模袋用自密實混凝土的側(cè)壓力及其擴展度損失研究

陳　浩

(武漢城市職業(yè)學院，湖北 武漢　430064)

模袋混凝土是一種采用經(jīng)設(shè)計定型后縫制的高強機織模袋布，用泵車等有壓設(shè)備把混凝土充灌其中，經(jīng)固結(jié)成型的施工工藝[1]，它是水利工程護坡施工中的一種常用方法。就該工藝的混凝土澆筑過程而言，模袋中充填的混凝土材料屬于自密實混凝土，但與澆筑在剛性模板中的混凝土不同，剛性模板的加固措施讓澆筑構(gòu)件的填充體積因約束難以發(fā)生明顯變化，并且澆筑混凝土產(chǎn)生的側(cè)壓力由模板支撐系統(tǒng)承擔，但對于模袋混凝土而言，由于柔性模板采用的是編織物材料，因此澆筑時模袋的填充體積是一個可變的域值，而且混凝土填充時產(chǎn)生的側(cè)壓力也只能由模袋編織物材料自身承擔。因此在工程實施中，不但要求模袋混凝土所用的織物具備足夠的強度去承受澆筑填充時產(chǎn)生的側(cè)壓力，同時還要求模袋填充體積的可變域值要可控，這樣才能避免模袋混凝土因充填不足引起護坡能力下降，或者是因為充填過度又造成了混凝土材料的浪費，甚至是模袋織物的破壞。近年來，關(guān)于混凝土對模板的側(cè)向壓力問題的研究[2-6]主要針對的是剛性模板，而且這些文獻在分析混凝土側(cè)壓力時都涉及到澆筑高度對模板的影響，但是模袋混凝土的施工特點是填充鋪放混凝土，它不涉及到澆筑高度的問題。此外，對于模袋混凝土而言，如果既要保證模袋填充體積值域可控，又要確保其織物強度可靠，就要求在相關(guān)問題研究中，不但要考慮自密實混凝土對柔性模板的側(cè)壓力，還要關(guān)聯(lián)分析自密實混凝土模板側(cè)壓力與流變性能兩者間的關(guān)系，這對擬開發(fā)的新型模袋高強織物材料研究以及指導現(xiàn)場施工都有著非常重要的現(xiàn)實意義。

1　試驗

1.1　試驗材料

試驗用原材料全部產(chǎn)自武漢本地，其中粗骨料為碎石，最大粒徑為20 mm，該粒徑大小滿足JTJ 239—2005水運工程土工材料應用技術(shù)規(guī)程7.3.7款要求，砂為中粗砂，水泥為華新水泥廠42.5 MPa普通硅酸鹽水泥,粉煤灰為朱家橋Ⅰ級粉煤灰，粒化高爐礦渣粉為武漢市盛大材料有限責任公司生產(chǎn)，減水劑為武漢港灣設(shè)計院研制的聚羧酸鹽高效減水劑,混凝土配比設(shè)計見表1。

表1　混凝土配合比設(shè)計表　kg/m3

1.2　試驗方法

1.2.1自密實混凝土工作性測試

1)坍落度與擴展度測試。自密實混凝土的流動性和填充性能可以用坍落度和擴展度指標進行評價，同時也通過這樣的測試觀察本次配比的混凝土的坍落度是否能滿足JTJ 239—2005水運工程土工材料應用技術(shù)規(guī)程[7]7.3.7.2“混凝土坍落度不易小于200 mm”的要求。本試驗使用的坍落度筒嚴格遵循JGJ/T 283—2012自密實混凝土應用技術(shù)規(guī)程[8]規(guī)定，在邊長為1 000 mm的光滑正方形平板表面，分別標出坍落度筒的中心位置和直徑為500 mm，600 mm，700 mm，800 mm及900 mm的同心圓。測試內(nèi)容包括坍落度、坍落擴展度以及擴展至500 mm的時間。

2)V型漏斗試驗。V型漏斗測試方法是將混凝土拌合物裝滿V型漏斗，從打開漏斗出料口底蓋開始計時，記錄混凝土拌合物全部流出出料口所經(jīng)歷的時間。V型漏斗測試時，在填充前應潤濕所有儀器，在新拌SCC試樣不產(chǎn)生離析的狀態(tài)下，將自密實混凝土拌合物裝滿漏斗，抹平表面。隨即打開下底蓋，測試從開蓋到混凝土拌合物全部流出的時間。

1.2.2自密實混凝土側(cè)壓力測試

自密實混凝土側(cè)壓力測試是在構(gòu)件尺寸為1 500 mm，1 700 mm，40 mm的模板盒中進行，電子側(cè)壓力傳感器量程：0 MPa～0.6 MPa，輸出：RS485 數(shù)字信號，精度：0.3%FS，傳感器螺紋：M20×1.5。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1　不同配合比自密實混凝土工作性測試結(jié)果

通過測試自密實混凝土的坍落度、坍落擴展度(T50指標)以及V型漏斗流出時間，可以看出用于試驗配合的自密實混凝土符合JGJ/T 283—2012自密實混凝土技術(shù)規(guī)程自密實混凝土的工作性能如表2所示。

2.2　不同配合比自密實混凝土擴展度損失測試結(jié)果與分析

從圖1可以看出，所有混凝土的擴展度損失量隨著時間增長而降低，但與不摻加任何礦物外加劑的JZ-1自密實混凝土試件相比，摻加了20%與30%的粉煤灰自密實混凝土試件其擴展度損失量都相對較低，其中JZ-1自密實混凝土試件在1.5 h后，其擴展度損失量有進一步增大的趨勢，而摻加了20%與30%的粉煤灰自密實混凝土試件在1.5 h后，其擴展度損失量的趨勢逐漸趨緩。對于摻加了粉煤灰自密實混凝土試件而言，摻加了30%的試件的擴展度損失量較摻加了20%粉煤灰的自密實混凝土要低。

表2　自密實混凝土的工作性能

根據(jù)以上試驗結(jié)果，現(xiàn)分析如下：摻加了粉煤灰自密實混凝土試件其擴展度損失量都相對未摻加任何礦物外加劑的JZ-1自密實混凝土較低，原因應該有兩方面，一個是粉煤灰替代了水泥后，會進一步降低水泥的水化速度，另一方面粉煤灰獨特的滾珠效應也會在一定程度上降低混凝土的擴展度損失。

從圖2可以看出，所有混凝土的坍落度損失量隨著時間增長而降低，但與不摻加任何礦物外加劑的JZ-1自密實混凝土試件相比，摻加了20%與30%的高爐礦渣細粉自密實混凝土試件其擴展度損失量都相對較高，而且該圖中各類型的自密實混凝土試件在1.5 h后，其擴展度損失量有進一步增大的趨勢，而摻加了20%與30%的高爐礦渣細粉自密實混凝土試件在1.5 h后，其擴展度損失量的增勢更高些。對于摻加了高爐礦渣細粉的自密實混凝土試件而言，摻加了30%高爐礦渣細粉的自密實混凝土其擴展度損失量較摻加了20%要低一些。

2.3　不同配合比自密實混凝土對模板側(cè)壓力測試結(jié)果與分析

從圖3可以看出，摻加了粉煤灰的自密實混凝土，隨著摻量的增加，其對模板側(cè)壓力比不摻加任何礦物外加劑的JZ-1自密實混凝土試件要低。各配合比的混凝土側(cè)壓力峰值均出現(xiàn)在1.5 h左右，峰值點時，試件FA-30的側(cè)壓力值是247 kPa,FA-20的側(cè)壓力值是277 kPa,而JZ-1自密實混凝土試件的側(cè)壓力值是287 kPa。此后，混凝土對模板的側(cè)壓力不斷降低，第6 h時，試件FA-30的側(cè)壓力值是165 kPa,FA-20的側(cè)壓力值是184 kPa,而JZ-1自密實混凝土試件的側(cè)壓力值是218 kPa。粉煤灰顆粒呈球形，表面光滑，有利于改善自密實混凝土的流動性。有研究表明摻粉煤灰可以改善混凝土坍落度損失，這樣在短時間內(nèi)可以保持較好的工作性能，使得模板側(cè)壓力降幅不大[9]。

從圖4可以看出，摻加了高爐礦渣細粉的自密實混凝土，隨著摻量的增加，其對模板側(cè)壓力比不摻加任何礦物外加劑的JZ-1自密實混凝土試件要低。各配合比的混凝土側(cè)壓力峰值也出現(xiàn)在1.5 h左右，其中，試件SL-30的側(cè)壓力值是253 kPa, SL-20的側(cè)壓力值是297 kPa,第6 h時，試件SL-30的側(cè)壓力值是165 kPa,SL-20的側(cè)壓力值是197 kPa。

就模袋混凝土而言，其混凝土的強度等級通常在C30左右，本次試驗各配合比的混凝土強度值在C30～C40之間，本項目是通過混凝土對模板的側(cè)壓力和流動性研究去開發(fā)新型的裝填混凝土的模袋，因此，混凝土側(cè)壓力的峰值和其變化是研究中關(guān)注的重點，通過觀察，發(fā)現(xiàn)本次試驗中各配合比的混凝土對模板側(cè)壓力均未超過300 kPa，因此可將此值作為下步模袋織物材料開發(fā)研究中的一個重要參考指標。

2.4　自密實混凝土的模板側(cè)壓力與其流變參數(shù)間關(guān)系

有學者認為：剛剛澆筑完成的混凝土處于塑性流動狀態(tài),在自由變形條件下,在與水化反應伴生的化學收縮、濕度收縮以及溫度變形等綜合效應下,不論混凝土的絕對體積產(chǎn)生膨脹還是收縮,其宏觀表現(xiàn)為混凝土自重作用下的塑性沉降和側(cè)向膨脹。如果混凝土處于模板約束狀態(tài),則側(cè)向膨脹產(chǎn)生模板側(cè)壓力。只要混凝土表現(xiàn)為膨脹變形,它便會對模板產(chǎn)生側(cè)向壓力，當混凝土膨脹變形結(jié)束、收縮變形開始時,其產(chǎn)生的模板側(cè)壓力則為零[10]。盡管本試驗并未持續(xù)觀察到模板側(cè)壓力一直降低到零為止，但是通過對不同配合比混凝土在澆筑2 h后的模板側(cè)壓力檢測值進行線性擬合(見圖5和圖6)，可以觀察到本試驗中自密實混凝土對

模板側(cè)壓力隨著時間增加而減少的線性相關(guān)性較明顯。可以判斷當混凝土膨脹變形結(jié)束、收縮變形開始時,其對模板側(cè)壓力最終將趨向為零，通過圖5與圖6中所列的線性方程進行測算，這個時間在16 h～24 h之間，而這也與工程實踐中看到的實際情況基本吻合。

3　結(jié)論

1)研究表明隨著時間的增長，試驗中各混凝土的擴展度損失量不斷增大，而其對模板的側(cè)壓力值不斷減小。

2)通過觀察，發(fā)現(xiàn)本次試驗中各配合比的混凝土對模板側(cè)壓力均超過300 kPa，這為下步模袋開發(fā)研究提供了一個重要參考指標。

3)摻加了20%與30%的粉煤灰自密實混凝土，由于粉煤灰替代了水泥后，能降低水泥的水化速度，加之粉煤灰獨特的滾珠效應，這兩方面的因素會在一定程度上降低混凝土的擴展度損失。

4)通過對不同配合比混凝土在澆筑2 h后的模板側(cè)壓力檢測值進行線性擬合，可以觀察到本試驗中自密實混凝土對模板側(cè)壓力隨著時間增加而減少的線性相關(guān)性較明顯。由此可以判斷當混凝土膨脹變形結(jié)束、收縮變形開始時,其對模板側(cè)壓力最終將趨向為零，這個時間在16 h～24 h之間，而這也與工程實踐中看到的實際情況基本吻合。

參考文獻:

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