吳定略 曹亮宏 朱偉勝 盧自立 沈衛(wèi)國(guó) 吉曉莉 葉雍欣

(1.廣東省長(zhǎng)大公路工程股份有限公司 廣州 510620; 2.湖北利民建設(shè)工程咨詢有限公司 襄陽(yáng) 441100；3.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430070；4.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070；5.武漢理工-加州伯克利混凝土科學(xué)與技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

自密實(shí)混凝土出現(xiàn)以來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。Brouwers等[1]采用堆積理論，將固體組分作為整體考慮其級(jí)配組成，采用改進(jìn)的Andrease & Andersen PSD模型研究了不同細(xì)度的砂對(duì)混凝土性能的影響，并形成了一種新的設(shè)計(jì)理念；WU Q.等[2]提出了一種基于水泥凈漿流變性能的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法；中國(guó)臺(tái)灣學(xué)者SU Nan[3]提出了Packing Factor(PF)的概念，并以PF為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出了一種簡(jiǎn)便的低水泥用量中等強(qiáng)度的SCC配合比設(shè)計(jì)新方法。

目前機(jī)制砂在自密實(shí)混凝土的應(yīng)用也取得了較大的成功：SHEN等[4]將拋填骨料工藝應(yīng)用到自密實(shí)混凝土中，從改進(jìn)施工工藝的角度制備出了高粗集料含量的生態(tài)自密實(shí)混凝土；周明凱等[5]研究了C50機(jī)制砂混凝土在預(yù)置T梁中的應(yīng)用；菅瑞海[6]研究了機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的性能。Prakash Nanthagopalan等[7]利用機(jī)制砂成功配制出了不同中低強(qiáng)度等級(jí)(C25～C60)的自密實(shí)混凝土；蔣正武等[8]通過(guò)優(yōu)化混凝土配合比基本參數(shù)、復(fù)摻外加劑和復(fù)摻大摻量礦物摻和料等技術(shù)手段，配制出了強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C50以上的大摻量礦物摻和料機(jī)制砂自密實(shí)混凝土。

但目前的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法普遍存在膠凝材料用量富余過(guò)大的問(wèn)題，不僅浪費(fèi)資源還影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。本文研究了機(jī)制砂配制自密實(shí)混凝土?xí)r粗集料堆疊率和體積砂率對(duì)自密實(shí)混凝土工作性和強(qiáng)度的影響，采用文萊膠做流變性改性劑，改善機(jī)制砂混凝土抗離析泌水能力，制備了具有良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的機(jī)制砂自密實(shí)混凝土。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

水泥采用P·O 42.5水泥；粉煤灰(FA)采用一級(jí)粉煤灰；天然砂為中粗江砂，其細(xì)度模數(shù)為2.80，含泥量<1%，表觀密度為2 650 kg/m3；機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為3.24，表觀密度為2 560 kg/m3，泥塊含量<1%，亞甲藍(lán)MB值指標(biāo)為0.5%；粗集料采用粒級(jí)為4.75～9.5 mm和9.5～25 mm的2檔碎石，壓碎值指標(biāo)為12.4%，實(shí)測(cè)表觀密度為2 710 kg/m3；減水劑采用SP-CR8聚羧酸高效減水劑，減水率約為28%。采用文萊膠改善機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的泌水和離析。水泥和粉煤灰物理性能分別見(jiàn)表1和表2，化學(xué)組成見(jiàn)表3。

表1 水泥物理性能

表2 粉煤灰物理性能

表3 水泥及粉煤灰的化學(xué)組成 %

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土拌和物性能采用坍落度、坍落擴(kuò)展度和T5003個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。坍落度測(cè)試參照GB/T 50080-2000 《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 進(jìn)行。在進(jìn)行坍落度測(cè)試時(shí)，同時(shí)測(cè)定混凝土拌和物在水平面上兩垂直方向的擴(kuò)展值，并記下提起坍落度筒開(kāi)始至混凝土拌和物擴(kuò)散至平均擴(kuò)展值為500 mm時(shí)所需時(shí)間T500。7 d，28 d混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試參照GB/T 50081-2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 進(jìn)行，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

1.3 試驗(yàn)配比

具體的混凝土配合比方案見(jiàn)表4。

表4 機(jī)制砂自密實(shí)混凝土配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 堆疊率和體積砂率對(duì)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土工作性能的影響

經(jīng)驗(yàn)表明，體積砂率宜控制在0.42～0.44，當(dāng)體積砂率超過(guò)0.42時(shí)，拌和物會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象，堵塞概率隨體積砂率的增加而增加；當(dāng)砂漿的體積砂率超過(guò)0.44時(shí)，堵塞概率為100%；雖然體積砂率小于0.42時(shí)不會(huì)產(chǎn)生堵塞，但漿體量變多從而增加收縮，影響構(gòu)筑物的長(zhǎng)期耐久性能[9]，但粗集料堆疊率為0.5，0.6，0.65下的3組試驗(yàn)結(jié)果都表明，在不同堆疊率的情況下，體積砂率超過(guò)0.44時(shí)仍可以配制出滿足工作性能要求的自密實(shí)混凝土。當(dāng)PR=0.65時(shí)，拌和物中漿體明顯變少，不足以裹覆骨料和攜帶其運(yùn)動(dòng)，特別是當(dāng)體積砂率超過(guò)0.45時(shí)，自密實(shí)混凝土拌和已經(jīng)難以滿足工作性能的要求，故此時(shí)只研究了體積砂率在0.42～0.45范圍內(nèi)的變化。表5給出了PR=0.65時(shí)體積砂率對(duì)自密實(shí)混凝土拌和物工作性能的影響。

表5 PR=0.65時(shí)體積砂率對(duì)自密實(shí)混凝土拌和物工作性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明：3組不同堆疊率的機(jī)制砂自密實(shí)混凝土拌和物的坍落度和擴(kuò)展度隨體積砂率的變化趨勢(shì)相同。

圖1顯示了PR=0.5時(shí)，體積砂率對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響。

圖1 PR=0.5時(shí)體積砂率對(duì)擴(kuò)展度和坍落度的影響

由圖1可見(jiàn)，在相同堆疊率的情況下，隨著體積砂率的升高，坍落度逐漸降低，擴(kuò)展度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，而且在體積砂率為0.48時(shí)出現(xiàn)明顯的變化，當(dāng)?shù)陀?.48時(shí)，隨著體積砂率的升高，坍落度和擴(kuò)展度隨體積砂率的變化相對(duì)緩慢，混凝土工作性良好；當(dāng)體積砂率高于0.48時(shí)，隨著體積砂率的升高，坍落度和擴(kuò)展度迅速降低，混凝土的工作性也逐漸變差，影響混凝土成型時(shí)的自密實(shí)性。這主要是因?yàn)椋w積砂率超過(guò)0.48時(shí)，繼續(xù)升高導(dǎo)致拌和物中漿體體積明顯減小，對(duì)集料的包裹性逐漸變差，不能運(yùn)載集料顆粒一起流動(dòng)，所以坍落度和擴(kuò)展度減小。

PR=0.5，0.6時(shí)體積砂率對(duì)T500的影響見(jiàn)圖2。

圖2 PR=0.5，0.6時(shí)體積砂率對(duì)T500的影響

由圖2可知，各組機(jī)制砂自密實(shí)混凝土拌和物T500的值均在5～20 s的范圍內(nèi)；堆疊率相同時(shí)，隨著體積砂率的增大，T500總趨勢(shì)是先降低后升高；堆疊率對(duì)T500達(dá)到最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的體積砂率也有影響，PR=0.5時(shí)，T500在體積砂率為0.48時(shí)達(dá)到最小值，PR=0.6時(shí)，T500在體積砂率為0.49時(shí)達(dá)到最小值?？梢?jiàn)，當(dāng)堆疊率PR≤0.65時(shí)，選用合適的體積砂率可以配制出工作性能良好的機(jī)制砂自密實(shí)混凝土。

2.2 體積砂率對(duì)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的影響

PR=0.5，0.6，0.65時(shí)，體積砂率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖3。

圖3 PR=0.5，0.6，0.65時(shí)，體積砂率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

在相同堆疊率的情況下，隨著體積砂率的提高，混凝土強(qiáng)度逐漸降低，這主要是因?yàn)樵谕瑯佣询B率的情況下，體積砂率的提高導(dǎo)致拌和物中漿體體積變小，對(duì)集料的包裹性能變差，拌和物流動(dòng)時(shí)屈服應(yīng)力增大，導(dǎo)致混凝土工作性能變差，影響了混凝土的自密實(shí)性能，成型時(shí)混凝土內(nèi)部缺陷增加，因此強(qiáng)度越來(lái)越低。此外，混凝土達(dá)到相應(yīng)工作性能時(shí)水粉比(W/P)增加，所需拌和用水量增加，這可能是由于機(jī)制砂中石粉含量高，導(dǎo)致混凝土固體顆粒體系總的比表面積增大，需要更多的自由水來(lái)潤(rùn)滑體系，這也是混凝土強(qiáng)度隨著體積砂率的提高而降低的原因之一。

2.3 機(jī)制砂與河砂自密實(shí)混凝土堆疊率最大值的比較

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)堆疊率超過(guò)0.65 時(shí)，拌和物中漿體太少，無(wú)法運(yùn)載集料顆粒產(chǎn)生流動(dòng)，配制出的混凝土達(dá)不到自密實(shí)的效果。這主要是由于較高的堆疊率意味著較高的粗集料含量，即使在體積砂率達(dá)到下臨界值0.42時(shí)，漿體仍不足以包裹集料顆粒，所以采用該機(jī)制砂配制自密實(shí)混凝土?xí)r，粗集料堆疊率的上限為0.65，表6為PR=0.7時(shí)，河砂自密實(shí)混凝土工作性能。

表6 PR=0.7時(shí)河砂自密實(shí)混凝土工作性能

由表6可知，當(dāng)PR=0.7，體積砂率為0.5，漿體體積更少時(shí)，河砂自密實(shí)混凝土仍然具有較好的工作性。

可見(jiàn)采用河砂配制自密實(shí)混凝土?xí)r，粗集料堆疊率的上限值超過(guò)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土。這主要是因?yàn)闄C(jī)制砂與河砂相比，表面粗糙、棱角多。在相同條件下，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土拌和在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力大于河砂自密實(shí)混凝土，所以，當(dāng)堆疊率相同時(shí)，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性要小于河砂自密實(shí)混凝土。此外，機(jī)制砂的級(jí)配較差，這也是導(dǎo)致機(jī)制砂自密實(shí)混凝土拌和物的工作性能劣于河砂自密實(shí)混凝土的另一因素。當(dāng)堆疊率和砂率較小時(shí)，這種缺陷可由漿體來(lái)補(bǔ)足。

3 結(jié)論

1) 當(dāng)粗集料堆疊率PR≤0.65時(shí)，采用機(jī)制砂可以配制出工作性能和強(qiáng)度都滿足要求的自密實(shí)混凝土。

2)PR相同時(shí)，體積砂率超過(guò)0.44時(shí)，仍可以配制出滿足要求的機(jī)制砂自密實(shí)混凝土；PR=0.5，0.6時(shí)，體積砂率超過(guò)0.48時(shí)，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的工作性能明顯變差；PR=0.65時(shí)，最大體積砂率為0.45。

3) 相同堆疊率的情況下，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度隨體積砂率的升高而降低。

4) 利用機(jī)制砂配制自密實(shí)混凝土?xí)r，粗集料堆疊率的最大值為0.65，低于利用河砂配制自密實(shí)混凝土?xí)r粗集料堆疊率的最大值0.7。