CN114001847B - 一种装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法，所述方法包括如下步骤：S1：建立轴向拉力和电阻值变化率之间的函数关系；S2：确定插入钢筋的嵌入深度；S3：对灌浆套筒进行标准化注浆；S4：灌浆套筒连接件达到养护要求后，将连接测试系统正负电极的导线与套筒两端的钢筋相连接，受力钢筋直接作为两电极法的电极材料；S5：在加载前，对灌浆套筒连接件通电一段时间，减弱极化效应带来的影响；S6：对试件进行轴向拉伸试验，在拉拔过程中实时读取直流电阻的数值，建立电阻值变化率与灌浆套筒连接处应力状态的对应关系。本发明解决了混凝土结构内部灌浆套筒在服役过程中的应力状态难以监测的问题。

Description

一种装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法

技术领域

本发明属于建筑质量检测技术领域，涉及一种对应变、应力自感知灌浆料的封装方法，具体涉及一种装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法。

背景技术

混凝土是世界上使用最多的材料之一。它对世界资源、能源消耗和二氧化碳排放有着直接和明显的影响，传统的施工方法会造成众多的环境问题，比如：环境污染、水资源浪费、扬尘严重等。加上我国人口优势逐渐减弱，人口老龄化加剧，这一现象导致劳动力短缺和成本不断上升。因此，我们需要大力发展装配式建筑。与传统的施工方式相比，推进建筑工业化进程具有保护环境、节约资源、节省劳动力等优点，但是其在长期服役过程中的耐久性一直为人们所担忧。其中，不同构件之间的连接是影响装配式建筑整体性和耐久性的关键。灌浆套筒连接形式是对预制构件进行搭接的主要方式之一，灌浆套筒连接部位的工作性能对结构的安全性、整体性具有重要影响。另外，灌浆套筒连接形式在长期服役过程中隐藏于混凝土内部，套筒内部的塑性损伤很难被发现。因此，识别钢筋套筒内部的应力状态对结构的安全性能判断和剩余寿命预测至关重要。

目前，针对灌浆套筒应力状态的无损监测方法主要通过外加压电陶瓷、光纤光栅等传感器，以上方法存在诸多局限性：与混凝土结合耐久性差；成本高；施工难度大。此外，灌浆套筒内部空间狭窄，而外加传感器一定程度地占据了灌浆料的填充空间，对灌浆套筒连接处的工作性能带来极大的劣化影响。并且，目前针对灌浆套筒应力状态的监测方法单一，研究也相对较少。

最近，自感知水泥基复合材料得到大力发展。通过添加功能填料，使传统的水泥基材料具备了感知应力、应变和破坏程度的能力，同时具有良好的电学稳定性能。1930年左右，国外就开始了对自感知水泥基复合材料的研究。到目前为止，已有十余种类型的功能填料被应用到水泥基材料中。其中，多尺度的碳基材料是目前应用最多的功能填料类型。然而，目前自感知水泥基复合材料应用范围较为局限，在实际工程的监测过程中，仍然需要预埋大量的电极材料，其监测过程非常繁琐，并且目前大多还处于试验阶段。此外，针对自感知水泥基复合材料封装方式的研究有待深入。

发明内容

为了克服现有针对灌浆套筒应力状态检测技术的缺陷，考虑到灌浆套筒连接形式的独特性和传统感知技术的局限性，本发明提供了一种装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法。本发明采用具有良好电学稳定性能和应变、应力自感知性能的智能灌浆料作为灌浆套筒的封装材料，其同时作为套筒内部应力状态的感知材料，将套筒两端连接的受力钢筋作为两电极法的电极材料，将灌浆套筒的结构功能与应力状态的自监测功能完美结合，并用直流电阻值变化率作为评价套筒连接部位应力状态的指标，解决了混凝土结构内部灌浆套筒在服役过程中的应力状态难以监测的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法，包括如下步骤：

步骤S1：基于理论分析方法，将某型号的灌浆套筒和智能灌浆料的参数带入压阻耦合理论模型，建立轴向拉力和电阻值变化率之间的函数关系；

步骤S2：通过压阻耦合理论模型探究插入端钢筋的嵌入深度对应力感知能力的影响，结合施工的便捷性和精度最终确定插入钢筋的嵌入深度；

步骤S3：采用具有良好电学稳定性能和应变、应力自感知性能的智能灌浆料对灌浆套筒进行标准化注浆，在注浆过程中保证套筒的灌浆质量和插入端钢筋的对中精度；

步骤S4：灌浆套筒连接件达到养护要求后，将连接测试系统正负电极的导线与套筒两端的钢筋相连接，受力钢筋直接作为两电极法的电极材料；

步骤S5：在加载前，对灌浆套筒连接件通电一段时间，减弱极化效应带来的影响；

步骤S6：对电液伺服试验机与套筒连接件接触处做绝缘处理，对试件进行轴向拉伸试验，在拉拔过程中实时读取直流电阻的数值，建立电阻值变化率与灌浆套筒连接处应力状态的对应关系。

发明原理：

本发明采用具有应力、应变自感知性能的智能灌浆料作为灌浆套筒的填充材料，直接将套筒两端连接的受力钢筋作为直流两电极法的电极，当施加直流电压激励时，智能灌浆料在套筒内部处处并联。当灌浆套筒连接部位受到轴向拉力时，灌浆料的应变值增大，从而导致灌浆料的电阻值增大，最终导致灌浆套筒整体的电阻值增大。因此，电阻值变化率可以作为评价灌浆套筒连接部位应力状态的指标。本发明无需外加压电陶瓷、光纤光栅等传感器，可实现对灌浆套筒应力状态的实时监测。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明不需要外加光栅光纤、压电陶瓷等传感器，将灌浆套筒的结构功能和监测功能完美结合，同时将套筒两端连接的受力钢筋作为二电极法的电极材料，减少了繁琐的电极布置，能够准确判断结构内部套筒连接件的应力状态，具有操作简单，速度快，效率高等特点，为有效的识别混凝土结构内部套筒连接件的应力状态提供了一个全新的无损监测方法，可以对灌浆套筒连接部位的应力状态做出确切判断。

附图说明

图1是套筒内智能灌浆料划分三部分示意图；

图2是具体实施过程中装配式灌浆套筒在拉力作用下应力自监测过程示意图；

图3是实施例中灌浆套筒连接件轴向拉力与电阻值变化率的关系图；

图4是对比例中灌浆套筒连接件轴向拉力与电阻值变化率的关系图；

图中，1-预制端钢筋，2-灌浆套筒，3-智能灌浆料圆柱体部分，4-在拉力下智能灌浆料电阻率未发生变化的圆筒体部分，5-在拉力下智能灌浆料电阻率发生变化的圆筒体部分，6-插入端钢筋，7-加载装置，8-绝缘处理，9-智能灌浆料，10-负极，11-正极，12-直流电阻测试装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种实时监测混凝土结构内部灌浆套筒应力状态的方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤S1：基于理论分析方法，将某型号的灌浆套筒和智能灌浆料的参数带入压阻耦合理论模型，建立轴向拉力和电阻值变化率之间的函数关系，其中：灌浆套筒类型可以依托现有套筒型号和智能灌浆料类型，并不局限于单一的灌浆套筒和智能灌浆料。

本步骤中，通过理论分析方法建立了灌浆套筒连接件压阻耦合理论模型，分析插入端钢筋嵌入深度对感知套筒内部应力状态能力的影响。其中，根据电流的传导路径和应变分量的方向，将套筒内灌浆料分为三部分，分别为圆柱体部分、电阻率未发生变化的圆筒体部分、电阻率发生变化的圆筒体部分，如图1所示。

本步骤中，压阻耦合理论模型如下：

其中，Δ是灌浆套筒连接件在拉力作用下的电阻值变化率，F是轴向拉力，π是压阻系数，E_C是灌浆料的弹性模量，E_S是钢筋的弹性模量，E_Sl是套筒的弹性模量，

是灌浆料变形放大系数，h₁是在拉力荷载作用下电阻率发生变化的灌浆料圆筒体部分的高度，h₂是在拉力荷载作用下电阻率未发生变化的灌浆料圆筒体部分的高度，A_S是钢筋的截面积，A_Sl是灌浆套筒的截面积，A_C是灌浆料的截面积，r_out是圆筒体灌浆料的外半径，r_in是圆筒体灌浆料的内半径，ε_S,max是在轴向拉力下钢筋的最大应变值，ε_Sl,max是在轴向拉力下灌浆套筒的最大应变值。

步骤S2：通过压阻耦合理论模型探究插入端钢筋的嵌入深度对应力感知能力的影响，结合施工的便捷性和精度最终确定插入钢筋的嵌入深度。

步骤S3：采用具有良好电学稳定性能和应变、应力自感知性能的智能灌浆料对灌浆套筒进行标准化注浆，在注浆过程中保证套筒的灌浆质量和插入端钢筋的对中精度。

本步骤中，采用具有良好电学稳定性能和应变、应力自感知性能的智能灌浆料作为灌浆套筒的封装材料，其同时满足钢筋套筒用高强灌浆料工作性能的要求。

本步骤中，所述具有良好电学稳定性能和应变、应力自感知性能的智能灌浆料采用以下原料按重量比混配均匀而成：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，0.9～1.32；功能填料，0.011～0.01625；粉煤灰，0～0.13；硅灰，0.06～0.13；矿粉，0～0.13；外加剂，0.04525～0.06990；水，0.24～0.27，其中：

石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.5～0.72；40目～70目，0.4～0.6；

功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，0.1～0.125；200μm碳纤维粉，1.0～1.5；

外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，4.0～6.0；塑性膨胀剂，0.025～0.05；聚羧酸高效减水剂，0.4～0.8；消泡剂，0.10～0.14。

进一步的，所述矿粉为S95级矿粉，所述粉煤灰为一级粉煤灰，所述硅灰为优质硅灰。

进一步的，所述塑性膨胀剂为QH-100型塑性膨胀剂。

进一步的，所述消泡剂为德国明凌化学粉末消泡剂P803，由液态碳氢化合物、聚乙二醇和非结晶性二氧化矽组成。

按上述原料配比在制作水泥基智能灌浆料过程中，所有原料取料的重量误差控制在"±"5％。

本步骤中，制备智能灌浆料时，按原料配比备料，需要一台磁力搅拌器、超声波仪、砂浆搅拌机。具体步骤如下：

(1)将水、功能填料、高效聚羧酸减水剂在烧杯中配成溶液，在磁力搅拌器下搅拌3min，然后对悬浮液超声30min。

(2)将超声后的溶液在砂浆搅拌机中搅拌3min，然后加入水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂搅拌1min。

(3)加入其它剩余原材料，在砂浆搅拌机下搅拌10min。

通过以上步骤，即可得到分散均匀的具有良好的电学稳定性能和应变、应力自感知性能的智能灌浆料浆体。

步骤S4：灌浆套筒连接件达到养护要求后，将连接测试系统正负电极的导线与套筒两端的钢筋相连接，受力钢筋直接作为两电极法的电极材料。

步骤S5：在加载前，对灌浆套筒连接件通电一段时间，减弱极化效应带来的影响。

本步骤中，采用直流两电极法对灌浆套筒的应力状态进行监测，在加载前预通电15min，以消除极化效应带来的影响；其中，电阻值变化率作为套筒连接件应力状态的感知信号。

步骤S6：对电液伺服试验机与套筒连接件接触处做绝缘处理，对试件进行轴向拉伸试验，在拉拔过程中实时读取直流电阻的数值，建立电阻值变化率与灌浆套筒连接处应力状态的对应关系。

通过以上步骤，即可得到具备应力自感知能力的智能灌浆套筒，同时得到该智能灌浆套筒轴向拉力和电阻值变化率的对应关系。

实施例1：

下面以沈阳宝力德公司生产的GTZB4-12/12灌浆套筒为例，采用本发明提出的应力状态自监测方法对养护满28d的灌浆套筒连接件进行拉拔试验，对整个试验过程中灌浆套筒连接件的应力状态进行实时监测。其中，所用智能灌浆料的压阻系数为2.0×10^-9·Pa^-1。

步骤S1：将智能灌浆料、灌浆套筒、钢筋各参数带入压阻耦合理论模型，通过理论方法探究插入端钢筋嵌入深度对感知轴向拉力能力的影响。固定轴向拉力为45kN，通过理论模型得到的电阻值变化率随d₁的变化如表1所示。其中，d₁是插入端钢筋距套筒底部的间距值。结合施工精度和应力自感知性能，该套筒型号的d₁取为10mm。

表1

本实施例中，智能灌浆料包括以下组分：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.0；功能填料，0.016；粉煤灰，0.1；硅灰，0.1；外加剂，0.06745；水，0.25，其中：

所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.6；40目～70目，0.4；

所述功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，0.1；200μm碳纤维粉，1.5；

所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。

步骤S2：采用具有应力自监测性能的智能灌浆料对钢筋套筒进行标准化注浆，并保证钢筋套筒的灌浆质量完好，同时控制插入端钢筋的对中精度。

步骤S3：灌浆套筒连接件在标准条件下养护28d，其两端钢筋与电液伺服液压机接触处进行绝缘处理，并将连接正负电极的导线与灌浆套筒两端的钢筋相连接。

步骤S4：在施加轴向荷载前，对灌浆套筒连接件通电15min，减弱极化效应带来的影响。

步骤S5：对灌浆套筒进行轴向拉伸试验，同时读取直流电阻的数值，通过电阻值变化率来判断灌浆套筒连接件的应力状态，得到轴向拉力与电阻值变化率的关系曲线如图3所示。

实施例2：

本实施例中，智能灌浆料包括以下组分：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.0；功能填料，0.011；粉煤灰，0.12；硅灰，0.12；外加剂，0.06745；水，0.26，其中：

所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.5；40目～70目，0.5；

所述功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，0.1；200μm碳纤维粉，1.0；

所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。

实施例3

本实施例中，智能灌浆料包括以下组分：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.2；功能填料，0.01125；粉煤灰，0.123；硅灰，0.077；外加剂，0.06745；水，0.26，其中：

所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.72；40目～70目，0.48；

所述功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，0.125；200μm碳纤维粉，1.0；

所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。

实施例4

本实施例中，智能灌浆料包括以下组分：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.0；功能填料，0.01125；矿粉，0.13；硅灰，0.13；外加剂，0.06745；水，0.25，其中：

所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.5；40目～70目，0.5；

所述功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，0.125；200μm碳纤维粉，1.0；

所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。

实施例5

本实施例中，智能灌浆料包括以下组分：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.0；功能填料，0.011；矿粉，0.1；硅灰，0.1；外加剂，0.06745；水，0.27，其中：

所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.6；40目～70目，0.4；

所述功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，0.1；200μm碳纤维粉，1.0；

所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。

对比例1：

以沈阳宝力德公司生产的GTZB4-12/12灌浆套筒为例，与实施例1不同的是，该对比例采用传统的灌浆料对灌浆套筒进行灌浆。其中，为了满足单一变量原则，本部分所用的传统灌浆料为实施例1中所用智能灌浆料的基本组分，其去除了智能灌浆料的功能填料，具体如下：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.0；粉煤灰，0.1；硅灰，0.1；外加剂，0.06745；水，0.25，其中：

所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.6；40目～70目，0.4；

所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。

其它的监测方法和步骤与实施例1相似。本部分对三个相同型号的灌浆套筒连接件进行试验，得到的最终结果如图4所示。

从对比例1中我们可以看出，采用传统灌浆料进行填充的灌浆套筒，其电阻值变化率与轴向拉力没有明显的对应关系，并且不同个体间曲线关系具有较大的差异性。因此，采用传统灌浆料进行封装的灌浆套筒不具备应力状态的自监测能力，并且发现，同一施工批次的不同个体间具有较大的差异性。

本发明采用具有良好的电学稳定性能和应变、应力自感知性能的智能灌浆料作为灌浆套筒的封装材料，将灌浆套筒的结构性能与应力自感知功能完美结合，并且将套筒两端连接的受力钢筋作为二电极法的电极材料，无需额外嵌入电极材料，避免了外加电极的繁琐程序。本发明将直流电阻值变化率作为识别灌浆套筒内部应力状态的感知信号，在装配式建筑的长期服役过程中，可实现对灌浆套筒连接件的应力状态进行实时监测，可以及时、准确判断灌浆套筒连接处的受力状态，以确保结构在使用期间的安全性和耐久性。

Claims (9)

1.一种装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤S1：基于理论分析方法，将某型号的灌浆套筒和智能灌浆料的参数带入压阻耦合理论模型，建立轴向拉力和电阻值变化率之间的函数关系；

步骤S2：通过压阻耦合理论模型探究插入端钢筋的嵌入深度对应力感知能力的影响，结合施工的便捷性和精度最终确定插入钢筋的嵌入深度，所述压阻耦合理论模型如下：

其中，Δ是灌浆套筒连接件在拉力作用下的电阻值变化率，F是轴向拉力，π是压阻系数，E_C是灌浆料的弹性模量，E_S是钢筋的弹性模量，E_Sl是套筒的弹性模量，

是灌浆料变形放大系数，h₁是在拉力荷载作用下电阻率发生变化的灌浆料圆筒体部分的高度，h₂是在拉力荷载作用下电阻率未发生变化的灌浆料圆筒体部分的高度，A_S是钢筋的截面积，A_Sl是灌浆套筒的截面积，A_C是灌浆料的截面积，r_out是圆筒体灌浆料的外半径，r_in是圆筒体灌浆料的内半径，ε_S,max是在轴向拉力下钢筋的最大应变值，ε_Sl,max是在轴向拉力下灌浆套筒的最大应变值；

步骤S3：采用具有良好电学稳定性能和应变、应力自感知性能的智能灌浆料对灌浆套筒进行标准化注浆，在注浆过程中保证套筒的灌浆质量和插入端钢筋的对中精度；

步骤S4：灌浆套筒连接件达到养护要求后，将连接测试系统正负电极的导线与套筒两端的钢筋相连接，受力钢筋直接作为两电极法的电极材料；

步骤S5：在加载前，对灌浆套筒连接件通电一段时间，减弱极化效应带来的影响；

步骤S6：对电液伺服试验机与套筒连接件接触处做绝缘处理，对试件进行轴向拉伸试验，在拉拔过程中实时读取直流电阻的数值，建立电阻值变化率与灌浆套筒连接处应力状态的对应关系。

2.根据权利要求1所述的装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法，其特征在于所述步骤S1中，根据电流的传导路径和应变分量的方向，将套筒内灌浆料分为三部分，分别为圆柱体部分、电阻率未发生变化的圆筒体部分、电阻率发生变化的圆筒体部分。

3.根据权利要求1所述的装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法，其特征在于所述智能灌浆料采用以下原料按重量比混配均匀而成：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，0.9～1.32；功能填料，0.011～0.01625；粉煤灰，0～0.13；硅灰，0.06～0.13；矿粉，0～0.13；外加剂，0.04525～0.06990；水，0.24～0.27。

4.根据权利要求3所述的装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法，其特征在于所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.5～0.72；40目～70目，0.4～0.6。

5.根据权利要求3所述的装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法，其特征在于所述功能填料按重量比由以下原料混配而成：短切碳纤维，0.1～0.125；碳纤维粉，1.0～1.5。

6.根据权利要求5所述的装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法，其特征在于所述短切碳纤维的长度为2mm，碳纤维粉的长度为200μm。

7.根据权利要求3所述的装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法，其特征在于所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，4.0～6.0；塑性膨胀剂，0.025～0.05；聚羧酸高效减水剂，0.4～0.8；消泡剂，0.10～0.14。

8.根据权利要求7所述的装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法，其特征在于所述塑性膨胀剂为QH-100型塑性膨胀剂，消泡剂为消泡剂P803。

9.根据权利要求1所述的装配式结构用灌浆套筒连接节点应力自监测方法，其特征在于所述步骤S5中，通电15min。

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