蔡基偉,曹鑫*,李朋,賈翔宇,王賀月,李汶晉
(河南大學循環(huán)與功能建材實驗室,河南 開封 475004)
自密實混凝土(SCC)給施工帶來極大便利,近年來在工程中的應用逐漸增多。自密實混凝土是一種具有諸多優(yōu)點的高性能混凝土,應用前景非常廣闊,但迄今尚無一致認同的離析程度測定方法[1]。對自密實混凝土離析程度的表征方法,還存在無法量化、模糊等問題,絕大多數(shù)仍以目測作為唯一手段。自密實混凝土的離析和泌水問題尚未得到重視[2],目前對自密實混凝土離析和泌水的研究較少。而離析和泌水對混凝土的勻質性、強度和耐久性都會造成影響,也是造成混凝土不均勻收縮的內在因素[3]。本文擬通過測試拌合物試體中特征點表觀密度及粗骨料含量,用石子分布梯度和拌合物密度梯度等參數(shù)表征自密實混凝土的離析程度,探索自密實混凝土中砂漿與粗骨料的離析趨勢。
(1)水泥:配制 A 組和 B 組混凝土所用水泥為P·F32.5 水泥,密度 2.96g/cm3;配制 C 組混凝土所用水泥為 P·O42.5 水泥,密度 3.04g/cm3。
(2)粉煤灰:為 Ⅰ 級粉煤灰,密度 2.30g/cm3。
(3)細骨料:采用兩種河砂摻配,摻配后表觀密度 2600kg/m3,含泥量 7.7%,細度模數(shù) 2.45,級配見圖1(a)。
(4)粗骨料:為 5~20mm 連續(xù)級配碎石,表觀密度 2740kg/m3,含泥量 0.08%,級配見圖 1(b)。
(5)外加劑:采用聚羧酸系高性能減水劑(母液),摻量為 0.6%~0.7%,減水率為 25% 左右,引氣量為 2%~3%。
圖1 骨料的級配曲線
1.2.1 試驗方案
考慮到強度等級較低的混凝土膠凝材料相對較少,拌合物離析的可能性較大,因此用 P·F32.5 水泥分別配制 C20(A 組)和 C30(B 組)自密實混凝土,用P·O42.5 水泥配制 C30 自密實混凝土(C 組)。每組再分別設計三個坍落擴展度目標值(700mm、650mm 和600mm),共九個試樣。各試樣的單位用水量、水灰比和減水劑摻量均相同,粉煤灰作為摻合料和補充粉料。依據(jù)相關標準[4,5]設計具體配合比,見表 1。
表1 自密實混凝土試驗配合比
1.2.2 拌合物表觀密度和石子含量的測定
提起坍落度筒混凝土流動停止后,按圖 2 所示特征點取樣?;炷猎圀w的中心頂部為上點(2 點),中心底部為下點(0' 點),中心下部為中心點(0 點),靠近邊緣的為邊點(1 點)。
圖2 混凝土取樣示意圖
1.2.2.1 各特征點表觀密度的測定
(1)用 100mL 自制容量筒(內徑 50mm、凈高50mm)分別在 2 點和 0' 點取拌合物試樣,稱重并計算拌合物表觀密度。
(2)用 1L 標準容量筒在中心點(0 點)取 1L 拌合物,在邊點(1a、1b 連同其垂直方向另外兩點共四點各取約 1/4)共取 1L 拌合物,稱重并計算拌合物表觀密度。
1.2.2.2 中心點及邊點石子含量的測定
在上步用 1L 標準容量筒測定拌合物表觀密度后,將試樣過 5mm 篩,洗凈無明水后,稱取篩上石子質量。石子質量與容量筒凈體積之比即得石子含量。
如果把單位距離內密度差異定義為密度梯度,則可按式 (1)~式 (3) 定義拌合物徑向密度梯度(γx)、石子徑向分布梯度(γgx)與拌合物豎向密度梯度(γy)。徑向和豎向點間距分別簡化為混凝土流動停止后擴展面的半徑(中心到邊緣)和混凝土試體高度(頂點到地面)。徑向梯度方向以擴展方向(0 點到 1 點)為正值,豎向梯度方向以坍落方向(2 點到 0' 點)為正值。
式中:
ρ0(ρ0’), ρ2, ρ1——混凝土試體中心點(下點)、中心上點和邊點表觀密度,kg/m3;
mg0,mg1——中心點和邊點石子含量,g/dm3;
Sl, Sf——坍落度和坍落擴展度,mm;
γx, γy, γgx——拌合物徑向密度梯度、豎向密度梯度和石子徑向分布梯度,g/dm4。
按照表 1 中配合比試配混凝土,基本性能測試結果如表 2 所示。
表2 自密實混凝土的基本性能測試結果
由表 2 數(shù)據(jù)可知,各組自密實混凝土性能指標基本滿足規(guī)范[5]要求。
按圖 2 所示方法取樣,計算相應的表觀密度(ρi)和石子含量(mgi),按式 (1)~式 (3) 計算各梯度值,詳細數(shù)據(jù)見表 3。
表3 各特征點表觀密度、石子含量及其梯度值
表 3 中的梯度數(shù)據(jù)多數(shù)為正值,個別為負值。徑向密度梯度 γx為正值時,說明混凝土流動停止時,混凝土試體中心點表觀密度大于邊點;反之,說明中心點表觀密度小于邊點。豎向密度梯度 γy為正值時,說明混凝土坍落停止時,混凝土試體頂層表觀密度大于底層;反之,說明頂層表觀密度小于底層。石子徑向分布梯度γgx始終為正值,說明混凝土流動停止時,混凝土試體中心點石子含量一直多于邊點,或者說邊緣石子含量一直少于中心位置,即石子由中心沿半徑方向的擴散速度始終小于砂漿的擴展速度。
對拌合物徑向密度梯度(γx)、豎向密度梯度(γy)和石子徑向分布梯度(γgx)作正態(tài)分析,可得到三個梯度值的正態(tài)分布圖。由于自密實混凝土坍落度很大,流動停止后混凝土試體的上點(2 點)和下點(0')只能用小容量筒(100mL)取樣,拌合物試樣代表性較差,γy計算結果與目測結果稍有偏差。在邊點(1a、1b 等)取樣時,個別試樣由于泌水原因而取樣的可靠性較差,引起 γx計算結果與目測結果存在偏差。比較而言,石子徑向分布梯度(γgx)較為準確可靠,并且與目測結果一致(如圖 3),因此首先考慮以石子徑向分布梯度(γgx)為劃分自密實混凝土離析程度的指標。
圖3 石子徑向分布梯度統(tǒng)計分析圖
由圖 3 可知,石子徑向分布梯度(γgx)的均值μ=20.56,均值左右基本對應于目測離析程度的“輕微離析”;均值減去一個標準差后 μ-σ=8.53,γgx<μ-σ 時基本對應于目測的“不離析”;均值加上一個標準差后 μ+σ=32.59,γgx≥μ+σ 時基本對應于目測的“嚴重離析”。為便于應用且易于分級,本文以石子徑向分布梯度每增加 10g/dm4升高一級,即 γgx<10g/dm4為“不離析”(0 級);10g/dm4≤γgx<20g/dm4為“輕度離析”(1 級);20g/dm4≤γgx<30g/dm4為“中度離析”(2 級);30g/dm4≤γgx<40g/dm4為“重度離析”(3級);γgx≥40g/dm4為“極度離析”(4 級)。
自密實混凝土坍落擴展過程中,混凝土試體不停地變形,拌合物徑向密度梯度(γx)與石子徑向分布梯度(γgx)存在明顯相關性(如圖 4)。
圖4 各梯度值間的關系
由圖 4 可以看出,當拌合物離析程度較輕(γgx<15g/dm4)時,上層石子含量略多,同時邊點表觀密度略大于中心點,這是由于拌合物偏粘,石子下落阻力較大,多數(shù)隨砂漿水平移動,邊點取樣時水分取不上來而對拌合物表觀密度測試值影響較大。當混凝土存在明顯離析(γgx>15g/dm4)時,混凝土粘聚性越差,石子水平移動速度越小于砂漿移動速度,混凝土試體邊點密度越小于中心點密度;同時由于粘聚性較差,石子下落阻力較小,上層密度越來越小、下層密度越來越大。鑒于此,可以將拌合物徑向密度梯度(γx)作為劃分離析程度的次要指標。
自密實混凝土拌合物擴展面直徑達到 500mm 的時間(T500)對豎向密度梯度(γy)影響較明顯,相關性較好(如圖 5)。
圖5 豎向密度梯度(γy)與 T500 的關系
由圖 5 可以看出,T500≈5s 為明顯突變點,當 T500<5s 時,拌合物粘度過小,石子下降阻力較小,引起上層密度減小;T500略大于 5s 時,拌合物粘度略有增加,而砂漿擴展速度仍然很快,石子下落時間較短,上層密度相對較大;隨著 T500進一步增加,拌合物越來越粘,石子趨于隨砂漿整體流動,豎向密度梯度逐漸趨于0。
拌合物徑向密度梯度(γx)和石子徑向分布梯度(γgx)與坍落度(Sl)存在一定相關性(如圖 6),而與坍落擴展度(Sf)的關系不甚明顯。
圖6 徑向梯度(γx 和γgx)與坍落度(Sl)的關系
由 6 可以看出,隨著坍落度的增加,拌合物徑向密度梯度(γx)和石子徑向分布梯度(γgx)逐漸增加,即影響混凝土坍落度的因素,同時作用于徑向梯度(γx和γgx),坍落度越大,混凝土中砂漿與粗骨料離析的趨勢越明顯。
圖5 和圖 6 所示的影響圖素都是表象因素,并不是內在因素。在自密實混凝土試樣配合比設計中,由于固定了單位用水量、水粉比和外加劑摻量等參數(shù),在屏蔽這些參數(shù)影響的條件下,自密實混凝土離析程度與砂漿表觀密度(ρm)存在一定關系(如圖 7)。
圖7 砂漿表觀密度(ρm)對混凝土離析的影響
由圖 7 可以看出,砂漿表觀密度較小時,拌合物徑向密度梯度(γx)和石子徑向分布梯度(γgx)較大,即混凝土試體中心密度較大(石子含量較多)、靠近邊緣的密度較?。ㄊ雍枯^少)。豎向密度梯度(γy)隨砂漿表觀密度(ρm)的變化趨勢與徑向梯度不全相同,砂漿密度適中(ρm=2100~2120kg/m3)時,拌合物均勻性良好,豎向密度梯度(γy)很小;ρm<2100kg/m3時,水膠比相對較大,膠凝材料相對較少但Ⅰ級粉煤灰摻量較大,因而漿體流動性較大,上層拌合物中的漿體分離趨勢較強,骨料移動較慢,造成拌合物上層密度大于下層密度;ρm>2120kg/m3時,水膠比相對較小,膠凝材料相對較多,同時砂漿中砂的體積分數(shù)也較大、粗骨料體積率較小,石子下沉阻力較大,拌合物上層密度也會大于下層。由于混凝土坍落度大,只得用小容器取樣,試樣代表性差,數(shù)據(jù)有些離散。
針對 C20~C30 自密實混凝土,基于坍落擴展度試驗中特征點拌合物的表觀密度與石子含量,關于自密實混凝土中砂漿與粗骨料的離析趨勢,得出如下初步結論:
(1)以石子徑向分布梯度(γgx)表征自密實混凝土的離析程度較為準確可靠,宜作為主要劃分指標。γgx<10g/dm4時劃為“不離析”(0 級),γgx每增加10g/dm4則依次升高為“輕度離析”(1 級)、“中度離析”(2 級)、“重度離析”(3 級)和“極度離析”(4 級)。
(2)自密實混凝土徑向密度梯度(γx)與石子徑向分布梯度(γgx)的相關性很高,徑向密度梯度(γx)可作為劃分自密實混凝土離析程度的次要指標。
(3)當自密實混凝土明顯離析(γgx>15g/dm4)時,拌合物粘聚性越差,石子水平移動距離就越落后于砂漿,越靠近邊緣,拌合物表觀密度就越小。
(4)從表象上看,自密實混凝土拌合物擴展面直徑達到 500mm 的時間 T500≈5s 為豎向密度梯度(γy)的突變點,T500≤5s 時,拌合物極易發(fā)生分層;隨著 T500的增加,拌合物越來越粘,石子趨于隨砂漿整體流動,離析趨勢減弱。因此,配制自密實混凝土時,要盡可能使 T500在 6s 以上。
(5)影響混凝土坍落度的因素同時作用于拌合物徑向密度梯度(γx)和石子徑向分布梯度(γgx),坍落度越大,混凝土中砂漿與粗骨料離析的趨勢就越明顯。
(6)砂漿表觀密度是影響自密實混凝土離析的內在因素,C20~C30 自密實混凝土中砂漿適宜的表觀密度大致為 2100~2120kg/m3,此時拌合物均勻性良好;砂漿表觀密度偏小時,混凝土擴展面中心石子含量較多、拌合物表觀密度較大,靠近邊緣的石子含量較少、拌合物表觀密度較?。簧皾{表觀密度偏大時,同樣會產(chǎn)生離析。