研究J.混凝土与水泥制品,2011,（2）:6-9.6 叶显,吴文选,侯维红,等.膨胀剂对高强灌浆料体积稳定性的影响J.建筑材料学报,2018,21（6）:950-955.7 刘云霄,茌引引,田威,等.不同膨胀剂对水泥基灌浆料性能的影响J.建筑材料学报,2022,25（3）:307-313.8 刘云霄,李晓光,张春苗等.铁尾矿砂水泥基灌浆料性能研究J.建筑材料学报,2019,22（4）:538-544.9 奉瑞萍,欧志华.塑性膨胀剂对钢筋连接用套 筒灌浆料性能的影响J.上海建材,2020,（4）:15-17.10 王玉进,李浩杰,杨进波.养护条件及 MgO 膨胀剂对套筒灌浆料性能的影响研究J.混凝土世界,2021,（8）:61-64.11 Zhang G,Qiu D,Wang S,et al.Effects of plastic expansive agent on the fluidity,mechanical strength,dimensional stability and hydration of high performance cementitious groutsJ.Construction and Building Materials,2020,243:118204.12 Wang S,Wang Z,Huang T,et al.Mechanical strengths,drying shrinkage and pore structure of cement mortarswith hydroxyethyl methyl celluloseJ.Construction andBuilding Materials,2022,part B,314（3）:125683.13 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connection damage mode ofthe specimens.The study showed that with the dose increasing,the specimens gradually changed from rein-forcement fracture damage to reinforcement pull-out damage.The mechanical properties of the grouted and an-chored reinforcement connections became stronger with the increase of the anchorage length when the dose ofplastic expansion agent was the same;when the anchorage length was the same,the mechanical properties ofthe connections with the dose of 0.10%were better than the other doses;this indicates that the optimum doseof the agent in the grouted sleeve connection specimens is around 0.10%.However,the specimens showed pull-out damage with a dose of 0.10%of plastic expansion agent.This indicates that the design stress should also betaken into account when incorporating plastic expansion agents.Key words:plastic expansion agent;grouting sleeve connection;failure mode;pull out test;mechanical property65