不同配比下超早期混凝土與模板之間側(cè)向作用

崔 溦, 李 明, 吳甲一, 冀天竹

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072; 2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

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不同配比下超早期混凝土與模板之間側(cè)向作用

崔 溦1, 李 明1, 吳甲一2, 冀天竹1

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072; 2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

超早期混凝土對(duì)模板的側(cè)向壓力直接影響到模板設(shè)計(jì)，其大小受澆筑速度、混凝土配比、溫度、模板表面性態(tài)、尺寸、形狀、澆筑深度等諸多因素影響，作用機(jī)制非常復(fù)雜.在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以測(cè)量不同配比下混凝土對(duì)模板側(cè)向壓力的模型試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析.試驗(yàn)結(jié)果表明,側(cè)向壓力豎向分布與靜水壓力相似，但明顯小于靜水壓力；混凝土水灰比(質(zhì)量比)越大，模板初始側(cè)向壓力越接近靜水壓力，側(cè)向壓力下降速度越快；超早期混凝土側(cè)向壓力的消散發(fā)生在潛伏期之后的水化反應(yīng)階段，此階段水化產(chǎn)物的加速形成使材料具有自承載能力，因此側(cè)向壓力迅速下降并最終消失.

超早期混凝土； 模板； 側(cè)向壓力； 模型試驗(yàn)； 配比

混凝土是目前應(yīng)用最廣泛的建筑材料.近年來,隨著水工大體積現(xiàn)澆混凝土工程的迅速發(fā)展,大型甚至超大型模板在施工中得到了大量應(yīng)用.模板雖然是輔助性結(jié)構(gòu)，但在混凝土工程中，模板工程的造價(jià)最多可達(dá)到整體結(jié)構(gòu)造價(jià)的40%[1]，因此模板設(shè)計(jì)是水工混凝土施工中不容忽視的一個(gè)重要環(huán)節(jié).其中超早期混凝土與模板之間的側(cè)向壓力被認(rèn)為是影響模板設(shè)計(jì)的主要因素[2].一方面，側(cè)向壓力的大小直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量與施工成本，高估最大側(cè)向壓力會(huì)增加模板成本，相反，低估則往往會(huì)導(dǎo)致模板損壞及結(jié)構(gòu)變形，造成較大的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間損失；另一方面，側(cè)向壓力的消散速度對(duì)于確定模板拆除時(shí)間有決定性作用.

近年來各國(guó)學(xué)者對(duì)超早期混凝土與模板之間的側(cè)向壓力進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，普遍認(rèn)為超早期混凝土與模板之間的側(cè)向壓力受諸多因素影響[3-8].首先是澆筑狀況，主要包括澆筑速度、澆筑方式和澆筑溫度；其次是模板性態(tài)，如模板尺寸、彈性及表面粗糙度等；第三個(gè)重要因素是混凝土屬性，如骨料特性、化學(xué)摻合料種類、配比等.由于影響因素眾多，很難用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來精確描述超早期混凝土與模板之間的側(cè)向作用.一般情況下，需要根據(jù)特定的研究問題采用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)公式粗略估計(jì).

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)可以量測(cè)超早期混凝土與模板之間側(cè)向壓力及混凝土溫度變化的模型試驗(yàn)，通過分析不同配比混凝土側(cè)向壓力的變化，研究了不同水灰比(質(zhì)量比)對(duì)超早期混凝土與模板之間初始側(cè)向壓力大小和側(cè)向壓力下降速度的影響，并分析了側(cè)向壓力消散時(shí)間與水泥水化進(jìn)程的關(guān)系.

1 理論模型

1.1 傳統(tǒng)理論模型

超早期混凝土與模板之間的側(cè)向作用非常復(fù)雜.傳統(tǒng)上，在計(jì)算流態(tài)混凝土對(duì)模板的側(cè)向壓力時(shí)，一般按照靜水壓力加以考慮,即

(1)

式中:σlat為側(cè)向壓力，Pa；ρ為混凝土密度，kg·m-3；g為重力加速度，m·s-2；z為澆筑混凝土高度，m.

式(1)有一個(gè)不合理的假設(shè)，假定混凝土為非黏性流體，澆筑時(shí)混凝土確實(shí)會(huì)表現(xiàn)出流體的性質(zhì)，然而一旦澆筑完成，混凝土內(nèi)部就會(huì)生成能夠支撐自身的結(jié)構(gòu)從而減小對(duì)模板的側(cè)向壓力，但是傳統(tǒng)理論模型并沒有對(duì)澆筑完成后側(cè)向壓力迅速下降做出合理解釋[9],而且該計(jì)算方法有比較大的安全裕度.Tchamba等[10]研究表明，即使在進(jìn)行模板高度小于2.5 m的混凝土側(cè)向壓力計(jì)算時(shí)，結(jié)果也不夠精確，而隨著模板高度的增加，誤差則被充分放大.

1.2 現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定

在對(duì)超早期混凝土與模板之間的側(cè)向壓力影響因素的研究中，由于各國(guó)選取的影響因素不同，所提出的計(jì)算側(cè)向壓力的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也存在一定的差異.本文分別選取中國(guó)、美國(guó)、英國(guó)及德國(guó)的現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析.

(2)

美國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ACI 347-04[12]建議超早期混凝土與模板之間的側(cè)向壓力計(jì)算公式為

(3)

式中:Cw為超早期混凝土密度的修正系數(shù)，kN·m-2；Cc為水泥種類及外加劑影響系數(shù)；T為混凝土澆筑溫度，°C.

英國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CIRIA-108[13]建議超早期混凝土與模板之間的側(cè)向壓力計(jì)算公式為

(4)

式中:D為混凝土密度；C1為模板尺寸及形狀影響系數(shù)；C2為混凝土成分影響系數(shù)；C3為澆筑溫度影響系數(shù).

德國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)DIN 18218[14]建議超早期混凝土與模板之間的側(cè)向壓力計(jì)算公式為

(5)

式中:K1及K2均為與超早期混凝土稠度的相關(guān)系數(shù).

從以上公式可以看出，各國(guó)在計(jì)算流態(tài)混凝土對(duì)模板的側(cè)向壓力時(shí)，密度、澆筑速度和初凝時(shí)間被認(rèn)為是最重要的影響因素，尤其是澆筑速度在4種規(guī)范中都是用來作為定量考慮的因素.但是中國(guó)側(cè)重于澆筑速度，而且對(duì)混凝土本身性質(zhì)變化也有所涉及；美國(guó)側(cè)重于澆筑溫度，同時(shí)考慮了水泥種類和外加劑的影響；英國(guó)除對(duì)澆筑速度側(cè)重外，對(duì)模板性態(tài)和澆筑溫度的影響也有考量；而德國(guó)側(cè)重對(duì)澆筑速度的研究時(shí)也考慮了混凝土稠度的影響.但Gallego等[15]研究表明，上述規(guī)范公式只是研究了一個(gè)或者單獨(dú)幾個(gè)方面的影響因素，并沒有綜合考慮不同因素之間的相互影響，因此這些公式與實(shí)測(cè)值都存在一定差異.在進(jìn)行模板高度小于2.5 m的混凝土側(cè)向壓力計(jì)算時(shí)，公式結(jié)果往往大于實(shí)際側(cè)壓，而隨著模板高度的增加，公式結(jié)果往往小于實(shí)際側(cè)壓，這樣會(huì)給工程施工帶來安全隱患；而且現(xiàn)行規(guī)范只是對(duì)最大側(cè)向壓力做了規(guī)定，對(duì)其隨時(shí)間進(jìn)程的消散過程卻沒有涉及.

1.3 理論研究現(xiàn)狀

關(guān)于側(cè)向壓力隨時(shí)間的消散過程，部分研究者認(rèn)為混凝土水化反應(yīng)產(chǎn)生水化產(chǎn)物使混凝土具有自承載能力，從而使得超早期混凝土的側(cè)向壓力迅速消散[4-6].但Andriamanantsilavo等[16]觀察到在混凝土完成澆筑之后，即使此階段混凝土水化還沒有發(fā)生，模板上的側(cè)向壓力也會(huì)迅速下降.因此單獨(dú)使用混凝土水化理論來解釋側(cè)向壓力的下降具有一定的局限性，而且無法具體闡釋澆筑狀況和模板性態(tài)對(duì)于側(cè)向壓力的影響.文獻(xiàn)[17-18]研究結(jié)果表明：當(dāng)假設(shè)超早期混凝土是一個(gè)整體時(shí)，此階段唯一能夠發(fā)生的是絮凝，這種絮凝現(xiàn)象與早期混凝土的觸變性密切相關(guān)，而超早期混凝土的流變性能類似于一個(gè)屈服應(yīng)力模型[19]，該模型可使用下式來描述材料的流動(dòng)剪切狀態(tài)：

(6)

式中：τ為剪應(yīng)力；τ0為屈服應(yīng)力；f為剪切速率γ的函數(shù).

超早期混凝土的流變性能是隨時(shí)間發(fā)展的，澆筑時(shí)超早期混凝土的剪切流動(dòng)可以用屈服應(yīng)力模型解釋，但是當(dāng)澆筑完成后靜置一段時(shí)間，屈服應(yīng)力就可能比流動(dòng)時(shí)的屈服應(yīng)力高一到兩個(gè)數(shù)量級(jí).Jarny等[20]研究發(fā)現(xiàn)，超早期混凝土屈服應(yīng)力的演變與其絮凝狀態(tài)相關(guān)，當(dāng)超早期混凝土流動(dòng)時(shí)，在剪切作用下絮凝網(wǎng)絡(luò)遭到破壞，超早期混凝土由黏稠狀態(tài)變?yōu)榱鲃?dòng)性較大的狀態(tài)，此時(shí)屈服應(yīng)力較??；而在澆筑完成后靜置一段時(shí)間后，剪切作用消失，絮凝作用重新發(fā)展，在混凝土內(nèi)部形成網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)致使其屈服應(yīng)力迅速提高.根據(jù)上述研究，Ovarlez等[9]提出了使用彈性模型和特雷斯卡屈服準(zhǔn)則計(jì)算矩形模板上側(cè)向壓力.

(7)

(8)

式(7),(8)中：k為詹森系數(shù)，與泊松比有關(guān)；L和e與模板形態(tài)有關(guān);z為模板深度，m;τ0,i為初始屈服應(yīng)力，Pa；Athix為絮凝參數(shù);t為澆筑時(shí)間.Kwon等[21]發(fā)現(xiàn)通過絮凝理論對(duì)側(cè)向壓力的變化規(guī)律進(jìn)行解釋存在一定局限性：僅使用界面屈服應(yīng)力來描述流態(tài)混凝土與模板之間的切向作用，忽略了黏性阻力和摩擦對(duì)側(cè)向壓力的影響.

總體來看，對(duì)超早期混凝土的側(cè)向壓力的影響因素非常復(fù)雜，現(xiàn)有的規(guī)范理論都不足以準(zhǔn)確描述側(cè)向壓力大小和隨時(shí)間的變化進(jìn)程.為了得出不同配合比的混凝土側(cè)向壓力的變化規(guī)律，側(cè)向壓力試驗(yàn)研究勢(shì)在必行.

2 試驗(yàn)概況

2.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為唐山奧成牌PO42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3 099.91 kg·m-3，細(xì)度為350 m2·kg-1，顆粒平均粒徑為19.1 μm；細(xì)骨料為海砂，Ⅱ區(qū)級(jí)配，細(xì)度模數(shù)為2.3，表觀密度為2 560 kg·cm-3；粗骨料為石灰?guī)r碎石顆粒，堆積密度為1 580 kg·m-3,表觀密度為2 760 kg·m-3,粒徑組為5～20 mm連續(xù)級(jí)配，最大顆粒粒徑為20 mm；試驗(yàn)所用的拌合水均為可飲用自來水.

2.2 傳感器

試驗(yàn)選用的傳感器包括溫度傳感器和壓力傳感器兩部分.由于超早期混凝土從流態(tài)轉(zhuǎn)變成塑性狀態(tài)再到固態(tài)的時(shí)間非常短暫，而常規(guī)傳感器感應(yīng)膜變形感應(yīng)具有滯后性，且常規(guī)的壓力傳感器并沒有考慮骨料粒徑，同時(shí)也忽略了由于感應(yīng)膜狀態(tài)轉(zhuǎn)變不及時(shí)造成的殘余變形對(duì)測(cè)量的影響，導(dǎo)致對(duì)觸變性材料的測(cè)量結(jié)果存在較大誤差.Talesnick等[22]發(fā)現(xiàn)，基于零點(diǎn)法的無變形感應(yīng)膜傳感器能較好地解決上述問題.因此，試驗(yàn)采用無變形感應(yīng)膜傳感器.產(chǎn)品型號(hào)為JMZX-50XXB，測(cè)量范圍為0～300 kPa，靈敏度為0.01 Pa.為了減小骨料粒徑效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，選用的傳感器直徑為120 mm，超出最大骨料粒徑的5倍以上；試驗(yàn)采用的溫度傳感器為JMT-36C智能溫度傳感器，精度為0.1 ℃，量程為-20～120 ℃，兩種傳感器均能夠滿足試驗(yàn)對(duì)溫度和壓力精度的要求.

2.3 試驗(yàn)方案

為了能夠達(dá)到令人滿意的試驗(yàn)效果，試件的形狀必須滿足以下兩點(diǎn)要求：①方便實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工作且易于澆筑；②試件必須能夠產(chǎn)生足夠的側(cè)向壓力和溫度用于監(jiān)測(cè).按照要求，模型試驗(yàn)箱的尺寸擬定為1 000 mm×300 mm×600 mm，如圖1所示.

a 俯視圖

b AA斷面圖

在混凝土澆筑前，將3個(gè)壓力傳感器固定在模具內(nèi)表面，使其與模板內(nèi)表面齊平，將3個(gè)溫度傳感器固定在模具內(nèi)部，具體布置位置詳見圖1、圖2.其中3個(gè)壓力傳感器被布置在試件的側(cè)面中軸線上不同的高度，從低到高依次記為PS-1，PS-2，PS-3.傳感器表面涂抹油脂，以防止其與混凝土黏結(jié).3個(gè)溫度傳感器分別布置在與壓力傳感器同等高度的中心面處，用來測(cè)量試件的溫度變化，從而反應(yīng)試件水化發(fā)展進(jìn)程，3個(gè)溫度傳感器從低到高依次記為TS-1，TS-2，TS-3.

圖2 試驗(yàn)裝置及傳感器布設(shè)

2.4 配合比設(shè)計(jì)

Assaad等[8]通過改變混凝土的配合比來檢測(cè)配比對(duì)側(cè)向壓力的影響.試驗(yàn)結(jié)果顯示：混凝土配比對(duì)混凝土的初始側(cè)向壓力和消散速度有顯著影響.張瓏等[23-24]的研究成果也表明混凝土配比對(duì)側(cè)向壓力的影響較大.此外，研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)配比對(duì)超早期混凝土的稠度、內(nèi)部摩擦值以及結(jié)構(gòu)之間的切向作用也有較大影響[19-20].因此，為得出配比對(duì)超早期混凝土與結(jié)構(gòu)之間側(cè)向作用及切向作用影響，根據(jù)以上學(xué)者的研究成果，設(shè)計(jì)本試驗(yàn)中的混凝土配合比，如表1所示.

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

兩種方案主要的區(qū)別在于水灰比不同，其中兩種方案的砂率僅相差1%，因此忽略砂率不同對(duì)側(cè)向壓力變化的影響.完成準(zhǔn)備工作以后，澆筑混凝土試件.將混凝土充分?jǐn)嚢韬笱b入模具，同時(shí)使用小型振搗棒振搗混凝土.澆筑完成后立即采集數(shù)據(jù).傳感器、數(shù)據(jù)采集儀及電腦相串聯(lián)，每0.5 s采集一次數(shù)據(jù).考慮到剛澆筑完成后混凝土與模板沒有充分接觸，測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差較大，因此最開始測(cè)得的幾個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)刪去，僅從測(cè)得最大數(shù)據(jù)(最大側(cè)向壓力)開始進(jìn)行分析.后期壓力數(shù)據(jù)達(dá)到零時(shí)會(huì)有部分時(shí)刻出現(xiàn)反彈甚至出現(xiàn)負(fù)值的現(xiàn)象，這部分?jǐn)?shù)據(jù)也略去.

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 側(cè)向壓力與靜水壓力的對(duì)比

圖3給出了兩種工況下混凝土澆筑完成后0～4 h側(cè)向壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律.從圖3可以看出，不同配合比的混凝土側(cè)壓隨時(shí)間變化和隨高度變化規(guī)律基本一致，即在剛澆筑完成時(shí)，混凝土更多呈現(xiàn)出流態(tài)的性質(zhì)，其側(cè)向壓力豎向分布非常貼近靜水壓力值.以水灰比為0.5的試件為例，剛澆筑完成時(shí)各測(cè)點(diǎn)側(cè)向壓力分別占同等高度靜水壓力的88.72%，92.53%，96.19%.然而，隨著時(shí)間變化，模板上的側(cè)向壓力迅速下降，澆筑完成后前2 h，側(cè)壓下降速度較快，2 h后下降速度逐漸變慢.以水灰比為0.5的試件的最底部測(cè)點(diǎn)為例，剛澆筑完成時(shí)以及隨后1,2,3及4 h時(shí)實(shí)測(cè)側(cè)向壓力分別占同等高度靜水壓力的88.72%,73.82%,60.86%,51.64%,42.34%，越靠近底部偏離靜水壓力越大，并且側(cè)向壓力分布差異變大，即從豎向線性分布接近于非線性分布，越到后期這種差異越明顯.

a 工況一

b 工況二

在混凝土剛澆筑完成時(shí)，其觸變性和水化反應(yīng)持續(xù)時(shí)間較短，此時(shí)超早期混凝土塑性狀態(tài)發(fā)展處于初期，流動(dòng)性較大，混凝土更多地呈現(xiàn)出流態(tài)的性質(zhì)，因此其側(cè)向壓力豎向分布近似于靜水壓力，表現(xiàn)為與澆筑高度成正比的線性分布；在側(cè)向壓力消散的初期，超早期混凝土的側(cè)向壓力受觸變性及水化反應(yīng)影響，但觸變性起主導(dǎo)作用，因此絮凝作用初期，隨著水泥顆粒的溶解，水中顆粒含量變大，有利于絮凝反應(yīng)的發(fā)展，此時(shí)表現(xiàn)為澆筑完成后前2 h，側(cè)壓下降速度較快；隨著絮凝作用對(duì)顆粒的吸附作用和水化作用對(duì)水泥顆粒的消耗，水中顆粒的含量變低，不利于顆粒間的碰撞,從而影響凝集，此時(shí)表現(xiàn)為側(cè)壓消散速度的略微降低.此外，底部的混凝土澆筑較早，其側(cè)向壓力消散時(shí)間較早，相較于上部混凝土側(cè)向壓力降低較大.

3.2 水灰比對(duì)側(cè)向壓力的影響

3.2.1 水灰比對(duì)初始側(cè)向壓力的影響

圖4給出了兩種工況下混凝土剛澆筑時(shí)初始側(cè)向壓力占靜水壓力的百分比.從圖4可以看出，對(duì)于工況二，初始側(cè)向壓力占同等高度的靜水壓力的百分比P分別為88.72%，92.53%，96.19%;對(duì)于工況一，初始側(cè)向壓力占靜水壓力的百分比P分別為86.15%,90.47%,93.16%，即水灰比越大初始側(cè)壓越接近靜水壓力.

圖4 不同配比下模板初始側(cè)向壓力占靜水壓力百分比

Fig.4 Percentage of formwork initial lateral pressure of hydrostatic pressure at different concrete mixes

隨著水灰比的增大，水和砂漿的含量提高，粗骨料的含量降低，從而導(dǎo)致兩方面變化:一是混凝土的流動(dòng)性增大，減小了骨料之間的內(nèi)摩擦及模板與混凝土之間的摩擦，二是水含量的增加導(dǎo)致了水泥顆粒周圍的水層厚度增加，水泥顆粒之間距離的增加導(dǎo)致其內(nèi)聚力下降，抗剪強(qiáng)度降低.從公式(7)可知，摩擦力及屈服應(yīng)力的下降使得豎向荷載可以更加容易地轉(zhuǎn)變成側(cè)向壓力.

3.2.2 水灰比對(duì)側(cè)向壓力消散速度的影響

圖5給出了兩種工況下混凝土澆筑完成后4 h內(nèi)側(cè)壓下降規(guī)律圖.從圖5可以看出，對(duì)工況二，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的側(cè)壓下降速率要大于工況一監(jiān)測(cè)點(diǎn)下降速率.截止到澆筑完成后4 h，工況二的試件各監(jiān)測(cè)點(diǎn)側(cè)壓分別降到其初始側(cè)壓的46.6%,51.52%及63.21%；而工況一試件其各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的側(cè)壓分別降到其初始側(cè)壓的51.46%,57.2%及66.16%，即水灰比越大側(cè)向壓力下降越快.

a 工況一

b 工況二

一般來說，超早期混凝土與模板之間的側(cè)向壓力的下降速度取決于混凝土的觸變性、水化反應(yīng)進(jìn)程[9]及混凝土與模板之間摩擦力的變化.一方面，水灰比較大時(shí)水化反應(yīng)較為劇烈，因此混凝土由流態(tài)向可塑乃至固態(tài)演化過程越快，模板與超早期混凝土之間的初始黏結(jié)作用力及混凝土內(nèi)部?jī)?nèi)聚力增長(zhǎng)越快，從而導(dǎo)致側(cè)向壓力下降越快；另一方面，模板的變形也影響著側(cè)向壓力的變化過程，發(fā)生變形的模板隨著側(cè)向壓力的逐漸減小有恢復(fù)其初始狀態(tài)的趨勢(shì)，但是這種變形恢復(fù)的過程受到其內(nèi)部混凝土黏度的影響[21].因此不同配比的混凝土因其黏度不同導(dǎo)致其側(cè)壓消散速度也不同.

3.3 模板側(cè)向壓力消散隨時(shí)間整體變化規(guī)律

圖6給出了兩種工況下混凝土PS-2處側(cè)向壓力及TS-2處溫度的變化規(guī)律.從圖6可以看出,兩組試件前期側(cè)壓下降及溫度上升較為緩慢，其中工況一的試件在300 min時(shí)側(cè)壓p下降到其初始側(cè)壓p0的49.05%，其溫度在此期間僅僅上升了0.87 ℃;工況二的試件在240 min時(shí)側(cè)壓p下降到其初始側(cè)壓p0的51.52%，其溫度在此期間僅僅上升了0.95 ℃，后期隨著水化反應(yīng)速度的迅速提高，其溫度上升速度也隨之迅速升高.工況一的試件在460 min時(shí)側(cè)壓消散為零，其溫度在此期間迅速上升了2.1 ℃，工況二的試件在350 min時(shí)側(cè)壓消散為零，其溫度在此期間上升了2.7 ℃.從圖6可以看出，混凝土側(cè)向壓力下降分為兩個(gè)階段，第一階段是側(cè)向壓力主要受絮凝作用即觸變性影響的物理和化學(xué)消散階段，此階段混凝土由流態(tài)向可塑態(tài)演化，超早期混凝土的側(cè)向壓力受觸變性及水化反應(yīng)影響，但是觸變性起主導(dǎo)作用，即以物理消散為主，物理效應(yīng)主要是由觸變性引起的，在一定程度上歸功于固相顆粒的重組和內(nèi)摩擦角的增大[9].此階段是可逆的，當(dāng)混凝土受到剪切作用時(shí)會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的絮凝結(jié)構(gòu)破壞，內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦減小，使得側(cè)壓再次增大.第二階段是化學(xué)消散階段，此階段混凝土的水化反應(yīng)起主導(dǎo)作用，從圖6可以看出，混凝土內(nèi)部溫度從第二階段開始迅速升高，這說明混凝土的水化反應(yīng)速度也迅速升高，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)聚力及屈服應(yīng)力迅速提高，致使側(cè)向壓力迅速下降為零.

a 工況一

b 工況二

Fig.6 Variations of lateral pressure and temperature at different concrete mixes

從圖6可以看出，第一階段混凝土溫度上升緩慢，表明此階段水化反應(yīng)較為緩慢，因此第一階段也可稱為水化反應(yīng)的潛伏期.此階段，側(cè)壓下降速率比第二階段小;在第二階段，水化反應(yīng)為主導(dǎo)的側(cè)壓下降階段，此階段水泥水化反應(yīng)劇烈，水化產(chǎn)物加速形成使材料具有自承載能力，因此側(cè)向壓力迅速下降并最終消失.側(cè)向壓力消散為零的時(shí)間與混凝土的初凝時(shí)間一致，可見混凝土的側(cè)壓消散時(shí)間主要受水泥水化反應(yīng)影響.因此，當(dāng)水灰比較高時(shí)，水泥水化反應(yīng)快，側(cè)壓消散較早.

3.4 混凝土澆筑過程中模板壓力

圖7給出混凝土完整澆筑過程中同一模板高度處豎向壓力與側(cè)向壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律.從圖7中可以看出，澆筑過程中混凝土豎向壓力隨時(shí)間變化分為兩個(gè)階段，從t0到t1為第一階段，隨澆筑進(jìn)行,豎向壓力逐漸增加，若澆筑強(qiáng)度不變則基本呈線性增加，澆筑停止后(t1到t3)則不再變化.而側(cè)向壓力隨澆筑過程則分為三個(gè)階段，第一階段為t0到t1，側(cè)向壓力基本呈線性增加，但數(shù)值小于豎向壓力，也表明混凝土側(cè)向壓力并不能按照靜水壓力計(jì)算；從t1到t2為第二階段，此階段混凝土側(cè)向壓力逐漸呈曲線減小，屬于物理消散階段為主的階段；從t2到t3為第三階段，此階段混凝土側(cè)向壓力持續(xù)呈曲線下降，但相比于第二階段，由于水化反應(yīng)劇烈，下降速率更快，并最終降低為零，此階段屬于化學(xué)消散階段.

圖7 混凝土澆筑過程中側(cè)向壓力的變化

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)量混凝土與模板之間側(cè)向壓力的模型試驗(yàn)，分析了不同水灰比下側(cè)向壓力的變化，主要結(jié)論如下：

(1)初始側(cè)向壓力豎向分布與靜水壓力相似，但明顯小于靜水壓力.隨著時(shí)間發(fā)展側(cè)向壓力分布差異變大，從豎向的線性分布發(fā)展到接近于非線性分布，越到后期這種差異越明顯.

(2)早期混凝土與模板之間的側(cè)向作用受水灰比影響較大，混凝土水灰比越大，側(cè)向壓力越接近靜水壓力，其消散速度越快.

(3)超早期混凝土側(cè)向壓力的消散主要發(fā)生在潛伏期之后的水化反應(yīng)階段，此階段水化產(chǎn)物加速形成使材料具有自承載能力，因此側(cè)向壓力迅速下降并最終消失.

(4)在進(jìn)行模板設(shè)計(jì)和施工時(shí)，除應(yīng)考慮混凝土自身的強(qiáng)度發(fā)展和上部荷載的變化情況外，還應(yīng)特別注意混凝土配比，兼顧初始側(cè)向壓力及其消散速度，以節(jié)省工程成本.

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Test Study of Lateral Interaction Mechanism at Different Concrete Mixes Between Very Early-Age Concrete and Structures

CUI Wei1, LI Ming1, WU Jiayi2, JI Tianzhu1

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072， China; 2. China Water Resources Beifang Investigation, Design and Research Co., Ltd., Tianjin 300222， China)

The lateral pressure of very early-age concrete on the formwork directly affects the formwork design, whose numerical size is controlled by the casting rate, concrete mix，temperature, surface characteristics, size and shape of formwork and the depth of the casting concrete and so on. Therefore, the influencing mechanism is quite complicated. Based on theory analysis, a model test which can obtain the lateral pressure under the condition of different concrete mix was designed, and the measuring results were analyzed. The test results show that the vertical distribution of lateral pressure is similar to the hydrostatic pressure, but significantly less than the hydrostatic pressure. As the concrete water-cement ratio increases, the initial template lateral pressure gets closer to the hydrostatic pressure, and the lateral pressure drops faster. The cancellation of lateral pressure occurs after the end of the dormant period of cement hydration. The accelerated rate of formation of hydrates enables the material to become self-bearing, which leads the rapid decrease of lateral interaction towards zero.

very early-age concrete; formwork; lateral pressure; model test； concrete mix

2015-12-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(51321065,51279126)；天津市自然科學(xué)基金(13JCQNJC06800)

崔 溦(1977—)，男，副教授，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)閹r土工程穩(wěn)定性及早期混凝土性態(tài).E-mail:cuiwei@tju.edu.cn

TU528

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