鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部自密實(shí)混凝土工作性能與早期力學(xué)性能研究

趙永光

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部自密實(shí)混凝土工作性能與早期力學(xué)性能研究

趙永光

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

具有良好工作性能的自密實(shí)混凝土是鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的前提。自密實(shí)混凝土的早期力學(xué)性能是鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)自密實(shí)混凝土的工作性能和早期力學(xué)性能進(jìn)行了研究。配制出滿足鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)要求的自密實(shí)混凝土，并給出鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的自密實(shí)混凝土早期力學(xué)參數(shù)。研究成果可以指導(dǎo)鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部自密實(shí)混凝土的施工以及鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工。

自密實(shí)混凝土，工作性能，早期力學(xué)性能

外側(cè)雙鋼板-混凝土剪力墻由外側(cè)雙鋼板、內(nèi)部鋼桁架及雙鋼板中間混凝土組成。鋼桁架及外側(cè)雙鋼板在工廠預(yù)制，在現(xiàn)場(chǎng)吊裝。現(xiàn)場(chǎng)吊裝就位后澆筑內(nèi)部混凝土。由于混凝土澆筑過(guò)程中不具備振搗條件，所以內(nèi)部混凝土需采用自密實(shí)混凝土。

由于外側(cè)鋼板的存在，鋼板混凝土結(jié)構(gòu)在自密實(shí)混凝土澆筑完畢后無(wú)法對(duì)澆筑質(zhì)量(混凝土強(qiáng)度、混凝土填充情況、混凝土空隙等)進(jìn)行測(cè)試，因此，在混凝土澆筑前，配制出具有良好工作性能的自密實(shí)混凝土是鋼板-混凝土剪力墻達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提。又由于鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)的樓板是采用底部鋼板上部現(xiàn)澆混凝土組成的組合樓板，底部鋼板和上部混凝土澆筑需待鋼板-混凝土剪力墻內(nèi)部自密實(shí)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行，并且自密實(shí)混凝土的早期強(qiáng)度和彈性模量也是鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)所必需的參數(shù)。因此，自密實(shí)混凝土的早期強(qiáng)度和彈性模量隨齡期的發(fā)展也是實(shí)際工程設(shè)計(jì)和施工中必須掌握的參數(shù)。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同配比的自密實(shí)混凝土的工作性能，配制出滿足鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)要求的自密實(shí)混凝土，并測(cè)試其早期力學(xué)性能，得到設(shè)計(jì)所需的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)用于指導(dǎo)鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計(jì)和施工。

1 自密實(shí)混凝土工作性能研究

1.1自密實(shí)混凝土工作性能的測(cè)試方法

自密實(shí)混凝土的工作性能主要表現(xiàn)為：流動(dòng)性、抗離析性、填充性及間隙通過(guò)性，國(guó)內(nèi)外規(guī)范給出了十多種自密實(shí)混凝土工作性能的測(cè)試方法[1–4]。

本文采用塌落度和塌落擴(kuò)展直徑測(cè)試自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性，采用T50流動(dòng)時(shí)間測(cè)試其填充性，采用L型筒實(shí)驗(yàn)測(cè)試其間隙通過(guò)性，采用塌落度筒和篩分析實(shí)驗(yàn)結(jié)合塌落度實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)其抗離析性。

1.2鋼板-混凝土剪力墻內(nèi)部自密實(shí)混凝土配制

鋼板-混凝土剪力墻內(nèi)部自密實(shí)混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑采用每個(gè)施工段設(shè)置一個(gè)下料管的方式，因此要求自密實(shí)混凝土具有良好的流動(dòng)性。又由于墻板及墻節(jié)點(diǎn)處錨固鋼筋及滿布在鋼板內(nèi)側(cè)的鋼桁架的存在，要求自密實(shí)混凝土具有良好的填充性和間隙通過(guò)性。還由于自密實(shí)混凝土是自上而下澆筑，下料高度較大，因此還必須具有良好的抗離析性。

為滿足上述工作性能，本文采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)鋼板-混凝土剪力墻內(nèi)部自密實(shí)混凝土進(jìn)行試配，根據(jù)混凝土拌合料的工作性能調(diào)整配制過(guò)程，使其滿足鋼板-混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)所要求的各項(xiàng)性能，然后再用調(diào)整后的配制方法澆注混凝土，測(cè)試其早期力學(xué)性能。試配過(guò)程各原料的用量及混凝土立方體抗壓強(qiáng)度見表1。試配過(guò)程中各種試配的混凝土工作性能見表2。

試配原料為：1. 普通硅酸鹽水泥(標(biāo)號(hào)525)；2. 礦物摻料為磨細(xì)礦渣；3. 建筑用中砂；4. 普通建筑用小石子，最大粒徑15 mm；5. 聚羧酸類減水劑，型號(hào)PHELPLUS 25，摻量0.8%–2.0%，減水率為20%–30%。

表1 C35自密實(shí)混凝土試配過(guò)程及立方體抗壓強(qiáng)度Table 1 Process of C35 self-compacting concrete mixing and its compressive strength.

表2 C35自密實(shí)混凝土工作性能Table 2 Working property of C35 self-compacting concrete.

1.3自密實(shí)混凝土工作性能的影響因素

1.3.1 低砂率時(shí)含水量對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響

圖1為砂率50%時(shí)自密實(shí)混凝土的含水量對(duì)其工作性能的影響，當(dāng)自密實(shí)混凝土的含水量提高到210.6時(shí)，混凝土的擴(kuò)展度基本達(dá)到自密實(shí)混凝土在配筋構(gòu)件中應(yīng)用的指標(biāo)，混凝土的粘聚力足夠低，T50的流動(dòng)時(shí)間在3.12 s。但是這種混凝土在3根鋼筋的L型筒試驗(yàn)中，在鋼筋處產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，并且在塌落度試驗(yàn)中，中間有點(diǎn)石子堆積現(xiàn)象，并且在拆模后，有些混凝土試件的表面有嚴(yán)重的蜂窩現(xiàn)象，可見只滿足塌落擴(kuò)展度和篩析率的自密實(shí)混凝土并不一定達(dá)到抗離析和填充密實(shí)的要求。

圖1 砂率50%時(shí)含水量對(duì)擴(kuò)展度(a)及篩析率(b)影響Fig.1 Effect of water content to width of slump test(a) and sieve content(b) when sand ratio is 50%.

1.3.2 砂率對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，自密實(shí)混凝土間隙通過(guò)性受砂率影響較大，當(dāng)砂率為50%和55%時(shí)，混凝土鋼筋通過(guò)情況不好，當(dāng)砂率提高至60%時(shí)，配制的自密實(shí)混凝土都能很好地通過(guò)鋼筋間隙，通過(guò)后的混凝土在L型筒的水平筒中前后端高度比大小取決于混凝土的流動(dòng)性。

為了得到鋼筋通過(guò)性良好的自密實(shí)混凝土，本次試驗(yàn)在SCC-2的基礎(chǔ)上對(duì)砂率調(diào)整為60%，其工作性能見圖2。

由圖2可見，在其它條件不變的情況下，砂率提高，混凝土的流動(dòng)性和析水性明顯降低，但間隙通過(guò)性有很大改善，在L型筒實(shí)驗(yàn)中，混凝土流過(guò)鋼筋以后，豎筒中混凝土能跟水平筒鋼筋端混凝土齊平。但是從實(shí)驗(yàn)中會(huì)發(fā)現(xiàn)，水平筒兩端混凝土高度相差很大，主要原因是混凝土的流動(dòng)性不足，混凝土內(nèi)部粘聚力太大造成的，這一點(diǎn)從混凝土的篩析試驗(yàn)中也有反映篩析率僅0.6%。

圖2 含水量210.6 kg/m3時(shí)砂率對(duì)擴(kuò)展度(a)及篩析率(b)的影響Fig.2 Effect of sand factor to width of slump test(a) and sieve content(b) when water content is 210.6 kg/m3.

1.3.3 高砂率時(shí)含水量對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響

圖3 砂率60%時(shí)含水量改變對(duì)擴(kuò)展度(a)及篩析率(b)影響Fig.3 Effect of water content to width of slump test(a) and sieve content(b) when sand ratio is 60%.

從圖3中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用水量增加時(shí)，混凝土的工作性能明顯提高。但是，用水量增加到220 kg以上時(shí)對(duì)混凝土的擴(kuò)展度影響不大，混凝土的抗離析性都能得到滿足。說(shuō)明混凝土在這個(gè)配比范圍內(nèi)穩(wěn)定性較好，工作性能也能得到保證。要配置流動(dòng)性更高的自密實(shí)混凝土再增加用水量已經(jīng)不是很好的方法，所以采取增加減水劑用量以進(jìn)一步提高自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性。在用水量225 kg情況下當(dāng)減水劑摻量增加到1.8%時(shí)，混凝土的擴(kuò)展度直徑增加至720，篩析率增加至5.1%。塌落度筒實(shí)驗(yàn)中無(wú)石子堆積現(xiàn)象，L型筒間隙通過(guò)性測(cè)試中水平筒中的混凝土基本流平。根據(jù)自密實(shí)混凝土工作性能，SCC-8和SCC-9為最終選定的配比，可作為鋼板-混凝土剪力墻內(nèi)部混凝土使用。

2 自密實(shí)混凝土早期力學(xué)性能研究

2.1自密實(shí)混凝土早期強(qiáng)度

本文采用150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)試自密實(shí)混凝土的早期抗壓強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展，表3給出不同配比的混凝土3天、7天和28天的強(qiáng)度。由表3可見，3天齡期的強(qiáng)度是28天強(qiáng)度的0.62，7天齡期是28天齡期的0.65。

表3 不同齡期C35自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度Table 3 Compressive strength of C35 self-compacting concrete with different age.

2.2自密實(shí)混凝土早期彈性模量

本文采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件測(cè)試自密實(shí)混凝土3天、7天及28天齡期的彈性模量，試件配比采用SSC-9。試驗(yàn)方法是采集應(yīng)力應(yīng)變曲線，采用電腦控制的自動(dòng)采集方法。由于本試驗(yàn)所用試驗(yàn)機(jī)為柔性試驗(yàn)機(jī)，不能進(jìn)行變形控制法，試驗(yàn)時(shí)只能得到上升段應(yīng)力應(yīng)變曲線，應(yīng)變采集以貼應(yīng)變片的方法進(jìn)行，縱向應(yīng)變片8 cm，橫行應(yīng)變片5 cm。按照國(guó)標(biāo)82?85的試驗(yàn)方法，每種試件做兩組，當(dāng)兩組試驗(yàn)相差較大再補(bǔ)做第3組。

試驗(yàn)時(shí)先將混凝土預(yù)壓3次，預(yù)壓荷載為混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度的40%，預(yù)壓3次后以同樣速率將混凝土試件壓至破壞，試驗(yàn)過(guò)程中，電腦自動(dòng)記錄壓力與應(yīng)變曲線。彈模計(jì)算按國(guó)標(biāo)彈性模量公式，計(jì)算加載至0.5 MPa到0.4pCP之間的割線模量作為混凝土的彈性模量。

式中，cpσ為混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度，ε為混凝土應(yīng)力在0.4cpσ時(shí)的應(yīng)變，0ε為混凝土應(yīng)力在0.5MPa時(shí)的應(yīng)變。

自密實(shí)混凝土試件3天、7天以及28天齡期的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖4–6所示。

按公式(1)計(jì)算試件在3天、7天和28天的彈性模量分別是Ec＝2.8×104N/m2、Ec＝3.2×104N/m2和Ec＝3.3×104N/m2，可以看出，7天混凝土的彈性模量基本發(fā)展成熟，以后混凝土的彈性模量增加很小。

圖4 3天齡期試件1(a)和試件2(b)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of specimen 1(a) and specimen 2(b) when 3 days.

圖5 7天齡期試件1(a)和試件2(b)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curve of specimen 1(a) and specimen 2(b) when 7 days.

圖6 28天齡期試件1(a)和試件2(b)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve of specimen 1(a) and specimen 2(b) when 28 days.

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 目前國(guó)內(nèi)外規(guī)范所推薦的自密實(shí)混凝土工作性能測(cè)試方法還不夠準(zhǔn)確，如滿足塌落擴(kuò)展度和篩分率的自密實(shí)混凝土并不一定達(dá)到抗離析性的要求。實(shí)際工程中，需綜合采用多種檢測(cè)方法，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，配制出滿足具體工程需要的自密實(shí)混凝土。

(2) 鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部自密實(shí)混凝土應(yīng)選擇較小石子粒徑和較高的砂率以獲得好的間隙通過(guò)性。

(3) 鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部自密實(shí)混凝土在較高含砂率前提下，應(yīng)有較高的含水量以提高其流動(dòng)性，當(dāng)含水量增加無(wú)法再提高擴(kuò)展度直徑時(shí)可適度添加減水劑，用量需通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

(4) 自密實(shí)混凝土在7天齡期時(shí)能達(dá)到較高的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，此時(shí)的抗壓強(qiáng)度和彈性模量可作為鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)，實(shí)際工程中可在自密實(shí)混凝土澆筑7天后進(jìn)行使自密實(shí)混凝土受力的后續(xù)施工。

1 自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南CCES 02-2004, 中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 建筑工業(yè)出版社, 2005 Guidelines for design and construction of self-compacting concrete, China Society of Civil Engineers[S]. Beijing: China Building Industry Press, 2005

2 EFNARC, Specification and Guidelines for self-compacting concrete[S]. 2002

3 Bibm Cembureau, Efca Efnarc, Ermco. The European Guidelines for Self-Compacting Concrete[S], 2005

4 PCI. Interim guidelines for the use of self-consolidating concrete in precast/prestressed concrete institute member plants[S]. 2003

Research on working property and early age mechanical property of self-compacting concrete used in steel-concrete structure

ZHAO Yongguang
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: Self-compacting concrete that has good working property is the prerequisite of steel-concrete structure. The early age mechanical property of self-compacting concrete is the important parameter when design steel-concrete structure. Purpose: This paper attempts to research the working property and early age mechanical property of self-compacting concrete. Methods: Test is used to research the working property and early age mechanical property of self-compacting concrete. Results: Self-compacting concrete that could meet the requirement of steel-concrete structure has been mixed and parameters of early age mechanical property of self-compacting concrete which is necessary for design of steel-concrete structure have been presented. Conclusions: Base on the results, this paper can guide the construction of self-compacting concrete in steel-concrete structure and the design and construction of steel-concrete structure.

Self-compacting concrete, Working property, Early age mechanical property

TU317

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040658

趙永光，男，1982年出生，2009年于同濟(jì)大學(xué)獲碩士學(xué)位，專業(yè)：結(jié)構(gòu)工程

2012-10-31，

2013-03-18

CLC TU317