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小接头、大文章!PC关键节点套筒灌浆连接及施工质量控制应该这样

  • 2020-03-27 10:30
  • 专业分类:土建工程

来源:土木工程资源共享

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正文

钢筋套筒灌浆连接在装配式混凝土结构中经济占比很小,但对连接节点的性能乃至整体装配式结构的整体性能影响却非常关键。因此,在设计、构件制作、现场施工各个环节都要予以高度重视和合理管控。

套筒灌浆连接的重要性及常见形式、特点

钢筋套筒灌浆连接是在带内沟槽的套筒中插入单根带肋钢筋,注入水泥基的灌浆料拌合物填充套筒和钢筋的间隙,通过拌合物硬化而实现传力的钢筋连接方式。其主要特点是钢筋轴向对接,实现钢筋传力合理、明确,使计算分析与节点实际受力情况相符合。因此,套筒灌浆连接在日本、美国等地震多发国家以及台湾、新加坡等地成为装配式构件纵筋连接的主要方式。在我国,经过一批研究院、高校、企业的接头单体以及构件整体试验研究,证实了其安全性,成为编制我国《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1-2014的重要技术基础。
套筒灌浆连接分为半灌浆连接和全灌浆连接两种形式
半灌浆连接通常一半采用螺纹连接,一半是灌浆连接,只能适用于竖向构件钢筋的连接(见图1)。但由于其套筒比全灌浆连接短,成本低,且在现场灌浆工作量减半,灌浆施工难度和质量控制难度大大降低,成为目前我国竖向构件钢筋连接的首选方式。
全灌浆连接可以用于水平构件钢筋的连接(见图3),也可用于竖向构件钢筋的连接,当然根据用途不同,套筒结构会有一些变化(见图2)。

▲ 图1  半灌浆连接


▲ 图2  全灌浆竖向连接


▲ 图3  全灌浆水平连接



套筒灌浆连接设计、施工现行相关规范

经过十余年的试验、示范应用及论证,目前我国涉及套筒灌浆连接的规范尽管还需要在实践中进一步完善,但应该说在国际上还是最齐全、明确的。
 1、《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1-2014
套筒灌浆连接接头技术是该规范推荐采用的主要钢筋连接技术,在规范中做了较多规定,包括连接材料、不同结构中连接方式的设计、施工及验收等。涉及设计及验收的重点条款如下:
6.5.2条:“节点处及接缝处的纵向钢筋连接宜根据接头受力、施工工艺等要求选用机械连接、套筒灌浆连接、浆锚搭接连接、焊接、绑扎搭接等连接方式……”。 
由于结构及施工工艺所限,其他机械连接、焊接、绑扎搭接很难采用,目前国内主要采用套筒灌浆、浆锚搭接两种。
6.5.4条:“采用浆锚搭接时,对预留孔成孔工艺、孔道形状和长度、构造要求、灌浆料和被连接钢筋,应进行力学性能及适用性的试验验证。直径大于20mm的钢筋不宜采用……” 
这条实际是对采用浆锚搭接的选用提出了严格要求,主要原因是虽然国内对浆锚搭接已进行了一定的研究试验并有一些工程应用,但对该连接尚无统一的技术标准。实际上浆锚搭接不是接头,无法做接头试验,所以要通过构件的力学和抗震性能试验来验证。 
7.1.2条:“装配式整体框架结构中,预制柱的纵向钢筋连接应符合下列规定……;2 当房屋高度大于12m或层数超过3层时,宜采用套筒灌浆连接。” 
这是对框架结构达到一定高度或层数时,推荐使用套筒灌浆连接。 
8.3.5条:“上下层剪力墙的竖向钢筋连接……,应符合下列规定……;3 一级抗震等级剪力墙以及二、三级抗震等级底部加强部位,剪力墙的边缘构件竖向钢筋宜采用套筒灌浆连接。” 
这是对剪力墙结构不同抗震等级的重要受力部位,推荐使用套筒灌浆连接。 
11.1.4条:“预制结构构件采用钢筋套筒灌浆连接时,应在构建生产前进行钢筋套筒灌浆连接接头的抗拉强度试验,每种规格的连接接头试件数量不少于3个。”
这条是该规范的强制性条文。该规范总共两条强制性条文,一条是关于抗震设计的,另一条就是该条文,凸显了套筒灌浆连接在该规范中的关键地位。
 2、《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》JGJ355-2015
该规范于2015年9月1日起正式实施,包括了适用钢筋、套筒、灌浆料、设计、接头性能、施工、检验验收等内容,是我国目前专门的套筒灌浆连接标准
由于套筒灌浆接头主要用于墙、柱等重要竖向构件同截面钢筋100%连接部位,故该规范除了对接头变形性能要求与现行《钢筋机械连接技术规程》JGJ107规定的Ⅰ级接头一致外,对接头抗拉强度提出了更严格的要求,即“接头抗拉强度不应小于连接钢筋抗拉强度标准值,且破坏时应断于接头外钢筋。同时规定当接头拉力达到连接钢筋抗拉载荷标准值的1.15倍而未发生破坏时,应判为抗拉强度合格,可停止试验”。
 3、《钢筋连接用灌浆套筒》JG/T398-2012 
该规范是核心产品灌浆套筒的推荐性标准,内容包括套筒分类、材料性能、尺寸偏差、力学性能、试验检验等。
需要注意的是,该规范编制时间早于JGJ355-2015,因而当时的力学性能要求灌浆套筒与灌浆料匹配使用形成的灌浆连接接头抗拉强度应符合JGJ107-2010中Ⅰ级接头的规定。如本文前面介绍,目前JGJ355已经实施,其中力学性能指标与JGJ107不同且更加严格,故该指标应以JGJ355为准,需要引起注意。
 4、《钢筋连接用套筒灌浆料》JG/T408-2013
该规范是核心产品灌浆料的推荐性标准,对灌浆料材料、性能、试验检验及验收等进行了规定。该灌浆料属于套筒连接用专用灌浆料,也叫接头灌浆料,与我国原先已有的广泛应用于设备二次灌浆的高强灌浆料不同,且需要与灌浆套筒匹配使用。

灌浆套筒形式及材料特点

灌浆套筒是灌浆连接的关键产品,其结构形式与材料的选择是质量控制的关键点。
灌浆套筒按结构形式分为全灌浆套筒和半灌浆套筒,对应注入灌浆料后形成全灌浆连接接头和半灌浆连接接头。其应用特点在第1节中已经描述。

▲ 图4  JM半灌浆套筒

▲ 图5  JM全灌浆套筒

灌浆套筒按加工方式分为铸造和机械加工两种。JG/T398规范要求“铸造套筒宜选用球墨铸铁”,主要是考虑到球墨铸铁有较好的铸造成型性能,利于内部带有沟槽的较为复杂的套筒成型;要求“机械加工套筒宜选用优质碳素结构钢、低合金高强度结构钢、合金结构钢等”,主要是考虑机械切削加工工艺和综合成本。

JG/T398规范对采用球墨铸铁和结构钢两种材料时灌浆套筒的材料性能如表1.

从表1可以看出,各类钢制灌浆套筒的材料性能不仅多了屈服强度指标,抗拉强度、断后伸长率指标也高于球墨铸铁。当然,球墨铸铁5%的断后伸长率指标也已经高于国外同类产品3%的指标要求。但在相同条件下,断后伸长率越高,意味着钢材延性越好,受力越安全。
JG/T398规范对采用铸造和机械加工两种加工方式时灌浆套筒的尺寸偏差及最小壁厚如表2.

从表2看出,机械加工灌浆套筒各种尺寸允许偏差以及最小壁厚均严于铸造灌浆套筒,体现了机械加工套筒的材质、尺寸精度容易保证。特别是套筒壁厚最小容许为3mm,在同样套筒内径(同样钢筋插入容错量)的情况下,套筒外径设计的可以较“瘦”,在保护层厚度局限的剪力墙中应用于时,优势凸显。
总之,机加工钢制套筒相比于铸造球墨铸铁套筒,由于原材料稳定、延性指标高、外径尺寸小、质量易控制等优点,成为目前国内用量最多的灌浆套筒,是我国对该类产品的一大创新。
另外,套筒内腔沟槽细节非常重要。沟槽采用“小斜坡”而非近似梯形的“凹凸”肋设计,PC构件安装时会很顺畅,减少卡阻现象,见示意图6.

▲ 图6  内腔小斜坡构造插入钢筋顺利


套筒灌浆料关键性能参数

套筒灌浆料是灌浆连接的关键产品,属于水泥基材料,主要在现场构件安装时使用,JG/T408规范中,对材料的基本性能参数给出了如下表3规定。

需要说明的是,本标准给出的只是几个时间节点和最终目标值要求,而灌浆料根据实际操作方式的不同(手动、机械灌浆)和灌浆环境温度变化会有较为复杂的表现,且灌浆完成后对灌浆内部质量到目前为止国内外仍然没有有效的检测方法,所以,过程控制是灌浆环节的重中之重。这样,在选择灌浆料时,除了满足上述参数指标外,还要考虑其它的过程参数,比如可操作性、稳定性(过程流动性)等等。 
经过几年的发展,我国目前已有产品针对现场工况进行了研究改进,能够比较好地适应现场操作要求。比如CGMJM-Ⅵ、Ⅷ型接头专用高强灌浆料,已经在满足行业标准前提下,取得如下突破:
1、为了避免30分钟时间内出现准备不足、有突发现象发生无法完成灌浆(通常发生在多套筒连通灌浆时),实现在100分钟时还有260mm流动度;
2、为了考察实际流动状况(有无窝气、是否层流、泌水)和灌浆后密实状态(有无气孔、空洞),通过了日本专家及国内专家见证的模拟构件灌浆过程状态检测验证,如图7;

▲ 图7  模拟框架柱的半灌浆过程检检测试验

3、能够在35℃~0℃区间方便使用。 

灌浆连接操作重点质量控制环节

根据选择的灌浆套筒结构形式不同及应用部位不同,灌浆连接操作分为构件厂预制构件时安装灌浆套筒、现场对竖向预埋套筒进行灌浆施工、现场安装全灌浆套筒及灌浆施工等三个工艺流程。
 1、预制构件厂安装灌浆套筒
在构件厂预制剪力墙、框架柱等构件时灌浆套筒安装操作控制工艺流程如下:

1)套筒验收按照JGJ/T398及JGJ355的相关要求进行。
钢筋灌浆连接涉及构件预制和现场施工两个作业主体或场所,故在构件厂套筒的验收中,最好协调考虑匹配的灌浆料和实际施工操作工艺,否则在现场安装时需要单独重复的验收,造成不必要的浪费。
如JGJ355第7.0.5条规定,“灌浆套筒埋入预制构件时,工艺检验应在构件生产前进行;当现场灌浆施工单位与工艺检验时的灌浆单位不同,灌浆前应再次进行工艺检验”。这表明,如果现场灌浆施工单位与工艺检验时的灌浆单位不同时,需要进行重复的工艺试验,反之则不然。
JGJ355第7.0.6条规定,“灌浆套筒进厂(场)时,应抽取灌浆套筒并采用与之匹配的灌浆料制作对中连接接头试件,并进行抗拉强度检验;检查数量:同一批号、同一类型、同一规格的灌浆套筒,
不超过1000个为一批,每批随机抽取3个灌浆套筒制作对中连接接头试件”。这就需要构件预制和现场施工两单位事先协调好一是套筒与灌浆料的选择匹配性、二是如何完成检验等两件事。
另外需要注意的是,灌浆料最终强度周期为28天,故工艺检验应该在构件生产前提前进行,当然,为减少试验周期,在28天内,只要同步灌浆料试块强度达到85MPa就可送检。
2)钢筋下料时注意两个环节,一是端头应平直(如图8),以保证加工丝头有效长度和灌浆锚固长度有效;二是要控制好总长度尺寸,要求构件拆模后外露钢筋偏差为0~+10mm。采取半灌浆套筒的要考虑钢筋与套筒螺纹重合连接的长度。

3)采用半灌浆套筒的,要对钢筋一端进行与套筒螺纹匹配的丝头加工,然后与套筒拧紧连接(见图9)。钢筋螺纹连接在我国已经成为现浇建筑施工中非常普遍的方式,在构件厂应该更加容易控制。但是,根据目前的情况,还是有几方面需要引起重视:一是丝头加工机、加工参数的选择要与套筒螺纹参数配套;二是对操作人员要进行专业培训,丝头质量要按要求检查合格;三是套筒与钢筋螺纹拧紧连接后要达到要求的力矩值;四是套筒与钢筋连接后整齐码放,严禁磕碰。


▲ 图9  钢筋剥肋滚丝加工、丝头及检验

采用全灌浆套筒的,钢筋和套筒暂时“软”连接,即将钢筋插入套筒,顶紧套筒内限位销钉后绑扎固定。这时注意:一是套筒端部密封件要安装紧密且无破损,以防止浇筑构件时漏浆;二是钢筋插入一定要紧贴限位销钉,否则会影响插入深度。
4)通常采用专用固定件将套筒与构件模板固定。
这里主要控制套筒端口贴紧模板且不松动,一则保证套筒定位准确,二则保证浇筑混凝土时不往套筒内漏浆,见图10.

▲ 图10  固定组件与柱套筒固定

5)通常采用适宜的PVC管与灌浆套筒上的灌排浆嘴连接,形成灌排浆通道。 采用其他材料管子时,要考虑强度及刚度,避免浇筑混凝土时变形或破损。 

灌浆排浆管要安装结实,必要时绑扎固定,防止浇筑混凝土时移位或脱落漏浆,如图11. 

▲ 图11  安装PVC管并固定

6)这里的构件检查主要是指构件制作完成后对灌浆套筒位置外露钢筋长度的检查和对套筒内腔和灌浆、排浆管路的检查。
在实际应用中,曾出现过在现场安装时发现有些灌浆管路堵塞的问题,有些灌浆前检查出问题将整个构件退回,返工费用高昂;有些甚至在构件安装后灌浆施工时才发现,造成严重的质量问题和经济损失,应该予以足够重视。
 2、现场对竖向预埋套筒进行灌浆施工
在现场对预制剪力墙、框架柱等竖向预埋套筒进行灌浆施工操作控制工艺流程如下:

1)现场灌浆施工是套筒灌浆连接的最重要也是难度最大的环节,因而准备工作要充分,主要包括:
对进场构件的钢套筒位置、外露钢筋长度位置、灌浆孔道等进行验收确认,合格后再吊装;
对与套筒配套的灌浆料的进货验收。根据JGJ355第7.0.4条要求,“灌浆料进场时,应对灌浆料拌合物30min流动度、泌水率、3d抗压强度、28d抗压强度、3h竖向膨胀率、24h与3h竖向膨胀率差值,按同一成分、同一批号的,不超过50吨为一批进行检验”。注意有28天的强度指标,所以应该尽早进货;
准备必要的灌浆施工工具,包括:浆料搅拌桶、冲击钻式砂浆搅拌机、电子称、刻度杯、测温计、电动灌浆泵或手动灌浆枪。这些工具中,对搅拌机和灌浆泵,一定要经过对选用灌浆料的实际搅拌和灌浆施工工艺试验验证后方可施工应用,或经由灌浆料提供厂家确认;
准备必要的现场灌浆料检验模具:检验流动度的截锥试模、钢化玻璃板,检验强度的三联试模;
对灌浆施工人员包括封缝、灌浆料制备和灌浆人员要由技术产品提供单位进行专业技术培训。
2)对于多套筒连通腔灌浆来说,预制构件吊装后的接缝封堵是非常重要的环节。
封堵接缝应该采用专用的封缝料,也叫封堵座浆料,是一种强度高(达到50MPa)、干缩小、和易性好(可塑性好,封堵后无坍落)、粘接性能好的水泥基砂浆。
封堵时,为填抹密实并防止封堵过深堵住套筒里孔,需要在里侧加内衬。内衬材料可以是略小于接缝高度的PVC管(见图12)或橡胶管,

▲ 图12  封缝示意图

也可以直接用类似抹子的钢板做内衬。封堵完毕后,及时将内衬抽出,抽出内衬时尽量不扰动抹好的封堵料。封堵完毕后确认干硬强度达到约30MPa以上时再灌浆。封堵深度(宽度)一般在15~20mm,封堵高度为接缝高度。
特别注意,对带保温夹芯层的剪力墙外侧,要用密封带封堵(橡塑保温板)。这时,密封带要有足够厚度,压扁到接缝高度后要有一定强度。密封带要不吸水,防止吸收灌浆料水分影响流动并引起收缩。 
对长度超过1.5M的接缝,如果没有充分的灌浆试验,宜用封缝料分仓。
当不采用连通腔灌浆方式时,构件就位前应设置坐浆层。此时注意:一方面坐浆层铺设高度太低则无法密封,太高则套筒进浆;另一方面吊装构件时构件调整幅度过大容易密封不实。这种工艺目前采用较少。
当不采用连通腔灌浆方式时,还有一种方式值得推荐,就是在吊装时每个套筒下方设置一套弹性密封组件,局部辅助堆砌座浆料,如图13。这样,构件吊装后每个套筒进行单独灌浆,可以很好地保证套筒灌浆质量。剩余接缝空腔可使用普通灌浆料充填。这种方法在国外采用较多。

▲ 图13  弹性密封组件安装示意图

3)灌浆料是灌浆连接的核心产品之一,一定选用经过型式检验和在构件生产时与套筒配套通过工艺检验的专用接头灌浆材料。严禁使用未经与套筒配套通过上述检验的灌浆料。
灌浆料搅拌制备是套筒灌浆连接中的重点控制环节。在现场制备灌浆料时,一定要使用按 5.2第1条 选定的工具,并重点控制:一是加水量(水料比)。要按本批料出厂检验报告要求的水料比,精确称量灌浆料和水。建议用电子称称量灌浆料,用刻度量杯计量水。在实际应用中,发现过用无刻度脸盆估计加水量的情况,一定要引起重视并严格杜绝;二是搅拌工艺。为了搅拌均匀,建议先加水、后加料,用选定的变速搅拌机大约搅拌3~4分钟至彻底均匀(见图14);三是静置排气。搅拌均匀后,静置约2~3分钟,使浆内气泡自然排出后再使用。

▲ 图14  灌浆料搅拌及流动度测试

4)灌浆是整个套筒灌浆连接中最关键的工序。
灌浆前要确认吊装和封缝满足要求。灌浆时:单个套筒灌浆可采用手动灌浆枪,多个套筒连通腔灌浆应采用电动泵。灌浆时要从套筒下方的灌浆孔处向套筒内灌浆,待接头上方的排浆孔流出浆料后,及时用堵塞封堵。封堵时要保持一定的灌浆压力,灌浆泵(枪)口撤离灌浆孔时,也应立即封堵,以防倒流;严禁同一个腔体从两处及以上灌浆(会窝气)。
特别注意:浆料要尽量在自加水搅拌开始20~30分钟内灌完,以保留一定的操作应急时间。剩余的浆料如果经搅拌不能达到260mm以上流动度要求时要废弃不用,严禁再加水使用。
灌浆完成后浆料凝固前,巡视检查已灌浆的接头,如有漏浆及时处理;灌浆料凝固后,取下灌排浆孔封堵胶塞,检查孔内凝固的灌浆料充盈度。对于半灌浆接头,由于套筒设计时在排浆孔处预留了20mm长的钢筋偏差余量,故凝固的灌浆料上表面高于排浆孔下缘5mm即可(如图15)。对于全灌浆接头,则要求凝固的灌浆料要充满排浆口。如有灌浆不满,需要处理。

▲ 图15  排浆孔凝固浆面检查

5)在灌浆开始时,同步制作灌浆料强度试块。当试块强度达到35MPa前,不得有对构件接头有扰动的后续施工。拆除支撑固定模架要根据后续承载确定。 
 3、现场安装全灌浆套筒及灌浆施工
在现场对预制框架梁等水平构件纵筋进行套筒灌浆施工操作控制工艺流程如下:

受施工工艺的限制,预制梁等水平构件的纵筋连接通常采用在预留现浇段现场安装全灌浆套筒、单独灌浆的作业方式。
1)首先,对灌浆套筒和匹配的灌浆料进行进场验收,验收要求同5.1第1)条和5.2第1)条。不同的是,套筒和灌浆料的选择全部是现场施工同一单位,省去两单位协调的环节。
2)在构件吊装前,用记号笔在待连接钢筋上做插入深度定位标记(标记划在钢筋上部,要清晰、不易脱落,如图16),然后将套筒全部套入一侧预制梁的连接钢筋上,如图17.

▲ 图16  钢筋上做标记

构件吊装后,检查两侧构件伸出的待连接钢筋位置及长度偏差,合格后将套筒按标记移至两根待接钢筋中间,如图18. 安装时应转动套筒使灌排浆嘴朝向正上方±45度范围内,并检查套筒两侧密封圈是否正常。 

▲ 图17  套筒先装在一侧

▲ 图18  套筒就位

▲ 图19  套筒灌浆

3)灌浆料制备同5.2第3)条。
4)由于梁用套筒是每个接头单独灌浆,一般采用手动灌浆枪。灌浆时用灌浆枪从套筒的一端灌浆嘴向套筒内灌浆,至浆料从套筒另一端的排浆嘴处流出为止,如图19. 
灌浆完成后马上检查是否两端漏浆并及时处理。灌浆料凝固后,检查灌浆口、排浆口处,凝固的灌浆料上表面应高于套筒上沿。 
5)由于梁用灌浆套筒处于现浇带暴露在外,且梁构件跨度大固定支撑难度较大,故灌浆完成后,同步灌浆料试块强度达到35MPa前,不得踩踏套筒,不得有对构件接头有扰动的后续施工。

小结

根据作者多年试验研究、国内外近百项工程实践及与国内外同行的广泛交流,小结如下:
1)套筒灌浆连接是PC建筑中的关键技术,设计、构件制造、安装各方必须高度予以重视; 
2)套筒、灌浆料、施工工艺三个环节,要统筹配套选择,严格把控;
3)由于灌浆完成后没有有效的内部质量检测手段(国际性难题),所以灌浆工艺和过程控制非常重要。工厂钢筋丝头加工及现场灌浆应该是质量控制的重点,其中难点在现场灌浆; 
4)实践证明,只要有“小接头、大文章”的意识,领导重视、管控到位,就能满足要求。否则就会出现大问题。

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