CN116289353A - 一种减少充填层自密实混凝土灌注离析程度的装置及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少充填层自密实混凝土灌注离析程度的装置及操作方法。属于土木工程施工技术领域，包括灌注漏斗、不锈钢支撑架、分流装置，手柄式蝶阀，PVC承接管、有机玻璃箱、表面浆体厚度测试仪和固定支架；其操作步骤：1、调整实验配合比，填充下部有机玻璃箱的内部空间；2、将SCC倒入灌注漏斗的内部，打开手柄式蝶阀的同时按下秒表开始计时，待SCC完全流至下部的玻璃板腔后停止计时，所需时间即为一定体积下SCC在安装分流装置后完全流下所需的时间；3、更换不同尺寸的分流装置，重复上述步骤，比较不同装置尺寸下SCC的灌注速率。本发明用于解决灌注口处自密实混凝土由于下料形成漩涡导致骨料无法和浆体均匀下落的问题。

Description

一种减少充填层自密实混凝土灌注离析程度的装置及操作 方法

技术领域

本发明属于土木工程施工技术领域，涉及了一种高速铁路无砟轨道充填层自密实混凝土施工装置，尤其是涉及了一种减少充填层自密实混凝土灌注离析程度的装置及操作方法。

背景技术

自密实混凝土(Self-compacting Concrete，SCC)可以在无需振捣和压实的条件下，仅依靠重力作用就能密实填充狭长的封闭板腔^[1]，随着高效减水剂的不断发展和人们对混凝土高强度的关注转移至新拌状态的高流动性，自密实混凝土作为高性能混凝土的其中一个分支逐步发展了起来。

自密实混凝土由合适级配的粗细骨料、各项矿物掺合料和外加剂等材料组成^[2-3]。自密实混凝土最大的特点，就是在灌筑过程中无需振捣即可通过自身重力密实填充模具，即使模具内部充满了致密的钢筋网结构^[4]。目前在国内，自密实混凝土主要用于CRTS III型板式无砟轨道的建设中。CRTS III型板式无砟轨道主要由上层轨道板，充填层自密实混凝土，土工布隔离层和钢筋混凝土底座板四部分构成(如图1所示)。其中，位于中部的充填层自密实混凝土的尺寸为5600mm×2500mm×90mm。与其他自密实混凝土不同的是，CRTSIII型板式无砟轨道的特殊结构决定了充填层自密实混凝土必须具备很高的流动性、间隙通过性和抗离析性。适宜的新拌工作性和施工稳定性是CRTS III型板式无砟轨道自密实混凝土发挥结构性能、保障施工质量的重要前提^[5]。

与其它SCC的施工不同，CRTS III型板式无砟轨道结构的特殊性决定了SCC是从轨道板中间的灌注口进行灌注，SCC通过灌注口后在自重作用下充满整个充填层。当料斗中的SCC含量较多且下料口直径较小时，SCC在通过承接管下落至灌注口的过程中会出现浆骨分离的现象。这是因为在SCC下落过程中，由于SCC较大的自重作用导致混凝土在管口处流速急剧增大，SCC各组分间存在较大密度差，此时的骨料和浆体混合体系组分较静置状态下更加不稳定，骨料会发生下沉现象，对管口处进行堵塞从而无法顺利和浆体均匀下落。同时，当混凝土体系在管口处流速过快时，处于流态的水泥砂浆会在管口上方进行旋转运动，当该转动较为剧烈时，浆体液面会下凹，形成一个旋涡。该旋涡的形成会破坏浆体-骨料体系原有的匀质性，从而加剧浆体和骨料的分离。

针对这一管口处充填层SCC不稳定流动的现象，有施工技术人员以及研究者对灌注装置和施工流程进行了改进。常见的改进方式是采用改进式的蝶阀来替代传统的插板式开口。目前大部分施工单位采用推拉横插在灌注口的插板进行灌注开关以及灌注速率的控制，但是该装置普遍存在漏浆以及在灌注过程中推拉困难的现象。当插板闭合或开口不完全时，由于上方混凝土巨大的自重压力，骨料会堆积到管口，造成更加严重的堵塞从而无法下落至板腔内。但是采用蝶阀并不能很好地改进这一骨料堵塞现象。根据蝶阀的装置特点，当通过手柄将圆形蝶阀片转至垂直位置时，蝶阀仍然会竖立在管口直径处，此时管口的有效通过面积由于蝶阀片的存在减小至管口面积的一半，并不能解决骨料堵塞管口的现象。还有施工技术人员通过控制料斗上部SCC的体积来保证灌注口处灌注压稳定以防口SCC在灌注口出现的浆骨分离，但是该施工方法存在人为主观的判断误差，通过观察料斗内混凝土液面高度来判断使得SCC均匀下落的体积是较为困难的，而且在管口处混凝土的下落速率会时刻发生变化，仅通过肉眼来控制料斗内SCC体积从而降低浆骨分离程度难以达到预期效果。管口处出现的浆骨分离现象是目前充填层SCC施工亟需解决的重要问题。

综上，结合已有相关研究基础，本发明通过大量实验结果和现场测试，针对现有的CRTS III型板式轨道充填层SCC灌注装置存在灌注过程中浆骨分离的问题，发明了一种在管口处对SCC分流的装置，从而保证充填层SCC以匀质状态密实填充板腔内部，确保SCC硬化后具有优良的服役性能。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供了一种降低CRTS III型板式轨道充填层自密实混凝土灌注离析程度的装置及其操作方法，用于解决料斗灌注口处SCC流速过快导致的浆骨分离的问题；

另外，本发明所要解决的第二个问题是提供一种评价充填层SCC灌注速率以及SCC在密实填充模板后的静态稳定性，以此来验证本发明装置降低SCC离析程度的有效性。

技术方案：本发明所述的一种减少充填层自密实混凝土灌注离析程度的装置，包括灌注漏斗、不锈钢支撑架、分流装置，手柄式蝶阀，PVC承接管、有机玻璃箱、表面浆体厚度测试仪和固定支架。

进一步的，所述的灌注漏斗的尺寸是按照工程实际中的漏斗等比例缩小一倍确定的，灌注漏斗由上半部分的圆柱区域和下半部分的圆台区域构成，圆柱区域高为15cm，圆台区域高为30cm；圆台的侧边的母线与水平面夹角的正切值为2，倾斜角与工程采用的灌注漏斗相同；

在出料口上设有手柄式蝶阀，保证灌注漏斗和出料口部分与现场灌注设备完全相同，出料口直径为10cm。

进一步的，在所述灌注漏斗的出料口上设有手柄式蝶阀。

进一步的，所述不锈钢支架支撑在灌注漏斗的下侧外壁，防止灌注漏斗在SCC的重力作用下发生倾覆。

进一步的，所述SCC灌注的分流装置由顶部的圆形挡板、4个中部支架、底部空心圆环、6个外部支架和外部箍环组成，所有材料均采用不锈钢材质制成。

进一步的，所述顶部的圆形挡板的作用是使充填层SCC从挡板与灌注漏斗内壁的圆环空间内流至下部板腔，降低自重导致的SCC浆体旋涡现象。

进一步的，所述4个中部支架，底部空心圆环，外部支架和外部箍环起到固定顶部圆形挡板和防止分流装置在SCC压力的作用下发生倾覆的作用。

进一步的，所述的圆形挡板，中部支架，底部空心圆环，外部支架和外部箍环采用焊接的方式相互固定，保证结构的稳定性。

进一步的，所述的分流装置设计了五种不同尺寸，顶部的圆形挡板的直径和挡板距离底部空心圆环的垂直距离的长度组合分别为60mm和60mm，80mm和60mm，100mm和60mm，80mm和80mm以及80mm和100mm，从中挑选出对于合理工作性参数的SCC离析程度下降最为显著且不影响灌注原有速率的最佳尺寸。

进一步的，所述圆柱形的PVC承接管直径为10cm，与CRTS III型无砟轨道施工现场采用的管道内径相同。

进一步的，所述有机玻璃箱由六块有机玻璃板拼接而成，长为90cm，宽为30cm，高为9cm，高度与CRTS III型板式轨道充填层结构的高度相同，除中部存在一直径为10cm的开孔外，距离该开孔左右两侧30cm的位置还设置有两个直径为10cm的出浆口，以便充填层SCC能够通过两侧出浆口排出。

进一步的，所述表面浆体厚度测试仪由标有刻度的中心杆和4个桨式叶片组成，相邻叶片互相垂直并安装于中心杆的下方位置，中心杆上方带有刻度尺，中心杆由不锈钢圆柱筒的螺栓固定其高度位置。

进一步的，本发明提供了测定充填层SCC灌注速率的方法，其具体操作步骤如下：

(1)、调整实验配合比，使得充填层SCC在灌注前的总体积为25L以便恰好填充下部的有机玻璃箱的内部空间，SCC在灌注前的工作性参数范围满足企业标准Q/CR 596-2017：坍落扩展度为650±5mm，T500为4.0±0.5s；

(2)、关闭位于灌注口的手柄式蝶阀，将分流装置安装在灌注漏斗的内壁处，随后将SCC倒入上部灌注漏斗的内部，静置3min使其保持稳定，打开手柄式蝶阀的同时按下秒表开始计时，待SCC完全流至下部玻璃板腔后停止计时，所需的时间即为一定体积下SCC在安装分流装置后完全流下所需的时间；

(3)、更换不同尺寸的分流装置，重复上述步骤，比较不同装置尺寸下SCC的灌注速率。

本发明还提供了测定充填层SCC灌注后静态稳定性的方法，其具体步骤如下：

(1)、采用进行改进的方法来检测SCC的静态离析性能，待SCC完全充填有机玻璃箱并且上部出浆口有一定浆体流出时，揭开上层有机玻璃板，将固定支架和表面浆体厚度测试仪放置在有机玻璃箱的正上方，调整表面浆体厚度测试仪的中心杆高度，使其底部刚好接触SCC的上表面，记录此时中心杆所在的高度L1；

(2)、SCC静置15min后，松开表面浆体厚度测试仪的中心杆使其自由下落，待中心杆保持静止30s后，读取中心杆此时的高度L2；

(3)、充填层SCC拌合物的稳定性指数即用两次中心杆的高度差来表征：L＝L2-L1；认为当稳定性指数小于7.5mm时，通过灌注漏斗和分流装置的SCC仍然具有良好的静态稳定性。

采用上述技术方案中的降低充填层SCC灌注离析程度的装置和评价SCC通过灌注口流至板腔内的灌注速率和静态稳定性的方法，解决了充填层SCC在灌注过程中易于出现浆骨分离从而大幅降低SCC充填性能的核心问题；充填层SCC在密实填充板腔时的工作性和稳定性的好坏直接关系到SCC硬化后的各项力学性能以及与上层轨道板粘结性能；采用原有施工设备会出现SCC在流经灌注口时浆体流速突然增大的现象，旋涡的产生会导致混凝土体系的骨料下沉，聚集在灌注口处无法和浆体一同均匀下落，进而大幅减少充填板腔的SCC骨料体积分数，严重影响SCC的服役性能；采用上述技术方案的测试装置和测试方法，首先根据工程实际确定漏斗、承接管和底部充填层板腔的尺寸，调整SCC的工作性参数在合理范围内，然后根据上述测试SCC灌注速率和静态稳定性的方法，对安装不同尺寸的分流装置进行重复试验，得出在不影响充填层SCC灌注速率的条件下，有效提高SCC通过灌注口流至板腔的静态稳定性。

有益效果：本发明与现有技术相比，本发明的特点是：1、本发明装置有效地提高了SCC在填充轨道板和混凝土底座板之间的狭长板腔空间以后的工作性和静态稳定性，成功地避免了SCC在通过灌注口时由于浆体流速过快产生旋涡从而出现的浆骨分离现象；2、本发明装置操作简单，稳定性高，且易于反复进行；在原有的灌注设备基础上，只需将分流装置安装至漏斗内壁接近灌注口的位置，SCC灌注完成后便可将装置取出清洗，再次放入漏斗中即可进行下一次灌注；3、本发明装置具有5种不同尺寸，可以适应不同工作性参数下的SCC，当SCC坍落扩展度较大或T500较小时，可以选用圆形挡板面积较大或者高度较小的分流装置；反之，当SCC坍落扩展度较小或T500较大时，可以选用圆形挡板面积较小或者高度较大的分流装置。发明装置尺寸可以依据SCC工作性参数来进行选择；4、本发明测试方法能够客观、准确地测定安装了不同尺寸分流装置后SCC的灌注速率以及流至有机玻璃箱的静态稳定性，有利地保证了安装分流装置后SCC的静态稳定性和灌注速率位于合理范围以内。

附图说明

图1是本发明装置的总体结构示意图；

图2是本发明装置的侧视图；

图3是本发明装置的俯视图；

图4为本发明装置中分流装置的结构示意图；

图5为本发明装置中分流装置的俯视图；

图6为本发明装置中有机玻璃箱、表面浆体厚度测试仪及固定支架的总体结构示意图；

图7为本发明装置中表面浆体厚度测试仪的结构示意图；

图8是本发明CRTS III型板式无砟轨道结构的实施例示意图；

图中：1是灌注漏斗，2是不锈钢支架；

3是分流装置，301是圆形挡板，302是中部支架,303是底部空心圆环，304是外部支架，305是外部箍环；

4是手柄式蝶阀，5是PVC承接管，6是有机玻璃箱；

7是表面浆体厚度测试仪，701是三角支架，702是固定圆筒，703是中心杆，704是叶片；

8是固定支架。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1-7所示，本发明实施例提供了一种减少充填层自密实混凝土灌注离析程度的装置，包括灌注漏斗1、不锈钢支架2、分流装置3、手柄式蝶阀4、PVC承接管5、有机玻璃箱6、表面浆体厚度测试仪7和固定支架8，用于解决灌注口处由于浆体流速过快导致的SCC浆骨分离的问题；

所述灌注漏斗1上层圆柱体的高度为15cm，下层圆台体高度为30cm，圆台母线水平方向和竖直方向的宽高比为1:2；

所述分流装置3设计了五种不同尺寸，根据SCC工作性参数选择相应合理尺寸的装置；

所述手柄式蝶阀4和PVC承接管5的内径均为10cm，所述PVC承接管5的高度为80cm；

底部所述的有机玻璃箱6的厚度为9cm，与CRTS III型板式无砟轨道充填层高度相同，长为90cm，宽为30cm。

进一步的，如图1所示，所述灌注漏斗1由不锈钢支架2所支撑以防SCC灌注过程中自重过大导致漏斗倾覆；

所述灌注漏斗1和PVC承接管5之间的下料口处设有手柄式蝶阀4，以防出现漏浆现象。

进一步的，所述PVC承接管5外壁直径和有机玻璃箱6上方的开孔直径相同，使得PVC承接管5能够恰好插入有机玻璃箱6上方的开孔；除PVC承接管5对应的开孔之外，在所述有机玻璃箱6的两侧均设置了开孔，模拟CRTS III型板式无砟轨道板结构的两侧开孔使得多余的SCC从两侧开孔流出。

进一步的，所述分流装置3放置在灌注漏斗1内壁靠近手柄式蝶阀4处的正上方，灌注过程中装置能够保持稳定，每次灌注完成之后均可将装置取出清洗，操作便捷省力。

进一步的，如图4所示，安装于充填层SCC在灌注口处的分流装置3分为圆形挡板301、中部支架302、底部空心圆环303、外部支架304和外部箍环305。

进一步的，所述分流装置3根据顶部圆形挡板301的直径和挡板距离底部空心圆环303的垂直距离的长度分为五种尺寸，它们的组合分别为60mm和60mm，80mm和60mm，100mm和60mm，80mm和80mm以及80mm和100mm；

当SCC流动到分流装置3所在位置附近时，顶部的圆形挡板301可以有效防止浆体旋涡的产生；中部支架302起到支撑圆形挡板301和连接圆形挡板301和底部空心圆环303的作用，中部支架302由4根Φ10不锈钢支柱组成，SCC可以从相邻支柱的空间顺利通过；底部空心圆环303的直径为12cm，略大于灌注口直径10cm，SCC通过中部支架302后可顺着底部空心圆环303流入PVC承接管5内；

所述外部支架304由六根Φ10不锈钢支柱组成，外部箍筋305的半径与其所在相同高度的漏斗内壁半径相同，确保外部支架304和外部箍筋305能够紧贴漏斗内壁，保证分流装置的高度稳定性。

进一步的，如图6-7所示，充填层SCC静态稳定性测试装置，由表面浆体厚度测试仪7和固定支架8组成，表面浆体厚度测试仪7由三角支架701、固定圆筒702、中心杆703和叶片704组成，中心杆703上方带有刻度尺，可以通过中心杆703的两次测量高差计算出杆上升或下降的位移，将表面浆体厚度测试仪7的三角支架701通过钢片和螺丝固定在固定支架8的两侧，固定支架8的中部为空心，以便中心杆703能够顺利下落至SCC表面。

进一步的，本发明采用充填层SCC灌注速率的测试方法，其具体步骤如下：

(1)、将灌注装置放置在水平地面上，关闭灌注口的手柄式蝶阀4，将分流装置3放入灌注漏斗1内壁灌注口的正上方，然后将符合工作性参数规范标准要求的充填层SCC倒入灌注漏斗1内，SCC的总体积为25L，倾倒完毕后保持静置状态3min；

(2)、静置完毕后，打开手柄式蝶阀4，同时按下秒表开始计时，使SCC自然流淌直至完全流出灌注漏斗1，从打开手柄式蝶阀4至SCC完全流入下方的有机玻璃箱6所需时间即为SCC灌注时间，根据灌注时间的长短可以判定SCC的灌注速率；

(3)、对于本实施例而言，通过反复的实验和对灌注时间的比较认为，对于坍落扩展度为650±5mm，T500为4.0±0.5s工作性参数的SCC，使其灌注时间最短的分流装置3的尺寸为圆形挡板301的直径和挡板距离底部空心圆环303的垂直距离的长度分别是80mm和100mm，此时的灌注时间为35s。

进一步的，本发明采用充填层SCC静态稳定性的测试方法，其具体步骤如下：

(1)、待SCC完全充填有机玻璃箱6并且上部出浆口有一定浆体流出时，揭开上层有机玻璃板，将固定支架8和表面浆体厚度测试仪7放置在有机玻璃箱6的正上方，调整表面浆体厚度测试仪7的中心杆703高度，使其底部刚好接触SCC的上表面，记录此时中心杆703的高度L1；

(2)、待筒内SCC静置15min后，松开上方的中心杆703使其自由下落，直至中心杆703在下方SCC的支撑作用下重新保持静止状态，稳定30s后记录此时中心杆703的高度L2；

(3)、充填层SCC的静态稳定性指数L＝L2-L1，当稳定性指数L小于7.5mm时，认为此时的SCC静态稳定性良好；

(4)、对于本实施例而言，通过反复的实验以及综合静态稳定性和灌注时间的结果认为，尺寸分别为80mm和100mm的分流装置3虽然灌注时间最短，但通过该装置的SCC静态稳定性与不安装分流装置相比无显著改善，尺寸分别为80mm和80mm的分流装置3对应的灌注时间虽然为44s，但其静态稳定性指数为5.3mm，SCC的表层浆体层厚度较薄，骨料未发生聚集下沉现象，故对于该实施例的SCC，选用圆形挡板301的直径和挡板距离底部空心圆环303的垂直距离的长度分别为80mm和80mm的分流装置3能够在不降低灌注速率的条件下，明显改善SCC通过灌注口浆骨分离的问题。

本装置是基于无砟轨道结构施工特点，结合现场自密实混凝土灌注质量要求，通过对工程现场所出现问题的思考而研制出来的一种较新的解决方案；SCC在通过灌注口时发生的浆骨分离会严重影响SCC在板腔内的密实填充性能；与原有灌注口相比，该分流装置3的顶部圆形挡板301能够避免浆体产生旋涡，转而使得SCC通过侧边的相邻中部支架302的间隙流至PVC承接管，显著提高了自密实混凝土灌注过程的稳定性；不同尺寸的分流装置3可以适用于不同工作性参数的SCC，可以根据现场施工情况选择最合适尺寸的分流装置；该装置的外部支架304和外部箍筋305的存在，能够使分流装置3在受到大体积SCC的流动冲击下仍然保持稳定不会倾覆；每次灌注完自密实混凝土后应当及时清洗掉分流装置上附着的水泥浆，防止水泥凝结后粘在圆形挡板301或者中部支架302从而占用供SCC通过的截面面积。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种减少充填层自密实混凝土灌注离析程度的装置，其特征在于，包括安置在最上端的灌注漏斗(1)，在所述灌注漏斗(1)的下端连接有PVC承接管(5)，在所述PVC承接管(5)的下端安置有有机玻璃箱(6)；

在所述灌注漏斗(1)的内腔的底端、靠近PVC承接管(5)处安置有分流装置(3)；

在所述灌注漏斗(1)的下端处开设有出料口，在所述出料口处穿设有手柄式蝶阀(4)。

2.根据权利要求1所述的一种减少充填层自密实混凝土灌注离析程度的装置，其特征在于，

在所述灌注漏斗(1)的下侧外壁上分别安设有一根不锈钢支架(2)；

所述有机玻璃箱(6)由六块有机玻璃板拼接而成，

其中，在上层有机玻璃板上开设有三处开孔，其中部的开孔对应PVC承接管(5)开设的开孔，距该孔左右两侧30cm处分别开设有一个直径为10cm的出浆口；

在所述有机玻璃箱(6)上壁的两侧安置有固定支架(8)，在所述固定支架(8)上安置有用于测试静态稳定性的表面浆体厚度测试仪(7)。

3.根据权利要求2所述的一种减少充填层自密实混凝土灌注离析程度的装置，其特征在于，

所述表面浆体厚度测试仪(7)包括中心杆(703)，在所述中心杆(703)的底端对称性的安设有至少4片叶片(704)，

在所述中心杆(703)上端的外壁上套设有相适配的固定圆筒(704)及三角支架(701)；

所述三角支架(701)上安设的三条支腿通过不锈钢片和螺丝固定连接在固定支架(8)上。

4.根据权利要求1所述的一种减少充填层自密实混凝土灌注离析程度的装置，其特征在于，

所述分流装置(3)由顶部的圆形挡板(301)、4个中部支架(302)、底部空心圆环(303)、6个外部支架(304)和外部箍环(305)共同组成；

其中，所述外部支架(304)和外部箍环(305)采用焊接的方式相互固定；

且上述所有材料均采用不锈钢材质制成。

5.根据权利要求1所述的一种减少充填层自密实混凝土灌注离析程度的装置，其特征在于，

所述灌注漏斗(1)的上口内径为40cm，其上部圆柱形部分的高为15cm，下部圆台形部分的高为30cm。

6.根据权利要求1所述的一种减少充填层自密实混凝土灌注离析程度的装置，其特征在于，

所述PVC承接管(5)开设的管口直径与灌注漏斗(1)开设的下料口直径、有机玻璃箱(6)开设的板面开孔直径均为10cm。

7.根据权利要求1所述的一种减少充填层自密实混凝土灌注离析程度的装置的操作方法，其特征在于：具体操作步骤如下：

(1)、调整实验配合比，使得充填层SCC在灌注前的总体积为25L，以填充下部有机玻璃箱(6)的内部空间；

(2)、关闭位于灌注口的手柄式蝶阀(4)，将分流装置(3)安装在灌注漏斗(1)的内壁处，随后将SCC倒入上部的灌注漏斗(1)的内部，静置3min，打开手柄式蝶阀(4)的同时按下秒表开始计时，待SCC完全流至下部的玻璃板腔后停止计时，所需时间即为一定体积下SCC在安装分流装置(3)后完全流下所需的时间；

(3)、更换不同尺寸的分流装置，重复上述步骤，比较不同装置尺寸下SCC的灌注速率。

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