模袋用自密實(shí)混凝土的側(cè)壓力及其擴(kuò)展度損失研究

陳　浩

(武漢城市職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢　430064)

模袋混凝土是一種采用經(jīng)設(shè)計(jì)定型后縫制的高強(qiáng)機(jī)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(hù)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(shí)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(dān)，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(shí)模袋的填充體積是一個(gè)可變的域值，而且混凝土填充時(shí)產(chǎn)生的側(cè)壓力也只能由模袋編織物材料自身承擔(dān)。因此在工程實(shí)施中，不但要求模袋混凝土所用的織物具備足夠的強(qiáng)度去承受澆筑填充時(shí)產(chǎn)生的側(cè)壓力，同時(shí)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(hù)坡能力下降，或者是因?yàn)槌涮钸^度又造成了混凝土材料的浪費(fèi)，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(xiàn)在分析混凝土側(cè)壓力時(shí)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(diǎn)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(qiáng)度可靠，就要求在相關(guān)問題研究中，不但要考慮自密實(shí)混凝土對柔性模板的側(cè)壓力，還要關(guān)聯(lián)分析自密實(shí)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(qiáng)織物材料研究以及指導(dǎo)現(xiàn)場施工都有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　試驗(yàn)

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(yùn)工程土工材料應(yīng)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(zé)任公司生產(chǎn)，減水劑為武漢港灣設(shè)計(jì)院研制的聚羧酸鹽高效減水劑,混凝土配比設(shè)計(jì)見表1。

表1　混凝土配合比設(shè)計(jì)表　kg/m3

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1自密實(shí)混凝土工作性測試

1)坍落度與擴(kuò)展度測試。自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性和填充性能可以用坍落度和擴(kuò)展度指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)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(yùn)工程土工材料應(yīng)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(yàn)使用的坍落度筒嚴(yán)格遵循JGJ/T 283—2012自密實(shí)混凝土應(yīng)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(biāo)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(kuò)展度以及擴(kuò)展至500 mm的時(shí)間。

2)V型漏斗試驗(yàn)。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(jì)時(shí)，記錄混凝土拌合物全部流出出料口所經(jīng)歷的時(shí)間。V型漏斗測試時(shí)，在填充前應(yīng)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(shí)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(shí)間。

1.2.2自密實(shí)混凝土側(cè)壓力測試

自密實(shí)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(jìn)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(yàn)結(jié)果與分析

2.1　不同配合比自密實(shí)混凝土工作性測試結(jié)果

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

2.2　不同配合比自密實(shí)混凝土擴(kuò)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(kuò)展度損失量隨著時(shí)間增長而降低，但與不摻加任何礦物外加劑的JZ-1自密實(shí)混凝土試件相比，摻加了20%與30%的粉煤灰自密實(shí)混凝土試件其擴(kuò)展度損失量都相對較低，其中JZ-1自密實(shí)混凝土試件在1.5 h后，其擴(kuò)展度損失量有進(jìn)一步增大的趨勢，而摻加了20%與30%的粉煤灰自密實(shí)混凝土試件在1.5 h后，其擴(kuò)展度損失量的趨勢逐漸趨緩。對于摻加了粉煤灰自密實(shí)混凝土試件而言，摻加了30%的試件的擴(kuò)展度損失量較摻加了20%粉煤灰的自密實(shí)混凝土要低。

表2　自密實(shí)混凝土的工作性能

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)分析如下：摻加了粉煤灰自密實(shí)混凝土試件其擴(kuò)展度損失量都相對未摻加任何礦物外加劑的JZ-1自密實(shí)混凝土較低，原因應(yīng)該有兩方面，一個(gè)是粉煤灰替代了水泥后，會(huì)進(jìn)一步降低水泥的水化速度，另一方面粉煤灰獨(dú)特的滾珠效應(yīng)也會(huì)在一定程度上降低混凝土的擴(kuò)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(shí)間增長而降低，但與不摻加任何礦物外加劑的JZ-1自密實(shí)混凝土試件相比，摻加了20%與30%的高爐礦渣細(xì)粉自密實(shí)混凝土試件其擴(kuò)展度損失量都相對較高，而且該圖中各類型的自密實(shí)混凝土試件在1.5 h后，其擴(kuò)展度損失量有進(jìn)一步增大的趨勢，而摻加了20%與30%的高爐礦渣細(xì)粉自密實(shí)混凝土試件在1.5 h后，其擴(kuò)展度損失量的增勢更高些。對于摻加了高爐礦渣細(xì)粉的自密實(shí)混凝土試件而言，摻加了30%高爐礦渣細(xì)粉的自密實(shí)混凝土其擴(kuò)展度損失量較摻加了20%要低一些。

2.3　不同配合比自密實(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)混凝土的流動(dòng)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(shí)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(xì)粉的自密實(shí)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(shí)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(shí)，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(qiáng)度等級通常在C30左右，本次試驗(yàn)各配合比的混凝土強(qiáng)度值在C30～C40之間，本項(xiàng)目是通過混凝土對模板的側(cè)壓力和流動(dòng)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(diǎn)，通過觀察，發(fā)現(xiàn)本次試驗(yàn)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(gè)重要參考指標(biāo)。

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

有學(xué)者認(rèn)為：剛剛澆筑完成的混凝土處于塑性流動(dòng)狀態(tài),在自由變形條件下,在與水化反應(yīng)伴生的化學(xué)收縮、濕度收縮以及溫度變形等綜合效應(yīng)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(huì)對模板產(chǎn)生側(cè)向壓力，當(dāng)混凝土膨脹變形結(jié)束、收縮變形開始時(shí),其產(chǎn)生的模板側(cè)壓力則為零[10]。盡管本試驗(yàn)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(jìn)行線性擬合(見圖5和圖6)，可以觀察到本試驗(yàn)中自密實(shí)混凝土對

模板側(cè)壓力隨著時(shí)間增加而減少的線性相關(guān)性較明顯。可以判斷當(dāng)混凝土膨脹變形結(jié)束、收縮變形開始時(shí),其對模板側(cè)壓力最終將趨向?yàn)榱悖ㄟ^圖5與圖6中所列的線性方程進(jìn)行測算，這個(gè)時(shí)間在16 h～24 h之間，而這也與工程實(shí)踐中看到的實(shí)際情況基本吻合。

3　結(jié)論

1)研究表明隨著時(shí)間的增長，試驗(yàn)中各混凝土的擴(kuò)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(yàn)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(gè)重要參考指標(biāo)。

3)摻加了20%與30%的粉煤灰自密實(shí)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(dú)特的滾珠效應(yīng)，這兩方面的因素會(huì)在一定程度上降低混凝土的擴(kuò)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(jìn)行線性擬合，可以觀察到本試驗(yàn)中自密實(shí)混凝土對模板側(cè)壓力隨著時(shí)間增加而減少的線性相關(guān)性較明顯。由此可以判斷當(dāng)混凝土膨脹變形結(jié)束、收縮變形開始時(shí),其對模板側(cè)壓力最終將趨向?yàn)榱悖@個(gè)時(shí)間在16 h～24 h之間，而這也與工程實(shí)踐中看到的實(shí)際情況基本吻合。

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