自密实混凝土模板侧向压力初探.pdf
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1、2 0 1 1年 第 7期 (总 第 2 6 1 期 ) N u mb e r 7i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORET I CAL RES E ARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 7 0 0 3 自密实混凝土模板侧向压力初探 朱铁梅,叶燕华,魏威,葛海蓉 ( 南京工业大学 土木工程学院,江苏 南京 2 1 0 0 0 9 ) 摘要: 自 密实高性能混凝土具有高流动性, 施工中会对模板产生较高侧向压力。 本着降低施
2、工能耗、 减少对环境影响、 实现节能减排 目 标 , 推进 自 密实混凝土广泛的工程应用, 有必要对工程中模板侧向压力进行研究。 从 自密实混凝土的设计方法、 模板侧向压力的影响因素 以及模板侧向压力下降机理等进行了分析, 为减少 自 密实混凝土模板侧向压力提供一定的理论基础。 关键词 : 自密实混凝土 ;流动性 ;模 板侧 向压力 ;下降机理 中图分类号 : T U5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 0 7 0 3 Di s c us s i on on f or mwor k pr es s ur e
3、 f or s e I f c on s oI i d at i ng c onc r e t e ZHU Ti e - me i , YE Ya n - h u a, W EIW e i , GE Ha i - r o n g ( C o l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e r i n g , Na n j i n gUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , Na n j i n g 2 1 0 0 0 9 , Ch i n a ) Ab s t r a c t : S e l f - c o n s o l
4、 i d a t i n g c o n c r e t e i s a k i n d o f h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e wi t h h i 曲 mo b i l i ty T h e r e f o r e f o r mwo r k p r e s s u r e i s h i g h I n o r d e r t o r e a l i z et h et a r g e t o fe n e r g y s a v i n g a n d e mi s s i o n r e d u c t i o n a n d
5、pr o mo t e s e l fc o n s 0 l i d a t i n g c o n c r e t et o g e tmo r e e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n, i ti s n e c e s - s a r y t o ma k e a r e s e a r c h f o r f o r mwo r k p r e s s u r e De s i g n me t h o d o f s e l f - c o n s o l i d a t i n g c o nc r e t e , r e d u c t
6、i o n me c h an i s m o f f o r mwo r k p r e s s u r e, f a c t o r s o fi n fl ue n c i n gf o r mwo r kp r e s s u r ewe r e s t ud i e di nt hi s a r t i c l et op r o v i d e c e r t a i nt he o r e t i c a l b a s i s o ff o r mwo r kp r e s s u r e Ke y w or ds: s e l f _ c o n s O l i d a t
7、i n g c o n c r e t e; mo b i l i t y; f o r mwo r k p r e s s u r e ; r e d u c t i o n me c h a n i s m 0 引言 为了解决传统混凝土施工的不足, 2 O世纪 8 0年代后期提出 了一种新型混凝土, 即自密实混凝土( s c c) 。 自密实高性能混凝土 在自重作用下具有高流动陛, 结构能达到较好密实。 因此施工浇筑 速度得到提高, 但浇筑速度的加快导致对模板侧压增大。 如果不能 正确考虑较高模板侧压, 会导致结构变形和模板损坏。 模板工程占 据整个混凝土结构工程花费的4 0 , 因此降低
8、模板侧向压力对降 低模板造价具有实际意义, 尤其是对高流动性的 S C C。 国际上, S C C在建筑行业已经广泛应用, 但是由于考虑到模板侧向压力的 诸多不确定胜, 国内过程中S C C的应用受到一定限制。 目前 , S C C模板工程使用的侧向压力为液压力。 其值为: P o g H ( 1 ) 式中: p 混凝土密度; 混凝土重力加速度; 日混凝土高度。 但是并不是所有的 S C C模板侧向压力都能达到液压力, 如图 1 所示。 模板侧向压力受许多因素影响, 比如浇筑速度、 模 板尺寸、 矿物掺合料等。 对模板侧向压力的保守估计会使模板工 程的花费增加。 因此, 应该对模板侧向压力的影
9、响因素有一个全 面的认识。 1 S CC的设 计方法 S C C在化学掺合料不断发展和混凝土材料合理认识的基 收稿 日期: 2 0 1 1 _ J o 1 2 0 基金项目:江苏省 自 然科学基金( B K 2 0 0 6 1 7 9 ) -H 苗 工 图 1 S CC模板侧 向压力分布图 础上产生。 通过调整构成 S C C配合料的比例来获得相应流动 性。 配合料通常是指粉体颗粒和化学掺合料 , 如高效减水剂和 增黏剂( VMA) 1 。 在 S C C配合比设计 中, 有基本相和集料相。 关于基本相, 这里有两种设计 S C C的方法 , 分别是粉体颗粒法和 VMA法, 如图2 所示。 第
10、一种方法中, 细颗粒含量要明显高于普通混凝土, 这些细颗粒材料包括水泥、 粉煤灰、 石灰石填料、 高炉矿渣、 硅灰以 及粒径小于 0 1 2 5 1 T I IT I 的细颗粒。 高效减水剂的加入减少了水的含 量, 此时 S C C中水与粉体颗粒的比例在 0 9 1 0 之间变化, 小于普 通振捣密实的混凝土。 这种方法并没有使用 V MA。 此时粗骨料的 含量占整个固体颗粒的 5 0 , 而细骨料占浆体含量的4 0 。 通过 调整高效减水剂与水和粉体颗粒的比例来获得 S C C 。 第二种方法 中, 使用 V MA增强混凝土的稳定性。 此时粉体颗粒的含量小于在 第一种方法中的用量, 但高于普
11、通混凝土。 当然也可以结合这两种 方法设计成具有适量粉体颗粒和V MA的 S C C。 7 1 00 8 0 芝 60 抽 4 0 2 0 0 普通 混凝土 含有粉 体颗粒 的 含 有VMA S C C 材粒类 型 的S C C 图 2 两种方法设计 的 SC G的对比分析图 关于集料相, 即有足够的浆体去确保混凝土具有可观的变 形性。但浆体含量提高会降低混凝土的稳定性, 从而需要使用 大粒径的粗骨料 , 使表面积减小以降低浆体的用量。但也应该 考虑混凝土的抗离析能力和堵塞能力, 优化集料的级配可以减 少堵塞和浆体用量。 2 S CC模板侧 向压 力下降机理 的研 究 模板侧压受抗剪强度性能影
12、响, 包括: 颗粒间的摩擦阻 力和咬合力; 由水泥水化作用产生的颗粒之间的连接作用力2 1 。 前者是指内摩擦; 后者是指内聚力 , 内聚力是水泥水化作用的 结果 , 因此取决于水泥与水结合所经历的时间。 内聚力受化学掺 和料成份影响, 如增黏剂( V MA) 和高效减水剂。 最初抗剪强度 主要取决于内摩擦的发展 , 并且不随凝固时间和温度的改变而 改变。 在经过一段时间后, 水化作用导致内聚力提高, 混凝土获 得更大的抗剪强度 , 使侧压降低。 已有研究表明【 3 】 , 水化反应会导致内聚力和屈服应力提高, 并且在诱导期快结束的时候这种提高会更加明显, 几小时后随 着屈服应力的提高, 内聚
13、力变为原来的两倍。 水化反应速度受缓 凝剂和促凝剂的控制, 这些外加剂对内聚力有直接的影响, 因此 会影响侧向压力随时间下降的速度。 模板侧向压力的下降与物理和化学的效应有关 , 如图 3 所 示。 浇筑后 , 水泥进入潜伏期, 混凝土处于塑性状态。 物理效应 由触变性引起 , 某种程度上归于固相颗粒的重组和内摩擦的增 大。 在水化作用初期 , 物理效应伴随化学效应发生, 但潜伏期结 束时化学效应会占主导地位。 物理和化学效应在水泥水化作用 的潜伏期发生, 很大程度上受混凝土的温度、 原材料特性、 混合 料组成影 响。 潜伏期结束时仍然有剩余的侧向压力存在。 侧向压力的消 失与水泥浆的初凝时间
14、相一致。 可见侧向压力的消失取决于化 8 学效应。 水化产物加速形成使材料具有 自承载能力, 因而侧向压 力迅速下降并且最终消失。 凝固时间越长, 则压力消失所经历的 时间就越长。 说明模板侧向压力直到硬化开始才会消失 。 可见 侧向压力的消失所需时间受水化作用化学效应和潜伏期时间 长短影 响。 触变性可以认为是当材料在恒定剪应力作用下黏度随时 间降低的过程。 触变性越高, 初始侧向压力越低, 并且随时间下 降速度越快。 这是因为触变性具有可逆效应 , 当混凝土处于不受 任何剪切作用的静止条件下, 可重新获得抗剪强度、 内摩擦 、 内 聚力。 内摩擦增大使初始侧向压力降低。 侧向压力随时间下降
15、 的速度受水化作用产生的内聚力控制 , 内聚力越大, 侧向压力 下降速度越快。 触变性越高获得的抗剪强度也越高 , 从而限制了 竖向荷载转变为侧向压力。 3 S C C模板侧向压力的影响因素 考虑模板侧向压力时 , 为保证模板的安全与经济 , 应该要 了解浇筑后混凝土的最大初始侧向压力和侧向压力随时间下 降的速度。 而影响这两个方面的因素有水泥的种类和用量、 骨 料特性 、 水灰比、 化学掺合料 、 浇筑速度 、 浇筑方式 、 混凝土温 度、 模板尺寸等。 这些因素可以归为如表 1 所示的三大类。 表 1 S C C模板侧向压力的影响因素 3 1 材料属性 3 1 1 粗骨料的特性 粗骨料含量
16、越高, 初始侧向压力越低, 浇筑后随时间下降 的速度越快。 这是因为粗骨料含量增加使内摩擦增大 , 减低了 混凝土的流动性 , 使初始侧向压力降低 , 模板侧 向压力随时间 下降的速度加快。 由As s a a d和 K h a y a t 研究可知, 砂率对侧向压力的影响是显 著的。 浇筑时, 砂率为 1 0 0 和 7 5 的混合物对应的初始侧向压 力分别为液压力的9 9 和 9 6 。 随着粗骨料含量的进一步增加 ( 砂率从5 O 变化为3 0 ) , 初始侧向压力相应地从 9 2 0 1为7 7 , 并且侧向压力下降的速度更加明显。 当砂率从 1 0 0 0 变化到3 0 , 初始侧向
17、压力降低 1 0 所需要的时间减少了大约 5 倍。 当砂率 比较大时, 相应的粗骨料含量比较少, 粗骨料更容易移动和旋转。 因此, 混凝土的流动 生 提高, 竖向荷载更容易转变为侧向压力5 】 。 有研究表明, 最大骨料粒径为 1 4 r n l n的混凝土 比骨料粒径 为 1 0 m n q的混凝土初始侧向压力低 , 侧向压力下降速度快。 但 是当进一步提高骨料粒径到 2 0 I T I n l 时其初始侧向压力和压力 下降速度与骨料粒径为 1 4 I D A T I 的混凝土相比变化不大。 粒径为 1 4 re a l 的粗骨料具有很高的堆积密度, 骨料之间接触增大, 混凝 土的流动性降低
18、 , 所以侧向压力降低。 3 1 2 水的含量和水灰比 水含量提高 ,水泥颗粒周围水层厚度增厚。 颗粒间的距离 增加使内聚力下降, 颗粒的絮凝作用降低。 K h a y a t 和 A s s a a 研究得到水灰比对侧向压力和触变性有 着显著影响。 假定坍落度值都为 5 5 0 m l n , 水灰比为 0 4 6比 水灰 比为 0 4 0 或 0 3 6 的 S C C具有更低的触变性和更高的初始侧向 n n 径 粒 粒 颗 体 粉 池 其 和 料料 气泥 骨骨 空水水细粗 = 一 压力。 这主要是因为水和浆体的含量提高, 粗骨料用量降低 , 导 致混凝土抗剪强度降低。 进一步研究可知当水
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