钢板-混凝土结构内部自密实混凝土工作性能与早期力学性能研究

赵永光

（上海核工程研究设计院 上海 200233）

钢板-混凝土结构内部自密实混凝土工作性能与早期力学性能研究

赵永光

（上海核工程研究设计院 上海 200233）

具有良好工作性能的自密实混凝土是钢板-混凝土结构能够实现的前提。自密实混凝土的早期力学性能是钢板-混凝土结构设计的重要参数。本文通过实验的方法对自密实混凝土的工作性能和早期力学性能进行了研究。配制出满足钢板-混凝土结构要求的自密实混凝土，并给出钢板-混凝土结构设计所需的自密实混凝土早期力学参数。研究成果可以指导钢板-混凝土结构内部自密实混凝土的施工以及钢板-混凝土结构的设计和施工。

自密实混凝土，工作性能，早期力学性能

外侧双钢板-混凝土剪力墙由外侧双钢板、内部钢桁架及双钢板中间混凝土组成。钢桁架及外侧双钢板在工厂预制，在现场吊装。现场吊装就位后浇筑内部混凝土。由于混凝土浇筑过程中不具备振捣条件，所以内部混凝土需采用自密实混凝土。

由于外侧钢板的存在，钢板混凝土结构在自密实混凝土浇筑完毕后无法对浇筑质量(混凝土强度、混凝土填充情况、混凝土空隙等)进行测试，因此，在混凝土浇筑前，配制出具有良好工作性能的自密实混凝土是钢板-混凝土剪力墙达到设计要求的前提。又由于钢板-混凝土结构的楼板是采用底部钢板上部现浇混凝土组成的组合楼板，底部钢板和上部混凝土浇筑需待钢板-混凝土剪力墙内部自密实混凝土达到设计强度后进行，并且自密实混凝土的早期强度和弹性模量也是钢板-混凝土结构节点设计所必需的参数。因此，自密实混凝土的早期强度和弹性模量随龄期的发展也是实际工程设计和施工中必须掌握的参数。

本文通过实验测试不同配比的自密实混凝土的工作性能，配制出满足钢板-混凝土结构要求的自密实混凝土，并测试其早期力学性能，得到设计所需的参数。实验结构用于指导钢板-混凝土结构的实际设计和施工。

1 自密实混凝土工作性能研究

1.1自密实混凝土工作性能的测试方法

自密实混凝土的工作性能主要表现为：流动性、抗离析性、填充性及间隙通过性，国内外规范给出了十多种自密实混凝土工作性能的测试方法[1–4]。

本文采用塌落度和塌落扩展直径测试自密实混凝土的流动性，采用T50流动时间测试其填充性，采用L型筒实验测试其间隙通过性，采用塌落度筒和筛分析实验结合塌落度实验评价其抗离析性。

1.2钢板-混凝土剪力墙内部自密实混凝土配制

钢板-混凝土剪力墙内部自密实混凝土现场浇筑采用每个施工段设置一个下料管的方式，因此要求自密实混凝土具有良好的流动性。又由于墙板及墙节点处锚固钢筋及满布在钢板内侧的钢桁架的存在，要求自密实混凝土具有良好的填充性和间隙通过性。还由于自密实混凝土是自上而下浇筑，下料高度较大，因此还必须具有良好的抗离析性。

为满足上述工作性能，本文采用实验方法对钢板-混凝土剪力墙内部自密实混凝土进行试配，根据混凝土拌合料的工作性能调整配制过程，使其满足钢板-混凝土剪力墙结构所要求的各项性能，然后再用调整后的配制方法浇注混凝土，测试其早期力学性能。试配过程各原料的用量及混凝土立方体抗压强度见表1。试配过程中各种试配的混凝土工作性能见表2。

试配原料为：1. 普通硅酸盐水泥(标号525)；2. 矿物掺料为磨细矿渣；3. 建筑用中砂；4. 普通建筑用小石子，最大粒径15 mm；5. 聚羧酸类减水剂，型号PHELPLUS 25，掺量0.8%–2.0%，减水率为20%–30%。

表1 C35自密实混凝土试配过程及立方体抗压强度Table 1 Process of C35 self-compacting concrete mixing and its compressive strength.

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

1.3自密实混凝土工作性能的影响因素

1.3.1 低砂率时含水量对自密实混凝土性能的影响

图1为砂率50%时自密实混凝土的含水量对其工作性能的影响，当自密实混凝土的含水量提高到210.6时，混凝土的扩展度基本达到自密实混凝土在配筋构件中应用的指标，混凝土的粘聚力足够低，T50的流动时间在3.12 s。但是这种混凝土在3根钢筋的L型筒试验中，在钢筋处产生堵塞现象，并且在塌落度试验中，中间有点石子堆积现象，并且在拆模后，有些混凝土试件的表面有严重的蜂窝现象，可见只满足塌落扩展度和筛析率的自密实混凝土并不一定达到抗离析和填充密实的要求。

图1 砂率50%时含水量对扩展度(a)及筛析率(b)影响Fig.1 Effect of water content to width of slump test(a) and sieve content(b) when sand ratio is 50%.

1.3.2 砂率对自密实混凝土性能的影响

试验中发现，自密实混凝土间隙通过性受砂率影响较大，当砂率为50%和55%时，混凝土钢筋通过情况不好，当砂率提高至60%时，配制的自密实混凝土都能很好地通过钢筋间隙，通过后的混凝土在L型筒的水平筒中前后端高度比大小取决于混凝土的流动性。

为了得到钢筋通过性良好的自密实混凝土，本次试验在SCC-2的基础上对砂率调整为60%，其工作性能见图2。

由图2可见，在其它条件不变的情况下，砂率提高，混凝土的流动性和析水性明显降低，但间隙通过性有很大改善，在L型筒实验中，混凝土流过钢筋以后，竖筒中混凝土能跟水平筒钢筋端混凝土齐平。但是从实验中会发现，水平筒两端混凝土高度相差很大，主要原因是混凝土的流动性不足，混凝土内部粘聚力太大造成的，这一点从混凝土的筛析试验中也有反映筛析率仅0.6%。

图2 含水量210.6 kg/m3时砂率对扩展度(a)及筛析率(b)的影响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 高砂率时含水量对自密实混凝土性能的影响

图3 砂率60%时含水量改变对扩展度(a)及筛析率(b)影响Fig.3 Effect of water content to width of slump test(a) and sieve content(b) when sand ratio is 60%.

从图3中发现，当用水量增加时，混凝土的工作性能明显提高。但是，用水量增加到220 kg以上时对混凝土的扩展度影响不大，混凝土的抗离析性都能得到满足。说明混凝土在这个配比范围内稳定性较好，工作性能也能得到保证。要配置流动性更高的自密实混凝土再增加用水量已经不是很好的方法，所以采取增加减水剂用量以进一步提高自密实混凝土的流动性。在用水量225 kg情况下当减水剂掺量增加到1.8%时，混凝土的扩展度直径增加至720，筛析率增加至5.1%。塌落度筒实验中无石子堆积现象，L型筒间隙通过性测试中水平筒中的混凝土基本流平。根据自密实混凝土工作性能，SCC-8和SCC-9为最终选定的配比，可作为钢板-混凝土剪力墙内部混凝土使用。

2 自密实混凝土早期力学性能研究

2.1自密实混凝土早期强度

本文采用150 mm×150 mm×150 mm标准试件测试自密实混凝土的早期抗压强度随龄期的发展，表3给出不同配比的混凝土3天、7天和28天的强度。由表3可见，3天龄期的强度是28天强度的0.62，7天龄期是28天龄期的0.65。

表3 不同龄期C35自密实混凝土的强度Table 3 Compressive strength of C35 self-compacting concrete with different age.

2.2自密实混凝土早期弹性模量

本文采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件测试自密实混凝土3天、7天及28天龄期的弹性模量，试件配比采用SSC-9。试验方法是采集应力应变曲线，采用电脑控制的自动采集方法。由于本试验所用试验机为柔性试验机，不能进行变形控制法，试验时只能得到上升段应力应变曲线，应变采集以贴应变片的方法进行，纵向应变片8 cm，横行应变片5 cm。按照国标82−85的试验方法，每种试件做两组，当两组试验相差较大再补做第3组。

试验时先将混凝土预压3次，预压荷载为混凝土棱柱体抗压强度的40%，预压3次后以同样速率将混凝土试件压至破坏，试验过程中，电脑自动记录压力与应变曲线。弹模计算按国标弹性模量公式，计算加载至0.5 MPa到0.4pCP之间的割线模量作为混凝土的弹性模量。

式中，cpσ为混凝土棱柱体抗压强度，ε为混凝土应力在0.4cpσ时的应变，0ε为混凝土应力在0.5MPa时的应变。

自密实混凝土试件3天、7天以及28天龄期的应力应变曲线见图4–6所示。

按公式(1)计算试件在3天、7天和28天的弹性模量分别是Ec＝2.8×104N/m2、Ec＝3.2×104N/m2和Ec＝3.3×104N/m2，可以看出，7天混凝土的弹性模量基本发展成熟，以后混凝土的弹性模量增加很小。

图4 3天龄期试件1(a)和试件2(b)应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of specimen 1(a) and specimen 2(b) when 3 days.

图5 7天龄期试件1(a)和试件2(b)应力应变曲线Fig.5 Stress-strain curve of specimen 1(a) and specimen 2(b) when 7 days.

图6 28天龄期试件1(a)和试件2(b)应力应变曲线Fig.6 Stress-strain curve of specimen 1(a) and specimen 2(b) when 28 days.

3 结语

(1) 目前国内外规范所推荐的自密实混凝土工作性能测试方法还不够准确，如满足塌落扩展度和筛分率的自密实混凝土并不一定达到抗离析性的要求。实际工程中，需综合采用多种检测方法，经反复试验，配制出满足具体工程需要的自密实混凝土。

(2) 钢板-混凝土结构内部自密实混凝土应选择较小石子粒径和较高的砂率以获得好的间隙通过性。

(3) 钢板-混凝土结构内部自密实混凝土在较高含砂率前提下，应有较高的含水量以提高其流动性，当含水量增加无法再提高扩展度直径时可适度添加减水剂，用量需通过实验确定。

(4) 自密实混凝土在7天龄期时能达到较高的抗压强度和弹性模量，此时的抗压强度和弹性模量可作为钢板-混凝土结构节点设计的输入参数，实际工程中可在自密实混凝土浇筑7天后进行使自密实混凝土受力的后续施工。

1 自密实混凝土设计与施工指南CCES 02-2004, 中国土木工程学会标准[S]. 北京: 建筑工业出版社, 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

赵永光，男，1982年出生，2009年于同济大学获硕士学位，专业：结构工程

2012-10-31，

2013-03-18

CLC TU317