趙永光

（上海核工程研究設(shè)計院 上海 200233）

鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部自密實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)計院 上海 200233）

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

自密實混凝土，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)場吊裝?，F(xiàn)場吊裝就位后澆筑內(nèi)部混凝土。由于混凝土澆筑過程中不具備振搗條件，所以內(nèi)部混凝土需采用自密實混凝土。

由于外側(cè)鋼板的存在，鋼板混凝土結(jié)構(gòu)在自密實混凝土澆筑完畢后無法對澆筑質(zhì)量(混凝土強度、混凝土填充情況、混凝土空隙等)進行測試，因此，在混凝土澆筑前，配制出具有良好工作性能的自密實混凝土是鋼板-混凝土剪力墻達到設(shè)計要求的前提。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)部自密實混凝土達到設(shè)計強度后進行，并且自密實混凝土的早期強度和彈性模量也是鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計所必需的參數(shù)。因此，自密實混凝土的早期強度和彈性模量隨齡期的發(fā)展也是實際工程設(shè)計和施工中必須掌握的參數(shù)。

本文通過實驗測試不同配比的自密實混凝土的工作性能，配制出滿足鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)要求的自密實混凝土，并測試其早期力學(xué)性能，得到設(shè)計所需的參數(shù)。實驗結(jié)構(gòu)用于指導(dǎo)鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)的實際設(shè)計和施工。

1 自密實混凝土工作性能研究

1.1自密實混凝土工作性能的測試方法

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

本文采用塌落度和塌落擴展直徑測試自密實混凝土的流動性，采用T50流動時間測試其填充性，采用L型筒實驗測試其間隙通過性，采用塌落度筒和篩分析實驗結(jié)合塌落度實驗評價其抗離析性。

1.2鋼板-混凝土剪力墻內(nèi)部自密實混凝土配制

鋼板-混凝土剪力墻內(nèi)部自密實混凝土現(xiàn)場澆筑采用每個施工段設(shè)置一個下料管的方式，因此要求自密實混凝土具有良好的流動性。又由于墻板及墻節(jié)點處錨固鋼筋及滿布在鋼板內(nèi)側(cè)的鋼桁架的存在，要求自密實混凝土具有良好的填充性和間隙通過性。還由于自密實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，本文采用實驗方法對鋼板-混凝土剪力墻內(nèi)部自密實混凝土進行試配，根據(jù)混凝土拌合料的工作性能調(diào)整配制過程，使其滿足鋼板-混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)所要求的各項性能，然后再用調(diào)整后的配制方法澆注混凝土，測試其早期力學(xué)性能。試配過程各原料的用量及混凝土立方體抗壓強度見表1。試配過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525)；2. 礦物摻料為磨細礦渣；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PHELPLUS 25，摻量0.8%–2.0%，減水率為20%–30%。

表1 C35自密實混凝土試配過程及立方體抗壓強度Table 1 Process of C35 self-compacting concrete mixing and its compressive strength.

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

1.3自密實混凝土工作性能的影響因素

1.3.1 低砂率時含水量對自密實混凝土性能的影響

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

圖1 砂率50%時含水量對擴展度(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 砂率對自密實混凝土性能的影響

試驗中發(fā)現(xiàn)，自密實混凝土間隙通過性受砂率影響較大，當(dāng)砂率為50%和55%時，混凝土鋼筋通過情況不好，當(dāng)砂率提高至60%時，配制的自密實混凝土都能很好地通過鋼筋間隙，通過后的混凝土在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性。

為了得到鋼筋通過性良好的自密實混凝土，本次試驗在SCC-2的基礎(chǔ)上對砂率調(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，混凝土的流動性和析水性明顯降低，但間隙通過性有很大改善，在L型筒實驗中，混凝土流過鋼筋以后，豎筒中混凝土能跟水平筒鋼筋端混凝土齊平。但是從實驗中會發(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性不足，混凝土內(nèi)部粘聚力太大造成的，這一點從混凝土的篩析試驗中也有反映篩析率僅0.6%。

圖2 含水量210.6 kg/m3時砂率對擴展度(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 高砂率時含水量對自密實混凝土性能的影響

圖3 砂率60%時含水量改變對擴展度(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，混凝土的工作性能明顯提高。但是，用水量增加到220 kg以上時對混凝土的擴展度影響不大，混凝土的抗離析性都能得到滿足。說明混凝土在這個配比范圍內(nèi)穩(wěn)定性較好，工作性能也能得到保證。要配置流動性更高的自密實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一步提高自密實混凝土的流動性。在用水量225 kg情況下當(dāng)減水劑摻量增加到1.8%時，混凝土的擴展度直徑增加至720，篩析率增加至5.1%。塌落度筒實驗中無石子堆積現(xiàn)象，L型筒間隙通過性測試中水平筒中的混凝土基本流平。根據(jù)自密實混凝土工作性能，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 自密實混凝土早期力學(xué)性能研究

2.1自密實混凝土早期強度

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

表3 不同齡期C35自密實混凝土的強度Table 3 Compressive strength of C35 self-compacting concrete with different age.

2.2自密實混凝土早期彈性模量

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

試驗時先將混凝土預(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，試驗過程中，電腦自動記錄壓力與應(yīng)變曲線。彈模計算按國標(biāo)彈性模量公式，計算加載至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度，ε為混凝土應(yīng)力在0.4cpσ時的應(yīng)變，0ε為混凝土應(yīng)力在0.5MPa時的應(yīng)變。

自密實混凝土試件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

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

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

(3) 鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部自密實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性，當(dāng)含水量增加無法再提高擴展度直徑時可適度添加減水劑，用量需通過實驗確定。

(4) 自密實混凝土在7天齡期時能達到較高的抗壓強度和彈性模量，此時的抗壓強度和彈性模量可作為鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計的輸入?yún)?shù)，實際工程中可在自密實混凝土澆筑7天后進行使自密實混凝土受力的后續(xù)施工。

1 自密實混凝土設(shè)計與施工指南CCES 02-2004, 中國土木工程學(xué)會標(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