郭傲，趙鐵軍，王鵬剛，陸文攀

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島266033)

砂率對(duì)干硬性混凝土性能的影響

郭傲，趙鐵軍，王鵬剛，陸文攀

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島266033)

研究了砂率對(duì)干硬性混凝土力學(xué)性能及耐久性能的影響，對(duì)不同砂率的干硬性混凝土試件進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)、快速凍融試驗(yàn)、毛細(xì)吸水試驗(yàn)，測(cè)定不同砂率下干硬性混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)彈模量、質(zhì)量損失和毛細(xì)吸水特性。試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著砂率的增大，干硬性混凝土抗壓強(qiáng)度和相對(duì)動(dòng)彈模量先升高后降低;質(zhì)量損失和單位面積吸水量均隨著砂率的增加而減小。綜合評(píng)定，砂率45%時(shí)干硬性混凝土力學(xué)性能和耐久性能指標(biāo)最優(yōu)。

干硬性混凝土 砂率 力學(xué)性能 耐久性

干硬性混凝土是指塌落度不大于10 mm，維勃稠度在10～30 s的混凝土。具有低水灰比、快硬早強(qiáng)等特點(diǎn)，可立即拆模，增加模板周轉(zhuǎn)速率，從而提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。目前干硬性混凝土主要用于預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)領(lǐng)域，此外，在地基、路面、大壩等大體積工程領(lǐng)域，干硬性混凝土也得到了廣泛應(yīng)用［1］。

砂率是砂子占骨料總量的比率。砂率的變動(dòng)，會(huì)使骨料的總表面積有顯著改變，從而對(duì)混凝土拌合物的和易性有較大影響，也是影響干硬性混凝土強(qiáng)度及耐久性能的主要因素之一。強(qiáng)衛(wèi)等［2］研究了用水量和砂率對(duì)道路碾壓混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響，用水量130 kg/m3、砂率37%最適宜;何錦云等［3］研究了砂率對(duì)混凝土和易性和強(qiáng)度的影響，得出了砂率是影響普通混凝土和易性的主要因素，但對(duì)于強(qiáng)度影響不大;翁興中等［4］研究了砂率對(duì)道面混凝土工作性、強(qiáng)度、耐磨性、水滲透性和抗凍性的影響，得出了砂率約為30%時(shí)，道面混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)最佳，提出道面混凝土的最佳砂率為28%～32%。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，砂率是影響混凝土性能的主要因素，隨著砂率的不同，混凝土的力學(xué)性能和耐久性能差異較大。目前，對(duì)干硬性混凝土的研究還處于初步階段，其中關(guān)于砂率對(duì)干硬性混凝土性能影響方面的研究較少［5-7］。本文利用正交試驗(yàn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，主要研究砂率對(duì)干硬性混凝土抗壓強(qiáng)度、抗凍性、毛細(xì)吸水特性的影響規(guī)律，為實(shí)際工程中干硬性混凝土的制備及應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1)原材料

試驗(yàn)采用的水泥為青島山水水泥廠生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其基本性能指標(biāo)如表1所示;粗骨料選用粒徑5～10 mm和10～20 mm兩種連續(xù)級(jí)配的玄武巖碎石;細(xì)骨料為最大粒徑5 mm的河砂，細(xì)度模數(shù)2.9;拌合水為普通自來(lái)水。

表1 水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

2)試驗(yàn)方案

本文采用正交試驗(yàn)，選用砂率、膠凝材料用量、礦物摻合料用量、摻合料摻加比例4個(gè)參數(shù)，作為考察因素，每個(gè)因素均選4個(gè)水平，4個(gè)因素各水平的取值見(jiàn)表2。根據(jù)選擇的因素和水平情況，選用L16(44)正交表，其正交試驗(yàn)配合比見(jiàn)表3。

3)試件制備、養(yǎng)護(hù)與測(cè)試

干硬性混凝土試件的制作步驟:①將碎石、砂子、水泥依次倒入攪拌機(jī)中，攪拌1 min，使之混合均勻;②將稱量好的自來(lái)水緩慢加入攪拌機(jī)中(水的加入量根據(jù)新拌混凝土的工作性確定)，直至混凝土拌合物滿足工作性要求，總攪拌時(shí)間為3 min;③新拌混凝土攪拌完成后，將其裝入設(shè)計(jì)的專用模具中;④將專用模具置于振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)加壓2 min;⑤振動(dòng)完畢后立即拆模，取出試件并移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù);⑥養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期，取出試件，測(cè)試其力學(xué)性能、抗凍性能及毛細(xì)吸水性能。

表2 4個(gè)因素各水平的取值

表3 正交試驗(yàn)配合比kg/m3

2 結(jié)果與分析

2.1 砂率對(duì)干硬性混凝土強(qiáng)度的影響

干硬性混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50081—2002)測(cè)定。抗壓試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，干硬性混凝土抗壓強(qiáng)度隨砂率的增加先增大后減小。砂率為45%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，齡期56 d時(shí)，砂率45%混凝土抗壓強(qiáng)度為40 MPa，較砂率35%，40%，50%的試件抗壓強(qiáng)度分別提高了44.66%，29.18%，13.37%。

砂率較低時(shí)，水泥砂漿不能完全填充粗骨料間的空隙，拌合物缺漿，混凝土流動(dòng)性下降，試件成型后內(nèi)部空隙較多，不密實(shí)，故試件強(qiáng)度較低;隨著砂率提高，水泥砂漿增多，粗骨料表面能夠被漿體充分包裹，流動(dòng)性增大，試件成型后空隙率減少，內(nèi)部更加密實(shí)，因而干硬性混凝土強(qiáng)度提高。

由于砂子的比表面積比粗骨料大，砂率過(guò)大時(shí)，隨著砂率增加，在水泥漿用量一定的條件下，骨料表面包裹的漿量減薄，粘結(jié)力降低，潤(rùn)滑作用下降，流動(dòng)性降低，不易形成理想的骨料嵌鎖型結(jié)構(gòu)，從而使硬化后的混凝土密實(shí)性降低，影響混凝土的強(qiáng)度發(fā)展。同時(shí)過(guò)高的砂率也破壞了粗集料之間的機(jī)械咬合力，這也是強(qiáng)度下降的一個(gè)主要原因。砂率由45%降低到40%，35%時(shí)，混凝土56 d抗壓強(qiáng)度分別下降22.33%和31.46%，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別下降22.59%和30.87%，說(shuō)明干硬性混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)砂率變化很敏感。綜合來(lái)看，砂率45%時(shí)混凝土強(qiáng)度最高。

2.2 砂率對(duì)干硬性混凝土抗凍性的影響

首先制備100 mm×100 mm×100 mm干硬性混凝土試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 d，再將試件放入水中浸泡4 d，待試件達(dá)到飽水狀態(tài)后，根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，達(dá)到相應(yīng)凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)將試件取出進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖1 不同砂率干硬性混凝土的齡期與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖2 相對(duì)動(dòng)彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

圖3 質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

由圖2可知，干硬性混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈模量在經(jīng)56次循環(huán)后出現(xiàn)了暫時(shí)性的上升，但就其總的變化過(guò)程而言仍呈下降趨勢(shì)。砂率45%和50%的干硬性混凝土，經(jīng)歷了168次凍融循環(huán)后其相對(duì)動(dòng)彈模量仍在90%以上，其抗凍性較好;砂率40%和35%的干硬性混凝土，經(jīng)歷了168次凍融循環(huán)后其相對(duì)動(dòng)彈模量在75%以上。

由圖3可知，干硬性混凝土試件在凍融循環(huán)期間質(zhì)量損失率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。由質(zhì)量損失率反映出砂率為45%，50%，40%，35%時(shí)抗凍性依次由強(qiáng)到弱。這與相對(duì)動(dòng)彈模量反映的規(guī)律一致。這是因?yàn)榛炷林猩暗闹饕饔檬翘畛浯止橇祥g的孔隙，孔隙率降低使得混凝土更加密實(shí)。適當(dāng)提高砂率可以改善混凝土拌合的流動(dòng)性和黏聚性，增大整體穩(wěn)定性和勻質(zhì)性，試件成型后孔隙率小，密實(shí)度大，抗凍性能隨之提高。但砂率超過(guò)一定范圍后，砂率的增大使得混凝土拌合物流動(dòng)性下降，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土的勻質(zhì)性變差。同時(shí)，由于砂表面積過(guò)大，漿體相對(duì)減少，部分骨料未被完全包裹，降低了骨料間界面粘結(jié)力，抗凍性下降［8-10］。45%砂率干硬性混凝土試件經(jīng)168次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率最低，說(shuō)明其抗凍性最好。

2.3 砂率對(duì)干硬性混凝土毛細(xì)吸水特性的影響

首先將試件切割成100 mm×100 mm×50 mm，烘干至恒重，將試件中除了與水接觸的底面及與其相對(duì)面之外的其余四個(gè)側(cè)面用密封材料進(jìn)行密封，確保試件沿一維方向吸水;然后將試件放入容器中，緩慢倒入自來(lái)水，直至液面高出試塊底面(4±1)mm;從水溶液與試塊底部接觸時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，分別在吸水時(shí)間為0，0.5，1，2，4，8，12，24 h時(shí)取出試塊，將其表面液態(tài)水用濕布擦拭干凈，用電子天平稱取試件質(zhì)量，再立即放回容器中，計(jì)算試件毛細(xì)吸水量。毛細(xì)吸水量隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖4。

由圖4可知，干硬性混凝土中毛細(xì)吸水過(guò)程早期吸水速度快、吸水量大，曲線呈線性增長(zhǎng)，后期吸水速度降低、吸水量減少，曲線趨于平緩;單位面積吸水量隨著砂率的增大而減小。吸水24 h時(shí)，砂率為50%的干硬性混凝土試件單位面積吸水量比砂率45%，40%，35%試件依次降低了4.55%，26.29%，44.36%。這是因?yàn)樯奥瘦^低時(shí)粗集料之間的孔隙未被填充密實(shí)，因而孔隙率大，混凝土單位面積吸水量大。隨著砂率的提高，孔隙率減小，混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，從而使混凝土單位面積吸水量逐漸降低。

圖4 單位面積吸水量與時(shí)間關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1)干硬性混凝土抗壓強(qiáng)度隨砂率的增加先增大后減小，砂率45%時(shí)干硬性混凝土的抗壓強(qiáng)度最大。

2)隨著砂率的增大，干硬性混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量先增大后降低，與強(qiáng)度變化規(guī)律一致。隨著砂率的增大，質(zhì)量損失率逐漸降低。綜合看來(lái)，砂率45%時(shí)干硬性混凝土抗凍性最佳。

3)干硬性混凝土的單位面積吸水量隨著砂率增大而逐漸降低。50%砂率干硬性混凝土的單位面積吸水量與45%砂率時(shí)相比變化不大。

［1］馮乃謙.實(shí)用混凝土大全［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.

［2］強(qiáng)衛(wèi)，曹春，黃聰華，等.用水量和砂率對(duì)道路碾壓混凝土性能的影響［J］.混凝土與水泥制品，2003(6):21-22.

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［5］張士萍，鄧敏，唐明述.混凝土凍融循環(huán)破壞研究進(jìn)展［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008(6):990-994.

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Influence of sand ratio on performance of hard concrete

GUO Ao，ZHAO Tiejun，WANG Penggang，LU Wenpan
(School of Civil Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao Shandong 266033，China)

T he influence of sand ratio on the durability and mechanical performance of the hard concrete was studied.For this purpose，mechanical test，accelerated freeze-thawtest and capillary water absorption test are conducted to concrete of different sand ratio，so as to calculate the compressive strength，relative dynamic modulus，mass loss and water absorption ability of the specimens.T he results indicate that with the increase of sand ratio，both the compressive strength and relative dynamic modulus rise up first，which then tends to decline;while mass loss and water absorption ability of the specimens display a decreasing pattern.45%of sand ratio is found to be the preferable choice in terms of mechanical performance and durability.

Hard concrete;Sand ratio;M echanical performance;Durability

TU528.31

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.38

1003-1995(2015)02-0137-04

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-05-10;

2014-09-10

國(guó)家973基金項(xiàng)目(2009CB623203)

郭傲(1989—)，女，山東濟(jì)南人，碩士研究生。