模袋用自密实混凝土的侧压力及其扩展度损失研究

陈　浩

(武汉城市职业学院，湖北 武汉　430064)

模袋混凝土是一种采用经设计定型后缝制的高强机织模袋布，用泵车等有压设备把混凝土充灌其中，经固结成型的施工工艺[1]，它是水利工程护坡施工中的一种常用方法。就该工艺的混凝土浇筑过程而言，模袋中充填的混凝土材料属于自密实混凝土，但与浇筑在刚性模板中的混凝土不同，刚性模板的加固措施让浇筑构件的填充体积因约束难以发生明显变化，并且浇筑混凝土产生的侧压力由模板支撑系统承担，但对于模袋混凝土而言，由于柔性模板采用的是编织物材料，因此浇筑时模袋的填充体积是一个可变的域值，而且混凝土填充时产生的侧压力也只能由模袋编织物材料自身承担。因此在工程实施中，不但要求模袋混凝土所用的织物具备足够的强度去承受浇筑填充时产生的侧压力，同时还要求模袋填充体积的可变域值要可控，这样才能避免模袋混凝土因充填不足引起护坡能力下降，或者是因为充填过度又造成了混凝土材料的浪费，甚至是模袋织物的破坏。近年来，关于混凝土对模板的侧向压力问题的研究[2-6]主要针对的是刚性模板，而且这些文献在分析混凝土侧压力时都涉及到浇筑高度对模板的影响，但是模袋混凝土的施工特点是填充铺放混凝土，它不涉及到浇筑高度的问题。此外，对于模袋混凝土而言，如果既要保证模袋填充体积值域可控，又要确保其织物强度可靠，就要求在相关问题研究中，不但要考虑自密实混凝土对柔性模板的侧压力，还要关联分析自密实混凝土模板侧压力与流变性能两者间的关系，这对拟开发的新型模袋高强织物材料研究以及指导现场施工都有着非常重要的现实意义。

1　试验

1.1　试验材料

试验用原材料全部产自武汉本地，其中粗骨料为碎石，最大粒径为20 mm，该粒径大小满足JTJ 239—2005水运工程土工材料应用技术规程7.3.7款要求，砂为中粗砂，水泥为华新水泥厂42.5 MPa普通硅酸盐水泥,粉煤灰为朱家桥Ⅰ级粉煤灰，粒化高炉矿渣粉为武汉市盛大材料有限责任公司生产，减水剂为武汉港湾设计院研制的聚羧酸盐高效减水剂,混凝土配比设计见表1。

表1　混凝土配合比设计表　kg/m3

1.2　试验方法

1.2.1自密实混凝土工作性测试

1)坍落度与扩展度测试。自密实混凝土的流动性和填充性能可以用坍落度和扩展度指标进行评价，同时也通过这样的测试观察本次配比的混凝土的坍落度是否能满足JTJ 239—2005水运工程土工材料应用技术规程[7]7.3.7.2“混凝土坍落度不易小于200 mm”的要求。本试验使用的坍落度筒严格遵循JGJ/T 283—2012自密实混凝土应用技术规程[8]规定，在边长为1 000 mm的光滑正方形平板表面，分别标出坍落度筒的中心位置和直径为500 mm，600 mm，700 mm，800 mm及900 mm的同心圆。测试内容包括坍落度、坍落扩展度以及扩展至500 mm的时间。

2)V型漏斗试验。V型漏斗测试方法是将混凝土拌合物装满V型漏斗，从打开漏斗出料口底盖开始计时，记录混凝土拌合物全部流出出料口所经历的时间。V型漏斗测试时，在填充前应润湿所有仪器，在新拌SCC试样不产生离析的状态下，将自密实混凝土拌合物装满漏斗，抹平表面。随即打开下底盖，测试从开盖到混凝土拌合物全部流出的时间。

1.2.2自密实混凝土侧压力测试

自密实混凝土侧压力测试是在构件尺寸为1 500 mm，1 700 mm，40 mm的模板盒中进行，电子侧压力传感器量程：0 MPa～0.6 MPa，输出：RS485 数字信号，精度：0.3%FS，传感器螺纹：M20×1.5。

2　试验结果与分析

2.1　不同配合比自密实混凝土工作性测试结果

通过测试自密实混凝土的坍落度、坍落扩展度(T50指标)以及V型漏斗流出时间，可以看出用于试验配合的自密实混凝土符合JGJ/T 283—2012自密实混凝土技术规程自密实混凝土的工作性能如表2所示。

2.2　不同配合比自密实混凝土扩展度损失测试结果与分析

从图1可以看出，所有混凝土的扩展度损失量随着时间增长而降低，但与不掺加任何矿物外加剂的JZ-1自密实混凝土试件相比，掺加了20%与30%的粉煤灰自密实混凝土试件其扩展度损失量都相对较低，其中JZ-1自密实混凝土试件在1.5 h后，其扩展度损失量有进一步增大的趋势，而掺加了20%与30%的粉煤灰自密实混凝土试件在1.5 h后，其扩展度损失量的趋势逐渐趋缓。对于掺加了粉煤灰自密实混凝土试件而言，掺加了30%的试件的扩展度损失量较掺加了20%粉煤灰的自密实混凝土要低。

表2　自密实混凝土的工作性能

根据以上试验结果，现分析如下：掺加了粉煤灰自密实混凝土试件其扩展度损失量都相对未掺加任何矿物外加剂的JZ-1自密实混凝土较低，原因应该有两方面，一个是粉煤灰替代了水泥后，会进一步降低水泥的水化速度，另一方面粉煤灰独特的滚珠效应也会在一定程度上降低混凝土的扩展度损失。

从图2可以看出，所有混凝土的坍落度损失量随着时间增长而降低，但与不掺加任何矿物外加剂的JZ-1自密实混凝土试件相比，掺加了20%与30%的高炉矿渣细粉自密实混凝土试件其扩展度损失量都相对较高，而且该图中各类型的自密实混凝土试件在1.5 h后，其扩展度损失量有进一步增大的趋势，而掺加了20%与30%的高炉矿渣细粉自密实混凝土试件在1.5 h后，其扩展度损失量的增势更高些。对于掺加了高炉矿渣细粉的自密实混凝土试件而言，掺加了30%高炉矿渣细粉的自密实混凝土其扩展度损失量较掺加了20%要低一些。

2.3　不同配合比自密实混凝土对模板侧压力测试结果与分析

从图3可以看出，掺加了粉煤灰的自密实混凝土，随着掺量的增加，其对模板侧压力比不掺加任何矿物外加剂的JZ-1自密实混凝土试件要低。各配合比的混凝土侧压力峰值均出现在1.5 h左右，峰值点时，试件FA-30的侧压力值是247 kPa,FA-20的侧压力值是277 kPa,而JZ-1自密实混凝土试件的侧压力值是287 kPa。此后，混凝土对模板的侧压力不断降低，第6 h时，试件FA-30的侧压力值是165 kPa,FA-20的侧压力值是184 kPa,而JZ-1自密实混凝土试件的侧压力值是218 kPa。粉煤灰颗粒呈球形，表面光滑，有利于改善自密实混凝土的流动性。有研究表明掺粉煤灰可以改善混凝土坍落度损失，这样在短时间内可以保持较好的工作性能，使得模板侧压力降幅不大[9]。

从图4可以看出，掺加了高炉矿渣细粉的自密实混凝土，随着掺量的增加，其对模板侧压力比不掺加任何矿物外加剂的JZ-1自密实混凝土试件要低。各配合比的混凝土侧压力峰值也出现在1.5 h左右，其中，试件SL-30的侧压力值是253 kPa, SL-20的侧压力值是297 kPa,第6 h时，试件SL-30的侧压力值是165 kPa,SL-20的侧压力值是197 kPa。

就模袋混凝土而言，其混凝土的强度等级通常在C30左右，本次试验各配合比的混凝土强度值在C30～C40之间，本项目是通过混凝土对模板的侧压力和流动性研究去开发新型的装填混凝土的模袋，因此，混凝土侧压力的峰值和其变化是研究中关注的重点，通过观察，发现本次试验中各配合比的混凝土对模板侧压力均未超过300 kPa，因此可将此值作为下步模袋织物材料开发研究中的一个重要参考指标。

2.4　自密实混凝土的模板侧压力与其流变参数间关系

有学者认为：刚刚浇筑完成的混凝土处于塑性流动状态,在自由变形条件下,在与水化反应伴生的化学收缩、湿度收缩以及温度变形等综合效应下,不论混凝土的绝对体积产生膨胀还是收缩,其宏观表现为混凝土自重作用下的塑性沉降和侧向膨胀。如果混凝土处于模板约束状态,则侧向膨胀产生模板侧压力。只要混凝土表现为膨胀变形,它便会对模板产生侧向压力，当混凝土膨胀变形结束、收缩变形开始时,其产生的模板侧压力则为零[10]。尽管本试验并未持续观察到模板侧压力一直降低到零为止，但是通过对不同配合比混凝土在浇筑2 h后的模板侧压力检测值进行线性拟合(见图5和图6)，可以观察到本试验中自密实混凝土对

模板侧压力随着时间增加而减少的线性相关性较明显。可以判断当混凝土膨胀变形结束、收缩变形开始时,其对模板侧压力最终将趋向为零，通过图5与图6中所列的线性方程进行测算，这个时间在16 h～24 h之间，而这也与工程实践中看到的实际情况基本吻合。

3　结论

1)研究表明随着时间的增长，试验中各混凝土的扩展度损失量不断增大，而其对模板的侧压力值不断减小。

2)通过观察，发现本次试验中各配合比的混凝土对模板侧压力均超过300 kPa，这为下步模袋开发研究提供了一个重要参考指标。

3)掺加了20%与30%的粉煤灰自密实混凝土，由于粉煤灰替代了水泥后，能降低水泥的水化速度，加之粉煤灰独特的滚珠效应，这两方面的因素会在一定程度上降低混凝土的扩展度损失。

4)通过对不同配合比混凝土在浇筑2 h后的模板侧压力检测值进行线性拟合，可以观察到本试验中自密实混凝土对模板侧压力随着时间增加而减少的线性相关性较明显。由此可以判断当混凝土膨胀变形结束、收缩变形开始时,其对模板侧压力最终将趋向为零，这个时间在16 h～24 h之间，而这也与工程实践中看到的实际情况基本吻合。

参考文献:

[1]王瑞海，孙卫平.模袋混凝土充灌施工工艺[J].水运工程,2000(12)：70.

[2]李春生，刘人怀.泵送混凝土浇筑侧压力机理现场试验研究[J].工业建筑,2013(4):122-126.

[3]张文学,李增银,刘龙.混凝土模板侧压力公式对比分析[J].工业建筑,2014(7):132-136.

[4]潘剑云.混凝土模板侧压力试验研究[D].杭州：浙江大学硕士学位论文，2014.

[5]朱铁梅,叶燕华，魏威,等.自密实混凝土模板侧向压力初探[J].混凝土,2011(7):106-112.

[6]裴新意，陈立胜.泵送自密实混凝土浇筑侧压力试验研究[J].混凝土,2015(5):7.

[7]JTJ 239—2005,水运工程土工材料应用技术规程[S].

[8]JGJ/T 283—2012,自密实混凝土应用技术规程[S].

[9]王子龙.自密实混凝土的模板侧压力及其流变性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学硕士学位论文，2011.

[10]侯东伟.早龄期混凝土全变形曲线的试验测量与分析[J].建筑材料学报,2010(10)：615.