桩基自密实混凝土工作性能评价指标研究

桩基自密实混凝土工作性能评价指标研究1.1桩基自密实混凝土的流变性混凝土拌合物是一种粘、弹、塑性材料。按流变学理论划分，新拌混凝土属于宾汉姆(Bingham)模型，其流变模型可用牛顿液体模型和圣维南固体模型并联，再与虎克固体模型串联而成。当＜时，并联部分不产生变形，体系中只有弹性变形，即当＞时，在并联部分发生与应力（—）成正比的粘性流动，即－剪应力；－屈服剪应力；－塑性粘度；－应变速率。混凝土拌合物在外力作用下，其内部产生的剪应力达到某一限度之前不发生流动，只有其内部的弹性变形。是阻碍塑性变形的最大应力，由材料之间的附着力和摩擦力引起，它支配了拌合物的变形能力；当＞时，混凝土产生流动。η是反映流体各平流层之间产生的与流动方向反向的阻止其流动的粘滞阻力，它支配了拌合物的流动能力，η越小，在相同外力作用下流动越快。混凝土的粘性如图1.1.1所示。当作用外力超过屈服值时，混凝土拌合物才产生流动，而流动的快慢则与其塑性粘度有关。图1.1.1中的直线斜率，即表示拌合物的塑性粘度。图1.1.1混凝土拌合物的流变性流变性可由屈服剪应力和塑性粘度η两个参数来确定，既是混凝土开始流动的前提，又是混凝土不离析的重要条件。桩基自密实混凝土就是要求其流变性质接近于牛顿流体，也就是要有很小的屈服剪应力及较大的塑性粘度，得到较高的流动性同时又不离析的拌合物。普通混凝土拌合物在振捣作用下密实成型的过程是由一个宾汉姆流体转化为近似于牛顿流体的触变过程。当混凝土拌合物颗粒振动速度达到某极限速度时，屈服剪应力足以被克服，使混凝土拌合物产生流动并达到所要求的密实程度。混凝土的触变性定义为“表观粘度在剪应力作用下降低，剪应力撤除后又逐步恢复，是一个与时间相关的作用”，混凝土触变性的产生机理可解释为：混凝土在剪应力（搅拌）作用下，逐步进入颗粒悬浮状态，剪切强度（屈服值）降到最低水平；不受剪应力作用，在静置状态，混凝土颗粒逐渐变为凝聚状态，剪切强度（屈服值）升高。桩基干浇自密实混凝土采用干浇、泵送工艺施工，为免振捣混凝土，混凝土浇注时间一般约为10h左右，对混凝土的缓凝时间提出要求。综合以上几个方面，本节分析提出桩基自密实混凝土工作性能要求以及工作性能评价方法。1.2桩基自密实混凝土密实原理桩基自密实混凝土的成型原理与普通混凝土振捣成型原理相似，它是用化学外加剂分散作用代替了机械振捣作用，制备时通过外加剂、胶结材料和粗细骨料的选择与搭配和精心的配合比设计，将屈服剪应力减小到足以被自重产生的剪应力克服的范围，使混凝土产生流动。同时采用一定比例的活性掺料，使混凝土拌合物具有足够的塑性粘度，令骨料悬浮于水泥浆中(沉降速度=0)，不出现离析和泌水问题，保证拌合物的抗离析性、钢筋间隙通过性和充填性，自由流淌充分填充模板内的空间，形成密实且均匀的结构。具有触变性，自密实混凝土浇注流动到位后，静置较短时间屈服值就快速增长，支撑自重的能力同步增大。混凝土的屈服应力既是混凝土开始流动的前提，又是混凝土离析的条件。若骨料因重力作用产生的剪应力超过了混凝土屈服应力，便会从水泥浆中分离出来，或者由于粗骨料与砂浆的流变特性不同，在流动过程中，流动性差的骨料与相对流动性好的砂浆间产生的剪应力超过了混凝土的屈服应力同样会造成粗骨料的分离。制备桩基自密实混凝土就是在保证所需强度的前提下，通过合理选择原材料及比例，使屈服剪应力减小到适宜范围，同时又具有足够的塑性粘度η值，获得既具有高流动性，又不出现离析泌水的混凝土拌合物。1..1.1桩基自密实混凝土的充填能力充填性即混凝土拌合物通过钢筋间隙等狭窄空间流到模板各个角落不被堵塞而均匀填充的性质。在配筋密集、模板形状复杂的情况下，流动性不足的混凝土充填性差。流动性主要受用水量的控制。随着用水量的增加，流动度会逐渐增加，填充性也随之提高；但只由增加用水量而提高的流动度增加到一定程度后，会产生流动性很大而凝聚性不足的情况，此时粗集料在钢筋等障碍物处被堵塞，充填性不再提高甚至下降。因此，桩基自密实混凝土不能只考虑其流动性。流动性很大的拌和物，不一定就具有良好的填充性。用掺高性能减水剂的方法来提高混凝土流动性，也有很相似的结果。通常通过掺入适量高性能减水剂，使降到足够小，达到大流动性。1.1.2桩基自密实混凝土抗堵塞的影响因素由于有钢筋的存在，桩基自密实混凝土不仅应具有高流动性，而且应具有高抗堵塞能力。混凝土拌合物是一种非均质的材料，是各种尺寸、形状和密度的固体材料分散在液相中而组成的多相流动体。当混凝土拌合物流动时，在拥挤的部位，加密筋区、管线的弯道及分叉处、模板的转角等狭窄空间，粗大颗粒频繁接触而堆积成拱，阻塞流动，低强度的砂浆很可能通过粗骨料间的空隙，砂浆中的砂子又会被阻塞在粗骨料之间，结果只有浆体或水通过砂粒间狭窄的空隙。因此，混凝土拌合物的堵塞行为是和离析、泌水密切相关的。对混凝土而言，过小的粗骨料体积含量会使弹性模量下降较多而产生较大的收缩，对砂浆而言，过小的砂体积含量，会使收缩增大；两种场合均对体积稳定性、耐久性不利，而且砂率的变化会对自密实混凝土的流动性产生较大的影响，粗骨料的含量对自密实混凝土的填充性有较大影响，所以粗骨料体积含量、砂浆中砂的体积含量均不宜过低，以谋求混凝土工作性和其他性质之间矛盾统一为目标。1.3桩基自密实混凝土工作性能评价方法考虑到桩基自密实混凝土属于免振捣混凝土，借鉴自密实混凝土工作性部分评价方法来评价。目前关于自密实混凝土国内外试验评价方法较多，主要有坍落流动度、L型箱、U型箱、V型漏斗、Orimet口下料、J形环和填充箱试验等，以上试验方法主要可归为评价流动扩展性能、抗离析性能和通过性能。考虑到桩基自密实混凝土中配有钢筋，会阻碍混凝土的流动扩展，J形环能较好的模拟；V漏斗可评价桩基自密实混凝土抗离析性能；坍落扩展时间可较好的表现拌合物的粘度。新拌桩基自密实混凝土工作性能测试方法如下：（1）坍落扩展时间(T500)提起坍落度筒，至拌合物扩展直径达到500mm时结束，记下该段过程所需时间即为T500，精确到0.1s。T500越小，表明拌合物粘度越低，浇注过程中混凝土的流动扩展速率越大，施工效率越高。图1.3-1坍落扩展时间（2）V漏斗流出时间(VF)将带有支架的V型漏斗置于平整的地面上，V型漏斗内部润湿，关闭其下端的封口，将新拌混凝土注入V漏斗内，直至混凝土与V漏斗上端平齐，静置约10s后打开下端阀门并开始计时，观测混凝土从阀口流出情况，并从V漏斗上端注视箱体内部直至内部从底面阀口出现光线为止停止计时，此为混凝土从V型漏斗流出时间，精确到0.1s；VF时间越小，表明混凝土填充性能和流动性越好，VF越大，表明拌合物较黏聚或者混凝土抗离析性能差，静停过程中骨料沉降聚集于V型箱下阀口导致阻塞。图1.3-2V漏斗（3）J型环试验在J型环内部放置坍落度筒，使混凝土通过J型环的间隙流出，提起坍落度筒记载混凝土通过J型环后的扩展度、T500以及J型环内外侧混凝土的高度差。J型环试验能观察混凝土是否存在离析倾向以及评估混凝土通过吊筋带是否会发生阻塞现象。图1.3-3J型环试验1.4桩基自密实混凝土工作性能要求分析根据桩基自密实混凝土的施工特点，其工作性能要求包括钢筋的间距，混凝土浇注时间，施工时气温等几个方面。现分述如下：⑴浇注时间的影响。桩基自密实混凝土泵送施工时间约为6-7小时，根据施工过程中施工速度的比选，充填速度宜在10~15m3/h，充填压力宜为0.2~0.3Mpa。考虑到施工过程中各工序之间的影响，因此要求混凝土初凝时间大于10h。⑵施工时气温的影响。依托工程桩基自密实混凝土预计在6-7月，气温对混凝土坍落度损失略有影响，考虑施工过程中不可避免堵管或工序之间的衔接间隔，因此要求混凝土1h坍落度损失小于10%。⑶钢筋的间距影响。钢筋会一定程度上阻碍混凝土在孔中的流动。由于吊筋带具有一定柔性，相比钢筋更易阻碍混凝土流动。吊筋带的间距越小、宽度越大对混凝土流动越大。⑷泵送施工的影响。泵送时填充压力越大，在压力作用下，大流动性混凝土越易产生泌水，因此要求压力泌水率小于10%。⑸桩基土层的吸水程度。浇注时桩基周围的土体会一定程度的吸附混凝土的水、造成混凝土流动性的降低，施工时通过适当预湿降低对混凝土中水的吸附。针对以上要求，细化到采用J形环、V漏斗和坍落扩展时间三个指标来评价桩基自密实混凝土工作性能时，可借鉴自密实混凝土的要求。各国对混凝土的自密实性能要求不尽相同，日本土木学会对自密实混凝土的填充性等级规定见表1.4.1，德国和英国自密实混凝土拌和物试验见1.4.2-表1.4.4。表1.4.1日本土木学会自密实混凝土填充性等级自填充性等级123钢筋最小间距(mm)30～6060～200200以上钢筋用量(kg/m3)350以上100～350100以下U形或箱形上升高度(mm)300以上(障碍R1)300以上(障碍R2)300以上(无障碍)粗集料绝对体积(m3/m3)0.28～0.300.30～0.330.32～0.35流动性坍落流动度(mm)600～700600～700500～650抗离析性漏斗流下时间(s)到达500mm的时间(s)9～205～207～133～154～113～15表1.4.2德国新拌混凝土工作性能要求试验项目单位数值坍落流动度5minmm80530min79060min785流到500mm的时间5minmm1.030min3.260min3.5堵塞环试验(5min后)坍落流动度试验流动时间t500环内外高度差△h1s7656.50L槽试验H1/H2流动时间t20流动时间t40mmss11.73.1漏斗流下时间含气量密度SVOL.%Kg/m314.01.12350表1.4.3英国新拌自密实混凝土性能（建筑用）试验方法试验参数试验结果（拌和后的时间）5～15min60～70min坍落流动度坍落流动度650mm600mm流到50cm的时间1.02s1.66s漏斗试验(漏斗直径80mm)流下时间最小～最大1.28s1.21～1.32s1.96s1.87～3.02sJ环试验(钢筋间距50mm)扩展度(与漏斗结合试验)670mm605mmL槽试验(钢筋间距50mm)T20cmT40cmH2/H1<1s<2s0.81试验观察集料堵塞离析表面抹面小小优良表1.4.4德国自密实混凝土的和易性等级（J形环）和易性等级DIN1048和易性等级DIN12382坍落流动度流动时间坍落流动度流动时间A163±58±5S170±512±5A1173±56±3S1180±510±3根据上述分析，桩基自密实混凝土的工作性能指标参考低和易性等级的自密实混凝土取值。表1.4.5桩基混凝土工作性能指标要求测试项目坍落度（mm）扩展流动度（mm）T500（s）V型漏斗（s）J型环扩展度（mm）△h（mm）T500（s）指标要求220-2