高温后无缝钢管灌浆套筒单向拉伸试验研究学习体会

文献概况

赵军、吴明训、姚敦敏、马彬四位作者在《河南理工大学学报（自然科学版）》2024年第43卷第4期发表的这篇论文，系统研究了高温后无缝钢管灌浆套筒的力学性能。研究以温度、冷却方式、保护层厚度和钢筋直径为主要参数，通过单向拉伸试验揭示了高温对灌浆套筒承载力的影响规律，并推导了承载力计算公式。这一研究对于装配式建筑中灌浆套筒的防火设计和火灾后结构评估具有重要参考价值。

试验方案与参数设计

试验参数体系

本文的试验参数设计体现了系统性和针对性。温度作为核心变量，覆盖了从常温到1000℃的广泛范围，这一温度区间涵盖了建筑火灾中可能遇到的绝大多数温度水平。冷却方式分为自然冷却和浇水冷却两种，保护层厚度则包括有保护层和无保护层两种情况，钢筋直径涵盖18mm、20mm和22mm三个规格。

这种参数设计遵循了试验设计中的正交试验原则，通过有限的试验次数获取了较多的信息。从钢管制造的角度看，这种系统化的参数研究思路值得借鉴——在钢管轧制工艺优化中，我们也采用类似的方法，通过正交试验或响应面法，在有限的试验成本内确定最优工艺参数组合。

无缝钢管的选择

文中采用无缝钢管作为灌浆套筒的外壳，这一选择具有合理性。无缝钢管的壁厚均匀性好、密封性高，能够有效约束内部灌浆料，防止灌浆料在高温下流失或开裂。从钢管制造标准来看，灌浆套筒用无缝钢管应符合GB/T 8162或GB/T 8163的要求，具体取决于使用环境。对于防火要求较高的场合，还应考虑钢管在高温下的性能保持能力。

无缝钢管在高温下的性能变化是影响灌浆套筒整体性能的关键因素之一。随着温度升高，钢材的屈服强度、抗拉强度和弹性模量均显著下降。例如，20号钢在600℃时的屈服强度约为常温的50%，在800℃时进一步降至约20%。钢管性能的退化会直接削弱其对灌浆料的约束作用，导致灌浆套筒的承载力下降。

试验结果分析

灌浆料力学性能的温度效应

试验结果表明，灌浆料的抗折强度和抗压强度随温度升高而降低，且抗折强度的下降幅度大于抗压强度。当温度达到800℃和1000℃时，与常温相比，抗折强度分别下降了59%和81%，抗压强度分别下降了44%和72%。

这一结果与灌浆料的微观结构变化密切相关。灌浆料在高温下会发生一系列物理化学变化：水分蒸发导致孔隙率增大，骨料与浆体之间的界面过渡区弱化，水化产物分解等。抗折强度比抗压强度更敏感，这是因为抗折强度对材料的表面缺陷和内部微裂纹更为敏感，而高温引起的微裂纹扩展对弯曲承载力的影响大于对压缩承载力的影响。

从钢管制造的角度看，这一结果提示我们在选择灌浆套筒用钢管时，应充分考虑钢管在高温下的性能保持能力。钢管在高温下如果发生显著的强度退化，其对灌浆料的约束作用将大幅减弱，导致灌浆套筒的承载力下降。因此，对于防火要求较高的应用场合，应考虑采用耐热性能更好的钢管材料，或在钢管外表面设置防火保护层。

破坏模式分析

高温后试件出现了两种破坏模式：钢筋拉断和钢筋拔出。浇水冷却和无保护层试件更容易发生钢筋拔出破坏，临界温度相较于常温下降至800℃。

钢筋拔出破坏的本质是钢筋与灌浆料之间的粘结力失效。在高温下，灌浆料强度降低，钢筋与灌浆料之间的粘结力随之下降。当粘结力不足以传递钢筋的拉力时，钢筋就会从灌浆料中拔出。浇水冷却加剧了这一过程，因为快速冷却导致灌浆料内部产生热应力，进一步削弱了粘结力。

保护层能够有效提高灌浆套筒的延性和承载力，这是因为保护层延缓了钢管和灌浆料的升温速度，使灌浆套筒在火灾中能够维持更长时间的承载能力。这一结论与建筑防火设计的基本原则一致：通过设置防火保护层，提高构件的耐火极限。

钢筋直径的影响

随着钢筋直径增加，接头试件极限承载力下降幅度变大。钢筋直径为18mm、20mm、22mm的试件极限强度分别下降20.72%、24.24%和25.97%。

这一结果表明，大直径钢筋在高温后更容易发生拔出破坏。原因在于：大直径钢筋的表面积与体积之比（比表面积）较小，钢筋与灌浆料之间的粘结面积相对较小，而钢筋的截面面积较大，导致单位粘结面积承受的拉力较大。在高温下，粘结力下降时，大直径钢筋更容易达到粘结破坏的临界状态。

从钢管制造的角度看，这一结果提示我们在设计灌浆套筒时，应根据钢筋直径合理选择无缝钢管的规格。对于大直径钢筋，应选用更大规格的无缝钢管，以增加钢筋与灌浆料之间的粘结面积，降低单位粘结面积承受的拉力。

承载力计算公式

文中推导了各参数影响下高温后灌浆套筒承载力计算公式，计算结果与试验结果吻合较好。这一公式为高温后全灌浆套筒的承载力预测提供了工具。

承载力计算公式的建立通常基于以下基本假设：钢筋与灌浆料之间的粘结力均匀分布；灌浆料的强度随温度呈线性或分段线性关系；钢管对灌浆料的约束作用在高温下按一定比例折减。公式中通常包含以下参数：钢筋的屈服强度、灌浆料的抗压强度、钢管的壁厚和直径、钢筋与钢管之间的粘结长度、温度折减系数等。

在实际工程中，承载力计算公式可用于火灾后结构的安全性评估。通过测定火灾后灌浆套筒的温度水平，代入承载力公式，可以预测灌浆套筒的剩余承载力，为结构修复或加固提供依据。

与工程实践的结合

装配式建筑中的防火设计

灌浆套筒是装配式建筑中钢筋连接的关键部件，其防火性能直接影响结构的整体安全性。在实际工程中，灌浆套筒通常设置在混凝土构件内部，混凝土本身具有一定的耐火性能。但对于外露或半外露的灌浆套筒，应额外设置防火保护层。

防火保护层的设置应考虑以下因素：保护层的厚度、材料的热导率、耐火极限要求以及施工可行性。常用的防火保护层材料包括防火涂料、防火板、防火包裹层等。保护层厚度的确定应基于耐火极限要求，通过计算或试验确定。

火灾后结构评估

火灾后，灌浆套筒的性能评估是结构安全性鉴定的重要内容。评估方法包括：外观检查（观察套筒是否有开裂、变形、灌浆料脱落等）、无损检测（超声检测灌浆料密实度、磁粉检测钢管表面裂纹）、取样试验（钻取灌浆料样品进行抗压强度试验）。

评估结果应结合火灾温度、持续时间、冷却方式等因素综合分析。对于温度超过800℃的灌浆套筒，应特别关注钢筋拔出破坏的风险。必要时，应对灌浆套筒进行加固处理，如增加灌浆料的粘结长度、更换套筒或增设辅助连接措施。

关键疑问与思考

钢管高温性能保持

无缝钢管在高温下的性能保持是影响灌浆套筒耐火性能的关键因素之一。目前常用的无缝钢管材料（如20号钢、Q235B等）在高温下性能退化较为显著。是否可以考虑采用耐热性更好的钢管材料，如低合金耐热钢或不锈钢？这需要综合考虑材料成本、焊接性能、与灌浆料的相容性等因素。

从钢管制造的角度看，耐热钢管的轧制工艺与普通结构钢管有所不同。耐热钢的轧制温度范围较窄，需要严格控制轧制温度和冷却速度，以确保材料的组织和性能。此外，耐热钢的焊接性能可能较差，需要采用特殊的焊接工艺和焊材。

长期性能与疲劳

本文主要研究了高温后的静态力学性能，但对于灌浆套筒在长期荷载作用下的性能，特别是疲劳性能，还需进一步研究。在装配式建筑中，灌浆套筒可能承受反复荷载作用（如地震、风荷载等），高温后材料的疲劳性能可能与常温下有所不同。

此外，灌浆套筒在长期服役过程中，灌浆料可能发生收缩、碳化、冻融等劣化，这些因素与高温效应的叠加影响也需要考虑。建议后续研究关注高温后灌浆套筒的长期性能，为工程应用提供更全面的依据。

学习心得与启示

这篇论文的研究成果对钢管制造和装配式建筑领域都有重要启示。从钢管制造的角度看，灌浆套筒用无缝钢管的质量控制应更加严格，特别是在高温性能方面。建议钢管生产企业在产品标准中增加高温性能指标，如高温屈服强度、高温延伸率等，以满足装配式建筑防火设计的需求。

从材料科学的角度看，灌浆料在高温下的性能退化是一个复杂的多因素过程，涉及物理变化（水分蒸发、热膨胀）和化学变化（水化产物分解、骨料相变）。深入理解这些机理，有助于开发耐高温灌浆材料，提高灌浆套筒的耐火性能。

总体而言，这篇论文通过系统的试验研究，揭示了高温后无缝钢管灌浆套筒的力学性能变化规律，推导了承载力计算公式，为工程应用提供了实用工具。其研究方法和成果值得在钢管制造和装配式建筑领域推广应用。