崔曉騰 馬強(qiáng)巴

水泥混凝土是當(dāng)代用量最大、用途最廣、最重要的建筑材料之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、交通、水利、軍事及海洋工程等領(lǐng)域。水泥混凝土作為一種由粗細(xì)集料、水泥、水、外加劑等組成的多相復(fù)合材料，不同相的性質(zhì)及其相互作用均影響混凝土的性質(zhì)。本研究以充分發(fā)揮粗集料作用為出發(fā)點(diǎn)，從水泥混凝土多相分散系的角度，在粗集料形成嵌鎖骨架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出嵌鎖密實(shí)水泥混凝土，引入集料填充比和水泥凈漿填充比，表征粗集料、細(xì)集料和水泥凈漿在混凝土中的作用;通過水泥混凝土坍落度試驗(yàn)，分析水灰比、砂率、水泥凈漿填充比等對(duì)嵌鎖密實(shí)水泥混凝土工作性的影響，為混凝土配合比設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供依據(jù)。

1 嵌鎖密實(shí)水泥混凝土

水泥混凝土是一種多相復(fù)合材料，不同相的性質(zhì)及其相互作用均影響混凝土的性質(zhì)，綜合“中心質(zhì)假說”、架構(gòu)混凝土等思想，從宏觀、細(xì)觀和微觀多相分散系的角度，把水泥混凝土分解為混凝土、砂漿和水泥凈漿三個(gè)體系。從水泥混凝土多相分散的角度，提出水泥混凝土粗集料的嵌鎖骨架結(jié)構(gòu)和嵌鎖密實(shí)水泥混凝土。

1.1 粗集料嵌鎖骨架結(jié)構(gòu)

為了表征粗集料的級(jí)配組成結(jié)構(gòu)與集料顆粒之間的關(guān)系，引入集料填充體積比(簡稱集料填充比)參數(shù)，定義為填充顆粒的振實(shí)體積與骨架顆粒振實(shí)剩余空隙體積的比值，即:

其中，Tij為集料填充比，%;Vi為填充顆粒振實(shí)體積，L;Vj為骨架顆粒振實(shí)體積，L;voj為骨架顆粒振實(shí)空隙率，%。

1.2 嵌鎖密實(shí)水泥混凝土

嵌鎖密實(shí)水泥混凝土定義為:在粗集料嵌鎖骨架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用砂及其空隙填充主骨架的剩余空隙，使集料混合后的空隙率最小，且比表面積也不大;進(jìn)一步用水泥凈漿填充砂石混合料的剩余空隙，裹覆砂顆粒表面，并與砂組成水泥砂漿裹覆粗集料顆粒表面，形成充分密實(shí)，滿足強(qiáng)度要求，且具有一定流動(dòng)性的混凝土。嵌鎖密實(shí)水泥混凝土中，砂的作用主要是填充粗集料骨架的剩余空隙，并與水泥凈漿一起裹覆粗集料顆粒表面，其用量應(yīng)是:充分填充粗集料骨架空隙，但不影響或盡可能少影響粗集料骨架結(jié)構(gòu)，使砂石混合料的空隙率最小;預(yù)留一定的富余，用于與水泥凈漿一起裹覆粗集料顆粒表面，保證顆粒粘結(jié)力和提高混凝土流動(dòng)性。配合比設(shè)計(jì)中仍采用砂率表征。

2 水灰比對(duì)嵌鎖密實(shí)水泥混凝土工作性的影響

水灰比與混凝土坍落度的關(guān)系如圖1，圖2所示，圖中(0.30，1.75)系指砂率0.30、水泥凈漿填充比1.75，其他類似。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在一定的砂率和水泥凈漿填充比下，混凝土坍落度均隨著水灰比的增大而近似線性增大，變化趨勢(shì)并不受砂率和水泥凈漿填充比的影響。相同砂率與水泥凈漿填充比下，水灰比越大，水泥凈漿越稀，混凝土的流動(dòng)性越好，這與已有相關(guān)研究結(jié)論一致。同時(shí)，相同砂率下，坍落度的變化斜率隨著水泥凈漿填充比的增大而增大，或者說同一水灰比下，水泥凈漿填充比大的新拌混凝土的坍落度大。

3 砂率對(duì)嵌鎖密實(shí)水泥混凝土工作性的影響

總體而言，砂率與坍落度的關(guān)系受水灰比和水泥凈漿填充比的影響較大。首先，隨著水灰比的增大，坍落度隨砂率的變化趨勢(shì)由上凸拋物線形逐漸過渡為波動(dòng)單調(diào)增大。其次，相同水灰比和相同砂率下，坍落度隨水泥凈漿填充比的提高而增大，這與前面分析相同，但當(dāng)水灰比較大(如水灰比為0.51，0.57)時(shí)，這種關(guān)系波動(dòng)較大。當(dāng)水灰比相對(duì)較小(如0.42，0.45)，水泥凈漿填充比固定的情況下，隨著砂率的提高，開始時(shí)砂主要起填充作用，坍落度逐漸增大，但當(dāng)砂率提高到一定程度后，集料的總表面積增大，吸水作用明顯，且集料總表面積裹覆的水泥凈漿增多，在不增大水泥凈漿填充比的情況下，會(huì)使混凝土變得干澀，坍落度將隨砂率的提高而減小。砂率存在一個(gè)坍落度達(dá)到最大的最佳值，約為0.34～0.35，這與嚴(yán)家推薦的合理砂率值接近。此時(shí)，若增大水泥凈漿填充比，則混凝土坍落度會(huì)繼續(xù)增大，如水灰比為0.45、水泥凈漿填充比為2.1時(shí)。

4 水泥凈漿填充比對(duì)嵌鎖密實(shí)水泥混凝土工作性的影響

水泥凈漿填充比與坍落度的關(guān)系如圖3，圖4所示。

由圖 3，圖4可見，相同砂率和水灰比下，混凝土的坍落度均隨水泥凈漿填充比的提高而近似線性增大。

5 嵌鎖密實(shí)水泥混凝土坍落度計(jì)算

前述分析得出，嵌鎖密實(shí)水泥混凝土工作性主要依賴于水灰比和水泥凈漿填充比?？紤]到在固定砂率下，坍落度與水灰比、水泥凈漿填充比均有良好的線性關(guān)系，利用式(2)線性模型對(duì)坍落度、水灰比、水泥凈漿填充比進(jìn)行回歸，結(jié)果見表1。

其中，SL為坍落度，mm;W/C為水灰比;Tc為水泥凈漿填充比;a，b，c均為回歸系數(shù)。

表1 水灰比、水泥凈漿填充比與坍落度回歸結(jié)果

為了驗(yàn)證回歸關(guān)系式的可靠性，將砂率在0.30～0.37之間的159組混凝土坍落度實(shí)測值與回歸公式計(jì)算值對(duì)比分析得出，滿足水泥混凝土坍落度允許波動(dòng)范圍15 mm要求的約占90.6%，表明回歸公式可以滿足工程應(yīng)用要求。

6 結(jié)語

1)以充分發(fā)揮粗集料作用為出發(fā)點(diǎn)，從多相分散系角度，提出了水泥混凝土粗集料的嵌鎖骨架結(jié)構(gòu)和嵌鎖密實(shí)水泥混凝土，并引入集料填充體積比和水泥凈漿填充比參數(shù)，明確了粗集料、砂和水泥凈漿在混凝土中的作用。2)坍落度試驗(yàn)分析得出，水灰比、砂率、水泥凈漿填充比對(duì)嵌鎖密實(shí)水泥混凝土工作性有明顯影響，且相同砂率下，坍落度與水灰比、水泥凈漿填充比有良好的線性關(guān)系;回歸得出了嵌鎖密實(shí)水泥混凝土坍落度計(jì)算公式，對(duì)比分析表明，可以滿足工程應(yīng)用要求。

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