陳鐵衛(wèi)，趙 舜，李固華，周 靜，曹 波

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 611756)

砂率對(duì)固定當(dāng)量粉體體積機(jī)制砂自密實(shí)混凝土工作性能的影響

陳鐵衛(wèi)，趙 舜，李固華，周 靜，曹 波

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 611756)

采取當(dāng)量粉體體積法設(shè)計(jì)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土試驗(yàn)配合比，首先通過砂漿稠度試驗(yàn)確定各粉體的當(dāng)量系數(shù)并試配出合理的當(dāng)量粉體體積，然后在固定當(dāng)量粉體體積的條件下，研究砂率變化對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響。通過坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)、J環(huán)試驗(yàn)和L型儀試驗(yàn)測(cè)試機(jī)制砂自密實(shí)混凝土拌合物的填充性、間隙通過性和穩(wěn)定性等工作性能。試驗(yàn)結(jié)果表明:砂率在47% ～59%時(shí)，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土拌合物的自密實(shí)性總體上隨砂率增加先增強(qiáng)后減弱;砂率在53% ～56%時(shí)存在最優(yōu)砂率，使得固定當(dāng)量粉體體積的機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的自密實(shí)性最佳。

機(jī)制砂 當(dāng)量粉體體積 自密實(shí)混凝土 自密實(shí)性

自密實(shí)混凝土是一種特殊的高性能混凝土，能僅依靠自重而無需機(jī)械振搗作用密實(shí)均勻地填充于模板空間，因此其對(duì)混凝土拌合物的和易性要求很高。在改善混凝土和易性時(shí)，日本偏重于采用增加粉體、減少骨料用量的方法，但是這種方法使得混凝土收縮增加，抗裂性能降低。歐洲在粗骨料用量一定的條件下，更注重于選用合理的砂率來改善混凝土和易性。但是相同配合比下，混凝土中不同品種的粉體對(duì)拌合物和易性影響很大。已有研究發(fā)現(xiàn)［1］，在相同的粉體體積下，達(dá)到相同的稠度粉煤灰的需水量只有硅酸鹽水泥的83.6%，而偏高齡土為186.9%，膨潤(rùn)土為409.6%，可見不同粉體性能差別很大。這也是自密實(shí)混凝土配合比難以確定的重要原因。

目前，天然砂已難以滿足基礎(chǔ)建設(shè)對(duì)其用量的需求［2］，故很多工程采用了機(jī)制砂來替代天然砂［3］。由于機(jī)制砂與天然砂在細(xì)度模數(shù)、級(jí)配等性質(zhì)上的差異，在自密實(shí)混凝土中使用機(jī)制砂需要進(jìn)一步的研究。國(guó)內(nèi)已有不少自密實(shí)混凝土的試驗(yàn)研究，如徐杰等［4］研究了砂率對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響;何盛東等［5］研究了不同替代率下機(jī)制砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。但是在這些試驗(yàn)研究中，由于粉體性能不同或相同質(zhì)量的粉體體積不同，混凝土砂率的影響試驗(yàn)沒有排除粉體的干擾，結(jié)果偏差大。故本文以機(jī)制砂自密實(shí)混凝土為研究對(duì)象，采用李固華教授提出的當(dāng)量粉體體積法配制機(jī)制砂混凝土［6-7］，在固定當(dāng)量粉體體積的條件下研究砂率對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為都江堰牌的拉法基P．O42.5普通硅酸鹽水泥;礦物摻合料為遂寧熱電廠生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)Ⅱ級(jí)粉煤灰和硅灰，并加入石灰石粉;減水劑為四川巨星新型材料有限公司生產(chǎn)的巨鑫牌JX-GBNHY3型高性能減水劑，減水率達(dá)到30%，含氣量3%;粗骨料為5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石;細(xì)骨料為機(jī)制砂，其基本性能指標(biāo)見表1。

表1 機(jī)制砂各項(xiàng)性能指標(biāo)

1.2 采用當(dāng)量粉體體積法的配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的自密實(shí)性，采用當(dāng)量粉體體積法設(shè)計(jì)配合比。借鑒《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)中粉煤灰需水量比的測(cè)定方法，通過砂漿稠度試驗(yàn)測(cè)得各粉體當(dāng)量系數(shù)(表2)。然后，設(shè)定所配自密實(shí)混凝土的自密實(shí)性等級(jí)為I級(jí)［8］，計(jì)算并試配出能滿足其等級(jí)要求的當(dāng)量粉體體積為197 L/m3，得到基準(zhǔn)配合比。以基準(zhǔn)配合比為基礎(chǔ)，在固定當(dāng)量粉體體積的條件下，改變砂率，砂率分別取47%，50%，53%，56%，59%的試驗(yàn)配合比見表3。

表2 粉體的當(dāng)量系數(shù)

表3 固定當(dāng)量粉體體積時(shí)的試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方案

采用坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)、J環(huán)試驗(yàn)和L型儀試驗(yàn)測(cè)試 A1，A2，A3，A4，A5五組自密實(shí)混凝土拌合物的填充性、間隙通過性和穩(wěn)定性。

1)坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)

在溫度(15±2)℃，相對(duì)濕度(70±5)%的條件下，根據(jù)《普通混凝土拌合物試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50080—2002)，10 s內(nèi)垂直平穩(wěn)地提起坍落度筒，記錄從坍落度筒提起開始至坍落擴(kuò)展至直徑500 mm時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間t500，待擴(kuò)展完成后測(cè)定各組新拌混凝土的坍落擴(kuò)展度。其中，坍落擴(kuò)展度用于評(píng)判新拌混凝土的填充性(表4);t500反映新拌混凝土的擴(kuò)展速率，與拌合物黏度有關(guān)。

表4 自密實(shí)混凝土拌合物的填充性分類

參照美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)［9］，采用視覺穩(wěn)定性指數(shù)方法，觀察坍落擴(kuò)展后的拌合物表觀情況，判斷混凝土拌合物是否具有良好的穩(wěn)定性。視覺穩(wěn)定性指數(shù)(VSI)分類見表5。

2)J環(huán)試驗(yàn)

按《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 283—2012)進(jìn)行J環(huán)試驗(yàn)，測(cè)試拌合物的間隙通過性。在坍落度筒周圍固定一個(gè)J環(huán)，模擬拌合物需通過的模板內(nèi)鋼筋。然后提起坍落度筒，待拌合物流動(dòng)停止后，測(cè)量J環(huán)中心位置拌合物頂面至 J環(huán)頂面的高度差，然后沿J環(huán)外緣過圓心兩垂直方向分別測(cè)量4個(gè)位置混凝土拌合物頂面至J環(huán)頂面的高度差，從而計(jì)算各組J環(huán)阻塞高差BJ。阻塞高差越小，阻塞風(fēng)險(xiǎn)就越小，間隙通過性就越強(qiáng)。J環(huán)試驗(yàn)阻塞風(fēng)險(xiǎn)分類見表6。

表5 視覺穩(wěn)定性指數(shù)分類

表6 J環(huán)試驗(yàn)阻塞風(fēng)險(xiǎn)分類

3)L型儀試驗(yàn)

參考《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 283—2012)中的規(guī)定，將混凝土拌合物裝入 L型儀中，然后開啟滑動(dòng)閘板，待拌合物靜止流動(dòng)后，測(cè)量豎向方形柱內(nèi)混凝土拌合物高度H1以及水平槽內(nèi)離方形柱較遠(yuǎn)一端混凝土拌合物的高度 H2，計(jì)算通過率PR。通過率PR可反映一定間距的鋼筋對(duì)混凝土拌合物的阻塞作用，當(dāng)PR≥0.8時(shí)，該混凝土拌合物具有較好的間隙通過性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砂率對(duì)自密實(shí)性的影響

各組試驗(yàn)的結(jié)果匯總于表7。

由表7可知，砂率在47% ～53%時(shí)，坍落擴(kuò)展度隨砂率增加而增加，此時(shí)填充性等級(jí)為Ⅱ級(jí);而砂率在53% ～56%時(shí)，坍落擴(kuò)展度變化不大，而當(dāng)砂率增加到59%時(shí)，坍落擴(kuò)展度下降，填充性等級(jí)降為Ⅰ級(jí)，因此在53%～56%應(yīng)存在一個(gè)最大坍落擴(kuò)展度。隨著砂率的增加，坍落擴(kuò)展時(shí)間t500減小，表明拌合物的擴(kuò)展速率在增大。對(duì)于大型工程結(jié)構(gòu)的澆注施工或是預(yù)制構(gòu)件施工，增大拌合物擴(kuò)展速率可提高生產(chǎn)效率。

表7 各組試驗(yàn)的結(jié)果匯總

分析表7中阻塞高差 BJ發(fā)現(xiàn):砂率在47% ～56%時(shí)，阻塞高差逐漸減小，間隙通過性不斷增強(qiáng)，且減小幅度在變小，砂率56%時(shí)的阻塞高差最小，且與砂率為53%時(shí)的阻塞高差相差不大;砂率＞56%時(shí)，阻塞高差隨砂率增加而增加，且增加幅度較大，此時(shí)間隙通過性隨砂率增加而減小。結(jié)合L型儀試驗(yàn)中通過率PR的變化趨勢(shì)可見，間隙通過性隨砂率增加先增強(qiáng)后減弱。當(dāng)砂率在53% ～56%時(shí)，混凝土拌合物間隙通過性最強(qiáng)。

根據(jù)表7中各組的穩(wěn)定性等級(jí)VSI和表5可知，A1出現(xiàn)輕微的砂漿光環(huán)和骨料堆積現(xiàn)象，VSI=2，穩(wěn)定性差;A2，A5無明顯離析但有輕微泌水，VSI=1，穩(wěn)定性一般;A3，A4無明顯離析或泌水，VSI=0，穩(wěn)定性好。這說明砂率在47%～59%時(shí)，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的抗離析性隨砂率增加先增強(qiáng)后減弱。砂率在53% ～56%時(shí)，抗離析性變化較小，且達(dá)到最好。

2.2 機(jī)理分析

在當(dāng)量粉體體積不變的條件下，隨著砂率的增大，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土拌合物的填充性、間隙通過性和抗離析性總體上呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。將混凝土體系視為由砂漿和粗骨料組成的兩相復(fù)合材料，并將砂漿看成由細(xì)骨料(砂子)和漿體兩相組成的復(fù)合材料［10］，對(duì)該試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

機(jī)制砂的粒形一般圓形度較好［11］，故在混凝土中存在明顯的雙重效應(yīng)，一是圓形顆粒的滾動(dòng)減水效應(yīng);二是比表面積大，需水量高。

當(dāng)用水量一定，且當(dāng)量粉體體積固定時(shí)，若砂率較小，則起滾動(dòng)減水作用的顆粒減少，粗骨料間的空隙增大，此時(shí)漿體會(huì)先填充粗骨料間的空隙，缺少足夠的漿體來包裹粗骨料進(jìn)行潤(rùn)滑。因此，當(dāng)砂率較小時(shí)，自密實(shí)混凝土的填充性較差，且由于部分粗骨料缺少漿體包圍而離析，抗離析性與間隙通過性較差。若砂率過大，則細(xì)骨料的總比表面積增大，所需漿體與水均增多，但由于固定當(dāng)量粉體體積且用水量不變，因此混凝土拌合物內(nèi)部摩擦力增強(qiáng)，填充性、抗離析性和間隙通過性均降低。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，砂率在53% ～56%時(shí)存在最優(yōu)砂率，使得機(jī)制砂自密實(shí)混凝土自密實(shí)性最佳。

3 結(jié)論

1)當(dāng)量粉體體積固定不變時(shí)，本試驗(yàn)配制的機(jī)制砂自密實(shí)混凝土拌合物在砂率為53%～56%時(shí)存在最佳自密實(shí)性。超出這一范圍，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土拌合物性能降低甚至不滿足要求。

2)合理的當(dāng)量粉體體積是自密實(shí)混凝土配制的必要條件。在這一條件下，仍存在最佳砂率。在實(shí)際施工中應(yīng)綜合考慮工程對(duì)自密實(shí)性等級(jí)的要求，先計(jì)算并試配出合理的當(dāng)量粉體體積，再通過多組試驗(yàn)選取最優(yōu)機(jī)制砂率配制機(jī)制砂自密實(shí)混凝土。

［1］于春輝．低強(qiáng)度高性能機(jī)制砂混凝土和易性的研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2013．

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［11］劉秀美．機(jī)制砂作混凝土細(xì)骨料的研究［D］．濟(jì)南:濟(jì)南大學(xué)，2013．

Influence of sand ratio on working performance of self-compaction concrete with manufactured sand in condition of fixed
powder equivalent volume

CHEN Tiewei，ZHAO Shun，LI Guhua，ZHOU Jing，CAO Bo

(School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 611756，China)

The paper applies the power equivalent volume method in the design of experimentally proportional ratio for self-compaction concrete of machine-made sand．It starts with identifing the equivalent coefficient of different powders via mortar consistency test，and pilots the powder equivalent volume accordingly． Afterwards with the volume stands as a fixed value，the paper studies the influence of sand coarse aggregate ratio to the working performance of self-compaction concrete with machine-made sand．It conducts slump-divergence test，J-ring test，L-shaped instrument test to study the fillibility，permeability and stability of the self-compaction concrete mixture．The results indicate that as the sand ratio increases within a range of 47%to 59%，the self-compaction performance of the mixture improves and then declines．It needs to be noted that the optimal ratio stands within 53%to 56% ，during which the self-compaction performance of the concrete with machine-made sand of fixed and powder equivalent volume has been proven to be the most preferable．

Machine-made sand;Powder equivalent volume;Self-compaction concrete;Self-compaction performance

TU528.041

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．38

1003-1995(2015)07-0134-04

2015-02-10;

2015-04-10

四川省交通科技項(xiàng)目(2011D-04-2)

陳鐵衛(wèi)(1994— )，男，成都崇州人。

(責(zé)任審編 葛全紅)