混凝土側(cè)壓力測(cè)試技術(shù)研究★

潘劍云 劉國(guó)華 楊 博 孫海濤 張 欣

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058； 3.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

混凝土側(cè)壓力測(cè)試技術(shù)研究★

潘劍云1劉國(guó)華2楊 博3孫海濤1張 欣1

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058； 3.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

分析了新澆混凝土對(duì)模板的側(cè)壓理論，介紹了兩種簡(jiǎn)易的測(cè)試裝置，并通過對(duì)比實(shí)測(cè)值與理論值，驗(yàn)證了裝置的效用，實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)變測(cè)試裝置能反映側(cè)壓力變化規(guī)律，而且其測(cè)值與理論分析值接近。

新澆混凝土，模板，測(cè)試裝置，側(cè)壓力

為了研究者能更好地在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)混凝土側(cè)壓力的變化規(guī)律及影響因素進(jìn)行分析研究，本項(xiàng)目從測(cè)試設(shè)備和測(cè)試方法等方面入手，結(jié)合現(xiàn)有側(cè)壓力理論，設(shè)計(jì)出一種便捷而有效的實(shí)驗(yàn)技術(shù)措施。

1 新澆混凝土側(cè)壓力理論

1.1 側(cè)壓力特征

新澆混凝土對(duì)模板側(cè)壓力，是指入模時(shí)具有一定流動(dòng)性的新澆混凝土在澆筑、振搗和自重的共同作用下，對(duì)限制其流動(dòng)的側(cè)模板所產(chǎn)生的壓力[1]。我國(guó)在20世紀(jì)60年代～80年代對(duì)混凝土側(cè)壓力進(jìn)行了大量的測(cè)試研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)類型，盡管一次澆筑高度、澆筑速度不同。但混凝土側(cè)壓力分布曲線的走勢(shì)基本相似，側(cè)壓力主要特征如下[2]：

1)最大側(cè)壓力隨混凝土澆筑速度提高而增大，與其呈冪函數(shù)關(guān)系；2)在一定的澆筑速度下，因混凝土的凝結(jié)時(shí)間隨溫度的降低而延長(zhǎng)，從而增加其有效壓頭；3)機(jī)械振搗的混凝土側(cè)壓力比手工搗實(shí)增大約56%；4)側(cè)壓力隨坍落度的增大而增大；5)外加劑對(duì)混凝土固化速度和稠度有調(diào)整作用，從而影響混凝土的側(cè)壓力；6)側(cè)壓力隨混凝土力密度的增加而增大。

1.2 影響因素

影響新澆混凝土側(cè)壓力的因素歸納起來主要有三個(gè)方面:混凝土的工作性能、混凝土的澆筑方式以及模板特征等。具體的因素則相對(duì)較多[3]，如水泥的種類和用量、骨料特性、水灰比、化學(xué)摻合料、澆筑速度、澆筑方式、模板尺寸、振搗等。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置

2.1 應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

應(yīng)變測(cè)試方法與技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)力學(xué)的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)中[4]。電阻應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在尺寸小、重量輕、安裝方便，一般不會(huì)干擾構(gòu)件的應(yīng)力分布，并且精度較高，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好。本項(xiàng)目的應(yīng)變測(cè)試即采用普通的電阻應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)。

該系統(tǒng)中的模板采用標(biāo)準(zhǔn)油料大筒，直徑60 cm，高度90 cm，以電阻應(yīng)變片粘貼于鋼筒的側(cè)壁，并用電阻應(yīng)變儀測(cè)得實(shí)驗(yàn)過程中側(cè)邊的應(yīng)變值，最終計(jì)算得到模板所受的側(cè)壓力。

2.2 壓力測(cè)試系統(tǒng)

為了檢測(cè)不同厚度的混凝土對(duì)側(cè)壁的壓力影響，共設(shè)計(jì)了兩種不同規(guī)格的水池，凈空尺寸分別為：① 50 cm×40 cm×80 cm，② 50 cm×26 cm×115 cm。

土壓力盒具有較高靈敏度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn),更適合于室內(nèi)模型試驗(yàn)或較小比例的模型試驗(yàn)[5]。該測(cè)試系統(tǒng)以振弦式土壓力盒為主要測(cè)試設(shè)備，采用簡(jiǎn)易的振弦頻率測(cè)試儀測(cè)得壓力盒上的頻率變化值，最終換算得到壓力值。

將土壓力盒埋置于模板的側(cè)面和底面，側(cè)面的壓力盒盡可能靠近模板的底部，并且使其與模板的內(nèi)邊平齊，以獲得更可靠的壓力值，而底部的壓力盒則主要用于數(shù)據(jù)的校驗(yàn)。

3 試驗(yàn)成果與數(shù)據(jù)分析

3.1 鋼筒模板系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)分析

3.1.1 測(cè)點(diǎn)布置及應(yīng)變測(cè)值

鋼筒模板系統(tǒng)采用通過測(cè)試鋼筒周邊拉壓應(yīng)變，然后折算混凝土模板側(cè)壓力的方式進(jìn)行。其測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

澆筑的混凝土坍落度為46 mm，振搗方式采用插入式內(nèi)部振搗棒進(jìn)行振搗。測(cè)定值為混凝土在整個(gè)澆筑過程的灌注中、灌注后、機(jī)械振搗時(shí)、振搗后等幾個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。具體如表1所示。

表1 鋼筒模板系統(tǒng)應(yīng)變測(cè)值表

3.1.2 測(cè)值分析與結(jié)論

從測(cè)得的數(shù)據(jù)上，可以粗略判斷混凝土的側(cè)壓力在澆筑過程中具有一定的規(guī)律性。為了可以更直觀的顯示其規(guī)律，將表1中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件得到如圖2所示折線圖。

其中第2時(shí)間點(diǎn)為灌注混凝土后的應(yīng)變值，第3時(shí)間點(diǎn)為振動(dòng)過程中的應(yīng)變值，4點(diǎn)～5點(diǎn)為振動(dòng)后測(cè)得的應(yīng)變值，7點(diǎn)～9點(diǎn)為初凝之后的振動(dòng)過程中的應(yīng)變變化值。

分析以上曲線圖可知，本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有如下顯著規(guī)律：1)隨著混凝土澆筑高度的增加，對(duì)模板的側(cè)壓力逐漸增大。2)混凝土在振動(dòng)器的作用下產(chǎn)生的對(duì)模板的側(cè)向壓力迅速增加，增幅明顯。3)振動(dòng)停止，混凝土的側(cè)向壓力明顯下降，處于振動(dòng)狀態(tài)下的80%左右。4)混凝土在開始失去塑性之后，如果重新對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)，其產(chǎn)生的側(cè)壓力值仍將上升，但最大值明顯小于新澆筑的時(shí)期。5)混凝土凝結(jié)硬化后，完全失去可塑性，其對(duì)側(cè)壁的壓力逐漸下降，直至可以忽略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相吻合。

3.2 砌體模板系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)分析

3.2.1 測(cè)點(diǎn)布置及壓力測(cè)值

砌體模板系統(tǒng)采用土壓力盒直接測(cè)試壓力的方法測(cè)得新澆混凝土的側(cè)壓力，其測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖3，圖4所示。

實(shí)驗(yàn)所使用的混凝土坍落度分別為32 mm，64 mm和93 mm。機(jī)械振搗棒端部振搗部長(zhǎng)度為30 cm，有效作用深度100 cm。當(dāng)混凝土拌合物處于振搗棒有效作用范圍內(nèi)時(shí)，測(cè)定振搗作用下的壓力值。

砌塊模板系統(tǒng)壓力測(cè)試表見表2。

表2 砌體模板系統(tǒng)壓力測(cè)試表

3.2.2 測(cè)值分析與結(jié)論

對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將考慮從幾個(gè)方面著手。第一，從同種坍落度但不同的澆筑深度入手，如圖5所示；第二，從不同的模板尺寸進(jìn)行分析，如圖5中1-折線與2-折線對(duì)比；第三，從同種配合比不同坍落度看測(cè)值的變化，如圖6～圖8所示。

通過對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論：

混凝土澆筑完成后，未進(jìn)行振搗之前，側(cè)壓力基本呈現(xiàn)隨高度增加而增加的趨勢(shì)，但其實(shí)際測(cè)得值遠(yuǎn)小于理論靜止流體的側(cè)壓力值，并且測(cè)試值有上下波動(dòng)。分析其原因主要是由于未經(jīng)振動(dòng)的混凝土中存在大量空隙，分布不均勻，部分模板甚至沒有接觸到混凝土，造成壓力測(cè)試上的偏差。

無論混凝土的坍落度是大還是小，在振動(dòng)狀態(tài)下，側(cè)壓力最大值與理論靜壓力值高度吻合，誤差基本控制在10%以內(nèi)，說明此時(shí)混凝土基本處于完全流動(dòng)狀態(tài)，最大值與坍落度沒有明顯的相關(guān)性。

從圖6～圖8中得到一個(gè)相同的結(jié)論：雖然混凝土的側(cè)壓力在振動(dòng)狀態(tài)下與坍落度不相關(guān)，但在非振動(dòng)狀態(tài)下還是表現(xiàn)出明顯的區(qū)別。坍落度愈大，則振動(dòng)前和振動(dòng)剛結(jié)束時(shí)，其側(cè)壓力值明顯高于坍落度小的情況。

振動(dòng)結(jié)束后，混凝土側(cè)壓力值下降，澆筑寬度大，側(cè)壓力下降較少，寬度小的側(cè)壓力則下降較多，其原因應(yīng)該是澆筑寬度較小的狀況下，混凝土的自立性較強(qiáng)，一旦撤出振動(dòng)力后，由于混凝土自持，側(cè)壓力下降較快。

混凝土凝結(jié)后，側(cè)壓力迅速下降至最低值，甚至多點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)值，在排除設(shè)備自身的系統(tǒng)誤差因素后，主要原因在于混凝土凝結(jié)硬化后，自身體積的收縮對(duì)壓力盒施加了拉力，實(shí)際工程中則可認(rèn)為此時(shí)混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力降至零。

4 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)采用了兩種不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，鋼筒模板應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)和砌體模板壓力盒測(cè)試系統(tǒng)。從使用情況和測(cè)試數(shù)據(jù)上來看，兩者之間存在較大差異，各自都有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于不同的情況有各自的適用性。

其中，鋼筒模板系統(tǒng)的模板整體剛度相對(duì)較小，鋼材對(duì)應(yīng)變計(jì)有良好的適應(yīng)性，單點(diǎn)測(cè)試值能較好反映壓力變化規(guī)律。1)優(yōu)點(diǎn)：a.實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯谱骱?jiǎn)便，準(zhǔn)備時(shí)間相對(duì)較短；b.可以使用應(yīng)變測(cè)量方式進(jìn)行多點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，數(shù)據(jù)量大；c.測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，只需要普通應(yīng)變片即能完成測(cè)試，費(fèi)用較低。2)缺點(diǎn)：整體剛度小，使得混凝土在澆筑過程中鋼筒發(fā)生局部變形，某些測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，影響測(cè)試效果，甚至某顆粗骨料頂?shù)綉?yīng)變片都會(huì)使其報(bào)廢。對(duì)于測(cè)得的數(shù)據(jù)，需要人工辨別是否正常，剔除明顯不正確的測(cè)點(diǎn)。

相反，砌體模板系統(tǒng)剛度大，不易變形，測(cè)試壓力盒表面積大，能中和局部骨料的不均勻壓力，測(cè)試值更接近理論計(jì)算值。但安裝壓力盒的過程較復(fù)雜，工時(shí)花費(fèi)多，且壓力盒價(jià)格較應(yīng)變片大，費(fèi)用較高，對(duì)于小型實(shí)驗(yàn)來說，使用量不能過多，連續(xù)監(jiān)測(cè)的能力也沒有應(yīng)變儀好。

綜合以上兩種系統(tǒng)的分析結(jié)論，建議在進(jìn)行測(cè)定混凝土側(cè)壓力的實(shí)驗(yàn)中，可以有針對(duì)性的選擇方案，實(shí)驗(yàn)?zāi)康钠赜诜治鲆?guī)律性的，則使用第一種方案；側(cè)重于數(shù)值準(zhǔn)確性的，則可選擇第二種方案。

收稿日期：2015-09-15

★：浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳資助項(xiàng)目“負(fù)公差及組裝偏差對(duì)鋼構(gòu)件承載力影響分析”(項(xiàng)目編號(hào)：2014Z022)；浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研資助項(xiàng)目“負(fù)公差對(duì)焊接H型鋼梁承載力影響分析”(項(xiàng)目編號(hào)：201408)

[1] 王旭峰,劉繼文.從地鐵橋墩立柱模板坍塌事故分析探討混凝土側(cè)壓力值.建筑技術(shù),2009,40(8):734-737.

[2] 杜榮軍.混凝土工程模板與支架技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3] Assaad J, Khayat.K.H. Effect of casting rate and concrete temperature on formwork pressure of self-consolidating concrete.Material sand Structures,2006(39):333-341.

[4] 沈觀林.應(yīng)變電測(cè)與傳感器技術(shù)的發(fā)展及其在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用.工程力學(xué)，2004(S1):164-179.

[5] 韋四江,王大順,郜進(jìn)海,等.微型土壓力盒的標(biāo)定及修正.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009(5)：1003-1006.

Research on test technology of concrete lateral pressure★

Pan Jianyun1Liu Guohua2Yang Bo3Sun Haitao1Zhang Xin1

(1.SchoolofLandscapeArchitecture,ZhejiangA&FUniversity,Lin’an311300,China;2.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;3.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangSCI-TECHUniversity,Hangzhou310018,China)

Analyzes the lateral pressure of the fresh concrete on template, and introduces two easily-operate testing devices. By comparing the measured values with the theoretical value, it was verified the effectiveness of the device. Experimental results show that the strain testing device capable of reacting lateral pressure variation, pressure testing device measured value and a value close to the theoretical analysis.

fresh concrete, templates, test equipment, lateral pressure

2015-09-11

★:國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(項(xiàng)目編號(hào)：11202188)；浙江農(nóng)林大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：SYB1310)

潘劍云(1982- )，男，實(shí)驗(yàn)師； 劉國(guó)華(1963- )，男，博士生導(dǎo)師，教授； 楊 博(1978- )，男，副教授； 孫海濤(1964- )，男，副教授； 張 欣(1982- )，男，實(shí)驗(yàn)師

1009-6825(2015)33-0037-04

TU528

A