余志龍，田建濤，孔鮮寧

(長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

混凝土離析現(xiàn)象使混凝土結(jié)構(gòu)不均勻，出現(xiàn)孔洞和蜂窩狀結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重的離析使混凝土結(jié)構(gòu)明顯分層，大大降低了混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和使用性能[1]，因此對(duì)新拌混凝土離析現(xiàn)象進(jìn)行研究十分必要。由于混凝土材料復(fù)雜，其內(nèi)部顆粒的力學(xué)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系還沒(méi)有完善的理論，混凝土的離析試驗(yàn)沒(méi)有公認(rèn)的原理，也缺少標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[2]，沒(méi)有建立離析評(píng)價(jià)體系，離析研究也還處于探索階段。

目前，幾種可能的測(cè)試離析的方法有：1)文獻(xiàn)[3]利用一棱柱體試模，在其內(nèi)部填滿搗實(shí)的混凝土，測(cè)定試樣的重心位置。如果混凝土完全均勻，則重心在一半高度處。然后讓試模中的新拌混凝土承受幾次平行于縱向軸的振動(dòng)，如果振動(dòng)時(shí)發(fā)生離析，則重心會(huì)移動(dòng)。重心移動(dòng)的大小和方向表征混凝土內(nèi)部離析的趨勢(shì)。2)文獻(xiàn)[4]采用一個(gè)大約15 dm3的圓柱體或棱柱體容器，松散地填以攪拌良好的新拌混凝土，再振動(dòng)振實(shí)。振動(dòng)時(shí)間可以固定，但務(wù)必使混凝土搗實(shí)時(shí)間比實(shí)際完全搗實(shí)所需的時(shí)間稍長(zhǎng)。振動(dòng)后，將試樣分成上、下兩個(gè)質(zhì)量相同的部分，再經(jīng)4號(hào)篩(邊長(zhǎng)4.75 mm)沖洗后測(cè)定上部和下部粗集料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在下部混凝土中粗集料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化即標(biāo)志發(fā)生了內(nèi)部離析，可以用離析系數(shù)SF表示， SF為上部與下部粗集料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比。3)文獻(xiàn)[5-6]所用裝置包括射線源、閃爍計(jì)數(shù)器，射線源置于搗實(shí)混凝土試體的一邊，另一邊放置閃爍計(jì)數(shù)器測(cè)定射線源發(fā)射的光線數(shù)，從而計(jì)算該點(diǎn)的混凝土密度，密度測(cè)量時(shí)間為30 s。這一技術(shù)可得到竣工后混凝土粗集料均勻程度的清晰圖形。文獻(xiàn)[3-4]的方法的可操作性均不強(qiáng)，且不適用于硬化后的混凝土。文獻(xiàn)[5-6]的方法易于實(shí)現(xiàn)，但結(jié)果離散性較大，不易控制。因此研究一種操作性強(qiáng)、可靠性高的離析評(píng)價(jià)體系十分必要。

1 離析度模型建立

對(duì)于新拌混凝土而言，由于粗骨料密度大于膠凝基體，粗骨料容易下沉，細(xì)集料和漿體相應(yīng)上浮，造成新拌混凝土顆粒分布不均勻，直觀的表現(xiàn)是在試件豎直方向上產(chǎn)生層位差異。如圖1中a)所示，攪拌狀態(tài)的混合料由于一直受攪拌葉片的作用，因此分布較均勻，基本發(fā)生沒(méi)有離析現(xiàn)象；b)所示為攪拌完成后，隨著時(shí)間的推移粗骨料在重力作用下下沉，細(xì)集料在浮力作用下上??； c)為一段時(shí)間后，混合料的受力達(dá)到平衡，離析分層現(xiàn)象達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)上述分析可知，粗骨料下沉是新拌混凝土離析的最主要原因，因此對(duì)粗骨料的分布層位差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，是衡量其均勻性的直接手段，計(jì)算結(jié)果可以直接用來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的離析程度，具體評(píng)價(jià)方法如下： 1)根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度確定混合料配合比，從而確定混合料總質(zhì)量M和粗骨料質(zhì)量m；(2)混合料攪拌均勻后，未發(fā)生離析情況下，取任意體積的新拌混凝土，測(cè)量其總質(zhì)量M1和其中粗骨料質(zhì)量m1，必然滿足

m1/M1=m/M.

(1)

圖1 新拌混凝土離析過(guò)程

如果不滿足式(1)，則表明發(fā)生離析，m1/M1-m/M的差值大小可以反映離析的程度。為了能獲得更精確的結(jié)果，提出離析度的概念，離析度S的計(jì)算式為

S=Sa+Sb,

S反映混合料的離析程度，S=0，表示沒(méi)有發(fā)生離析，S越大，表示離析越嚴(yán)重。

2 離析試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述理論的可實(shí)施性，設(shè)計(jì)離析評(píng)價(jià)試驗(yàn)，計(jì)算不同攪拌時(shí)間、放置時(shí)間下新拌混凝土的離析度，同時(shí)測(cè)定相應(yīng)條件下混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度，分析離析度與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，進(jìn)而評(píng)價(jià)其離析狀況，確定最佳的攪拌參數(shù)。

2.1 原材料

本試驗(yàn)用水泥為P.O42.4普通硅酸鹽水泥，密度3 150 kg/m3；細(xì)集料為普通中砂，來(lái)源于西安渭河，堆積密度為1 450 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.96，泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%；試驗(yàn)所用石子表觀密度為2 850 kg/m3，最大粒徑為25 mm，來(lái)源于西安渭河碎卵石；試驗(yàn)用水為西安地區(qū)普通飲用自來(lái)水。本試驗(yàn)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，材料用量為：水泥9 kg，水5.4 kg，砂20.7 kg，石子36.9 kg。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過(guò)程中主要控制攪拌時(shí)間和放置時(shí)間。攪拌時(shí)間分別為35，40，45，50 s，放置時(shí)間為0 min和10 min。攪拌過(guò)程完成后，將混凝土卸到平底小車上，從混凝土表面分3個(gè)區(qū)域取試樣，分別稱量3個(gè)試樣的質(zhì)量，然后沖洗混凝土試樣，洗出相應(yīng)的粗骨料，曬干后稱量粗骨料質(zhì)量，從而計(jì)算出Sa。接著在距離表面15 cm處按上述方法取3個(gè)區(qū)域，計(jì)算出Sb，從而得到放置時(shí)間0 min時(shí)離析度。待混合料放置10 min以后，按上述方法可以得到放置時(shí)間10 min時(shí)的離析度。

混凝土硬化后試塊的抗壓強(qiáng)度是指混凝土立方體極限抗壓強(qiáng)度，是評(píng)價(jià)混凝土性能的重要參數(shù)。本試驗(yàn)混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試按照文獻(xiàn)[7]考察不同離析度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，最終得到的離析度和抗壓強(qiáng)度如表1所示。

表1 離析度和抗壓強(qiáng)度

3 結(jié)果分析

由于攪拌時(shí)間的不同，混合料在攪拌完成后的均勻性會(huì)有差異，這直接導(dǎo)致離析度的不同；另一方面，放置時(shí)間0 min和10 min的混凝土離析度也不相同，直接原因是粗骨料的密度大，會(huì)慢慢下沉，導(dǎo)致離析加劇。離析會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度[8]。

3.1 離析度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

離析度與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系見(jiàn)圖2。由圖2可知，隨著離析度增大，混凝土抗壓強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，離析度與抗壓強(qiáng)度呈反比例關(guān)系。這是由于離析會(huì)使混合料呈現(xiàn)不均勻分布狀態(tài)，混凝土下部粗骨料聚集的多，上部細(xì)集料聚集的多?；炷恋目箟簭?qiáng)度主要由粗骨料的狀態(tài)和框架體系決定，因此離析混凝土上部強(qiáng)度的降低直接導(dǎo)致混凝土總體抗壓強(qiáng)度下降。另一方面，試驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明建立的離析度評(píng)價(jià)體系符合工程實(shí)際，是正確、合理的。

圖2 離析度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

3.2 攪拌時(shí)間對(duì)離析度的影響

攪拌時(shí)間直接影響混凝土的均勻性，進(jìn)而影響離析程度。攪拌時(shí)間過(guò)短，混合料混合不充分，導(dǎo)致部分骨料團(tuán)聚在一起，新拌混凝土離析明顯；攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，水泥水化反應(yīng)過(guò)快，新拌混凝土流動(dòng)性提高，混凝土抗離析性能降低，也會(huì)影響混凝土的離析度。

攪拌時(shí)間與離析度之間的關(guān)系見(jiàn)圖3。由圖3可知，隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土離析度先減小后增大，放置時(shí)間0 min和放置時(shí)間10 min的混凝土的最小離析度的攪拌時(shí)間均為45 s，說(shuō)明混合料攪拌過(guò)程有一個(gè)最佳的攪拌時(shí)間，該攪拌時(shí)間下新拌混凝土離析程度最小。同時(shí)，由圖3可知，放置時(shí)間10 min的混凝土離析度增大，說(shuō)明新拌混凝土在放置過(guò)程中會(huì)進(jìn)一步離析，因此工程生產(chǎn)中要盡量縮短新拌混凝土放置時(shí)間。

根據(jù)上述分析，一方面可以驗(yàn)證建立的離析度評(píng)價(jià)體系是正確、合理的，另一方面也可以看出攪拌時(shí)間、放置時(shí)間對(duì)混凝土離析的影響，從而為設(shè)計(jì)合理的攪拌參數(shù)提供依據(jù)。由于離析度評(píng)價(jià)體系中只取了表面以及距離表面15 cm處2個(gè)平面上的混凝土進(jìn)行測(cè)定，15 cm以下部分的混凝土離析并未考慮，這可能會(huì)增大隨機(jī)誤差，因此后續(xù)工作還需對(duì)其改進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)均勻性概念確定新拌混凝土離析評(píng)定方法，并基于此建立離析評(píng)價(jià)指標(biāo)——離析度，離析度越大，混凝土離析現(xiàn)象越嚴(yán)重；

2)試驗(yàn)結(jié)果表明：離析度越大，混凝土抗壓強(qiáng)度越小，說(shuō)明建立的離析度評(píng)價(jià)體系是正確、合理的?；炷翑嚢钑r(shí)間、放置時(shí)間對(duì)離析度影響較大，合理的攪拌時(shí)間能使新拌混凝土離析度最小，縮短放置時(shí)間可以減輕混凝土的后續(xù)離析；

3)離析評(píng)價(jià)體系并未考慮15 cm以下部分的混凝土離析，這可能會(huì)增大隨機(jī)誤差，因此對(duì)其優(yōu)化還有待深入研究。

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