樁基自密實混凝土工作性能評價指標研究

樁基自密實混凝土工作性能評價指標研究1.1樁基自密實混凝土的流變性混凝土拌合物是一種粘、彈、塑性材料。按流變學(xué)理論劃分，新拌混凝土屬于賓漢姆(Bingham)模型，其流變模型可用牛頓液體模型和圣維南固體模型并聯(lián)，再與虎克固體模型串聯(lián)而成。當＜時，并聯(lián)部分不產(chǎn)生變形，體系中只有彈性變形，即當＞時，在并聯(lián)部分發(fā)生與應(yīng)力（—）成正比的粘性流動，即－剪應(yīng)力；－屈服剪應(yīng)力；－塑性粘度；－應(yīng)變速率?；炷涟韬衔镌谕饬ψ饔孟?，其內(nèi)部產(chǎn)生的剪應(yīng)力達到某一限度之前不發(fā)生流動，只有其內(nèi)部的彈性變形。是阻礙塑性變形的最大應(yīng)力，由材料之間的附著力和摩擦力引起，它支配了拌合物的變形能力；當＞時，混凝土產(chǎn)生流動。η是反映流體各平流層之間產(chǎn)生的與流動方向反向的阻止其流動的粘滯阻力，它支配了拌合物的流動能力，η越小，在相同外力作用下流動越快?；炷恋恼承匀鐖D1.1.1所示。當作用外力超過屈服值時，混凝土拌合物才產(chǎn)生流動，而流動的快慢則與其塑性粘度有關(guān)。圖1.1.1中的直線斜率，即表示拌合物的塑性粘度。圖1.1.1混凝土拌合物的流變性流變性可由屈服剪應(yīng)力和塑性粘度η兩個參數(shù)來確定，既是混凝土開始流動的前提，又是混凝土不離析的重要條件。樁基自密實混凝土就是要求其流變性質(zhì)接近于牛頓流體，也就是要有很小的屈服剪應(yīng)力及較大的塑性粘度，得到較高的流動性同時又不離析的拌合物。普通混凝土拌合物在振搗作用下密實成型的過程是由一個賓漢姆流體轉(zhuǎn)化為近似于牛頓流體的觸變過程。當混凝土拌合物顆粒振動速度達到某極限速度時，屈服剪應(yīng)力足以被克服，使混凝土拌合物產(chǎn)生流動并達到所要求的密實程度?；炷恋挠|變性定義為“表觀粘度在剪應(yīng)力作用下降低，剪應(yīng)力撤除后又逐步恢復(fù)，是一個與時間相關(guān)的作用”，混凝土觸變性的產(chǎn)生機理可解釋為：混凝土在剪應(yīng)力（攪拌）作用下，逐步進入顆粒懸浮狀態(tài)，剪切強度（屈服值）降到最低水平；不受剪應(yīng)力作用，在靜置狀態(tài)，混凝土顆粒逐漸變?yōu)槟蹱顟B(tài)，剪切強度（屈服值）升高。樁基干澆自密實混凝土采用干澆、泵送工藝施工，為免振搗混凝土，混凝土澆注時間一般約為10h左右，對混凝土的緩凝時間提出要求。綜合以上幾個方面，本節(jié)分析提出樁基自密實混凝土工作性能要求以及工作性能評價方法。1.2樁基自密實混凝土密實原理樁基自密實混凝土的成型原理與普通混凝土振搗成型原理相似，它是用化學(xué)外加劑分散作用代替了機械振搗作用，制備時通過外加劑、膠結(jié)材料和粗細骨料的選擇與搭配和精心的配合比設(shè)計，將屈服剪應(yīng)力減小到足以被自重產(chǎn)生的剪應(yīng)力克服的范圍，使混凝土產(chǎn)生流動。同時采用一定比例的活性摻料，使混凝土拌合物具有足夠的塑性粘度，令骨料懸浮于水泥漿中(沉降速度=0)，不出現(xiàn)離析和泌水問題，保證拌合物的抗離析性、鋼筋間隙通過性和充填性，自由流淌充分填充模板內(nèi)的空間，形成密實且均勻的結(jié)構(gòu)。具有觸變性，自密實混凝土澆注流動到位后，靜置較短時間屈服值就快速增長，支撐自重的能力同步增大?；炷恋那?yīng)力既是混凝土開始流動的前提，又是混凝土離析的條件。若骨料因重力作用產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過了混凝土屈服應(yīng)力，便會從水泥漿中分離出來，或者由于粗骨料與砂漿的流變特性不同，在流動過程中，流動性差的骨料與相對流動性好的砂漿間產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過了混凝土的屈服應(yīng)力同樣會造成粗骨料的分離。制備樁基自密實混凝土就是在保證所需強度的前提下，通過合理選擇原材料及比例，使屈服剪應(yīng)力減小到適宜范圍，同時又具有足夠的塑性粘度η值，獲得既具有高流動性，又不出現(xiàn)離析泌水的混凝土拌合物。1..1.1樁基自密實混凝土的充填能力充填性即混凝土拌合物通過鋼筋間隙等狹窄空間流到模板各個角落不被堵塞而均勻填充的性質(zhì)。在配筋密集、模板形狀復(fù)雜的情況下，流動性不足的混凝土充填性差。流動性主要受用水量的控制。隨著用水量的增加，流動度會逐漸增加，填充性也隨之提高；但只由增加用水量而提高的流動度增加到一定程度后，會產(chǎn)生流動性很大而凝聚性不足的情況，此時粗集料在鋼筋等障礙物處被堵塞，充填性不再提高甚至下降。因此，樁基自密實混凝土不能只考慮其流動性。流動性很大的拌和物，不一定就具有良好的填充性。用摻高性能減水劑的方法來提高混凝土流動性，也有很相似的結(jié)果。通常通過摻入適量高性能減水劑，使降到足夠小，達到大流動性。1.1.2樁基自密實混凝土抗堵塞的影響因素由于有鋼筋的存在，樁基自密實混凝土不僅應(yīng)具有高流動性，而且應(yīng)具有高抗堵塞能力?；炷涟韬衔锸且环N非均質(zhì)的材料，是各種尺寸、形狀和密度的固體材料分散在液相中而組成的多相流動體。當混凝土拌合物流動時，在擁擠的部位，加密筋區(qū)、管線的彎道及分叉處、模板的轉(zhuǎn)角等狹窄空間，粗大顆粒頻繁接觸而堆積成拱，阻塞流動，低強度的砂漿很可能通過粗骨料間的空隙，砂漿中的砂子又會被阻塞在粗骨料之間，結(jié)果只有漿體或水通過砂粒間狹窄的空隙。因此，混凝土拌合物的堵塞行為是和離析、泌水密切相關(guān)的。對混凝土而言，過小的粗骨料體積含量會使彈性模量下降較多而產(chǎn)生較大的收縮，對砂漿而言，過小的砂體積含量，會使收縮增大；兩種場合均對體積穩(wěn)定性、耐久性不利，而且砂率的變化會對自密實混凝土的流動性產(chǎn)生較大的影響，粗骨料的含量對自密實混凝土的填充性有較大影響，所以粗骨料體積含量、砂漿中砂的體積含量均不宜過低，以謀求混凝土工作性和其他性質(zhì)之間矛盾統(tǒng)一為目標。1.3樁基自密實混凝土工作性能評價方法考慮到樁基自密實混凝土屬于免振搗混凝土，借鑒自密實混凝土工作性部分評價方法來評價。目前關(guān)于自密實混凝土國內(nèi)外試驗評價方法較多，主要有坍落流動度、L型箱、U型箱、V型漏斗、Orimet口下料、J形環(huán)和填充箱試驗等，以上試驗方法主要可歸為評價流動擴展性能、抗離析性能和通過性能?？紤]到樁基自密實混凝土中配有鋼筋，會阻礙混凝土的流動擴展，J形環(huán)能較好的模擬；V漏斗可評價樁基自密實混凝土抗離析性能；坍落擴展時間可較好的表現(xiàn)拌合物的粘度。新拌樁基自密實混凝土工作性能測試方法如下：（1）坍落擴展時間(T500)提起坍落度筒，至拌合物擴展直徑達到500mm時結(jié)束，記下該段過程所需時間即為T500，精確到0.1s。T500越小，表明拌合物粘度越低，澆注過程中混凝土的流動擴展速率越大，施工效率越高。圖1.3-1坍落擴展時間（2）V漏斗流出時間(VF)將帶有支架的V型漏斗置于平整的地面上，V型漏斗內(nèi)部潤濕，關(guān)閉其下端的封口，將新拌混凝土注入V漏斗內(nèi)，直至混凝土與V漏斗上端平齊，靜置約10s后打開下端閥門并開始計時，觀測混凝土從閥口流出情況，并從V漏斗上端注視箱體內(nèi)部直至內(nèi)部從底面閥口出現(xiàn)光線為止停止計時，此為混凝土從V型漏斗流出時間，精確到0.1s；VF時間越小，表明混凝土填充性能和流動性越好，VF越大，表明拌合物較黏聚或者混凝土抗離析性能差，靜停過程中骨料沉降聚集于V型箱下閥口導(dǎo)致阻塞。圖1.3-2V漏斗（3）J型環(huán)試驗在J型環(huán)內(nèi)部放置坍落度筒，使混凝土通過J型環(huán)的間隙流出，提起坍落度筒記載混凝土通過J型環(huán)后的擴展度、T500以及J型環(huán)內(nèi)外側(cè)混凝土的高度差。J型環(huán)試驗?zāi)苡^察混凝土是否存在離析傾向以及評估混凝土通過吊筋帶是否會發(fā)生阻塞現(xiàn)象。圖1.3-3J型環(huán)試驗1.4樁基自密實混凝土工作性能要求分析根據(jù)樁基自密實混凝土的施工特點，其工作性能要求包括鋼筋的間距，混凝土澆注時間，施工時氣溫等幾個方面?，F(xiàn)分述如下：⑴澆注時間的影響。樁基自密實混凝土泵送施工時間約為6-7小時，根據(jù)施工過程中施工速度的比選，充填速度宜在10~15m3/h，充填壓力宜為0.2~0.3Mpa?？紤]到施工過程中各工序之間的影響，因此要求混凝土初凝時間大于10h。⑵施工時氣溫的影響。依托工程樁基自密實混凝土預(yù)計在6-7月，氣溫對混凝土坍落度損失略有影響，考慮施工過程中不可避免堵管或工序之間的銜接間隔，因此要求混凝土1h坍落度損失小于10%。⑶鋼筋的間距影響。鋼筋會一定程度上阻礙混凝土在孔中的流動。由于吊筋帶具有一定柔性，相比鋼筋更易阻礙混凝土流動。吊筋帶的間距越小、寬度越大對混凝土流動越大。⑷泵送施工的影響。泵送時填充壓力越大，在壓力作用下，大流動性混凝土越易產(chǎn)生泌水，因此要求壓力泌水率小于10%。⑸樁基土層的吸水程度。澆注時樁基周圍的土體會一定程度的吸附混凝土的水、造成混凝土流動性的降低，施工時通過適當預(yù)濕降低對混凝土中水的吸附。針對以上要求，細化到采用J形環(huán)、V漏斗和坍落擴展時間三個指標來評價樁基自密實混凝土工作性能時，可借鑒自密實混凝土的要求。各國對混凝土的自密實性能要求不盡相同，日本土木學(xué)會對自密實混凝土的填充性等級規(guī)定見表1.4.1，德國和英國自密實混凝土拌和物試驗見1.4.2-表1.4.4。表1.4.1日本土木學(xué)會自密實混凝土填充性等級自填充性等級123鋼筋最小間距(mm)30～6060～200200以上鋼筋用量(kg/m3)350以上100～350100以下U形或箱形上升高度(mm)300以上(障礙R1)300以上(障礙R2)300以上(無障礙)粗集料絕對體積(m3/m3)0.28～0.300.30～0.330.32～0.35流動性坍落流動度(mm)600～700600～700500～650抗離析性漏斗流下時間(s)到達500mm的時間(s)9～205～207～133～154～113～15表1.4.2德國新拌混凝土工作性能要求試驗項目單位數(shù)值坍落流動度5minmm80530min79060min785流到500mm的時間5minmm1.030min3.260min3.5堵塞環(huán)試驗(5min后)坍落流動度試驗流動時間t500環(huán)內(nèi)外高度差△h1s7656.50L槽試驗H1/H2流動時間t20流動時間t40mmss11.73.1漏斗流下時間含氣量密度SVOL.%Kg/m314.01.12350表1.4.3英國新拌自密實混凝土性能（建筑用）試驗方法試驗參數(shù)試驗結(jié)果（拌和后的時間）5～15min60～70min坍落流動度坍落流動度650mm600mm流到50cm的時間1.02s1.66s漏斗試驗(漏斗直徑80mm)流下時間最小～最大1.28s1.21～1.32s1.96s1.87～3.02sJ環(huán)試驗(鋼筋間距50mm)擴展度(與漏斗結(jié)合試驗)670mm605mmL槽試驗(鋼筋間距50mm)T20cmT40cmH2/H1<1s<2s0.81試驗觀察集料堵塞離析表面抹面小小優(yōu)良表1.4.4德國自密實混凝土的和易性等級（J形環(huán)）和易性等級DIN1048和易性等級DIN12382坍落流動度流動時間坍落流動度流動時間A163±58±5S170±512±5A1173±56±3S1180±510±3根據(jù)上述分析，樁基自密實混凝土的工作性能指標參考低和易性等級的自密實混凝土取值。表1.4.5樁基混凝土工作性能指標要求測試項目坍落度（mm）擴展流動度（mm）T500（s）V型漏斗（s）J型環(huán)擴展度（mm）△h（mm）T500（s）指標要求220-2