李國(guó)棟，張 立，任正義

(內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院，呼和浩特 010070)

0 引 言

混凝土是指由膠凝材料將集料膠結(jié)成整體的工程復(fù)合材料的統(tǒng)稱，通常是用水泥作膠凝材料，砂和石作集料，與水按一定比例配合，經(jīng)混合攪拌而制得的?，F(xiàn)代工程中混凝土是一種重要材料，每年我國(guó)混凝土用量超過(guò)10億立方米[1]。從細(xì)觀層次說(shuō)，混凝土是由水泥砂漿、粗骨料、水泥砂漿-粗骨料界面組成的多相非均質(zhì)復(fù)合材料[2-3]。粗骨料是混凝土的主要組成材料，構(gòu)成了混凝土的基本骨架結(jié)構(gòu)，其體積約占混凝土總體積的70%左右[4]。

粗骨料的用量、粒徑以及粗骨料級(jí)配的密實(shí)程度都會(huì)對(duì)混凝土的工作性能造成影響，而工作性能是評(píng)價(jià)混凝土的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)混凝土的力學(xué)性能和耐久性造成一定的影響。Yammine等[5]的研究表明粗骨料體積率對(duì)混凝土的工作性能影響顯著。Bonen等[6]發(fā)現(xiàn)混凝土中粗骨料的粒徑不僅會(huì)影響混凝土的工作性能，而且對(duì)新拌混凝土的穩(wěn)定性影響顯著，粗骨料粒徑越大的混凝土越容易發(fā)生骨料的下沉和拌合物的離析。邢心魁等[7]通過(guò)PFC2D模擬實(shí)驗(yàn)探討了4種不同粒形的粗集料配制的混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，破壞形態(tài)以及破壞過(guò)程中的能量變化。姚立紅等[8]研究發(fā)現(xiàn)水泥凈漿流動(dòng)性能與混凝土初始擴(kuò)展度和坍落度成正相關(guān)關(guān)系。Larard[9]研究得出骨料中針片狀顆粒過(guò)多會(huì)導(dǎo)致比表面積和空隙率增大，水泥漿體的接觸面積增加、混凝土包裹漿體厚度減少、骨料間摩阻力增大，使得其新拌混凝土和易性降低。王應(yīng)等[10]研究了集料中不同土質(zhì)泥摻不同外加劑時(shí)對(duì)混凝土工作性能影響。李國(guó)強(qiáng)等[11]針對(duì)混凝土骨料級(jí)配、粒徑分形維數(shù)研究得出分形維數(shù)級(jí)配公式?，F(xiàn)階段，關(guān)于混凝土工作性能的研究已經(jīng)比較成熟，但是現(xiàn)有的研究成果大多是從粗集料、外加劑以及水泥替代材料等方面出發(fā)對(duì)混凝土工作性能展開研究，關(guān)于細(xì)觀層次對(duì)混凝土工作性能影響規(guī)律的研究還較少。

本文從細(xì)觀層次出發(fā)設(shè)計(jì)了14種混凝土配合比，其中，5種不同粗骨料體積率混凝土(V=0%、20%、40%、60%、80%)，4種不同粗骨料最大粒徑混凝土(D=9.5 mm、19.0 mm、26.5 mm、31.5 mm)，5種不同骨料級(jí)配分形維數(shù)混凝土(F=2.2、2.4、2.5、2.6、2.8)，研究了粗骨料體積率、粗骨料最大粒徑、粗骨料級(jí)配分形維數(shù)對(duì)混凝土工作性能的影響，探討了混凝土的密實(shí)性、流動(dòng)性，以期為工程實(shí)踐提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究所使用的膠凝材料是P·O 42.5普通硅酸鹽水泥和Ⅰ型高鈣粉煤灰，均來(lái)自內(nèi)蒙古MS水泥廠。細(xì)骨料使用粒徑為0.15～4.75 mm范圍內(nèi)的河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8。粗骨料選用機(jī)械破碎花崗巖碎石，精細(xì)篩分碎石為4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm、16～19 mm、19～26.5 mm、26.5～31.5 mm六檔，粗骨料經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的挑選、清洗和烘干，并按照配合比要求進(jìn)行混合。混凝土材料的物理、力學(xué)指標(biāo)如表1～4所示。

表1 細(xì)骨料物理指標(biāo)Table 1 Physical indexes of fine aggregate

表2 粗骨料物理力學(xué)指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical indexes of coarse aggregate

表3 水泥性能指標(biāo)Table 3 Performance indexes of cement

表4 粉煤灰質(zhì)量指標(biāo)Table 4 Quality indexes of fly ash /%

1.2 實(shí)驗(yàn)配合比

為了研究粗骨料用量對(duì)混凝土工作性能的影響，試驗(yàn)中保持所用水泥砂漿中各部分材料的比例以及粗骨料的連續(xù)級(jí)配不變，僅改變粗骨料體積率，設(shè)計(jì)了粗骨料體積率V=0%、20%、40%、60%、80%的5種混凝土配合比，混凝土中材料用量見表5。

表5 不同粗骨料體積率混凝土材料用量Table 5 Material content of concrete with different volume rate of coarse aggregate

為了研究粗骨料最大粒徑對(duì)混凝土工作性能的影響，試驗(yàn)中保持水泥砂漿中各部分材料的比例和粗骨料的用量不變，僅改變粗骨料的最大粒徑，設(shè)計(jì)了粗骨料最大粒徑D=9.5 mm、19.0 mm、26.5 mm、31.5 mm的4種混凝土配合比，材料用量見表6。

表6 不同粗骨料最大粒徑混凝土材料用量Table 6 Material content of concrete with different maximum particle size of coarse aggregate

圖1 不同分形維數(shù)級(jí)配曲線Fig.1 Different fractal dimension grading curves

粗骨料級(jí)配的分形維數(shù)表征了不同粒徑骨料之間的搭配情況，Turcotte[12]根據(jù)無(wú)窮破碎體理論推導(dǎo)了骨料級(jí)配的分形維數(shù)的計(jì)算公式(1)，分形維數(shù)越大，小粒徑粗骨料的用量越多，大粒徑粗骨料的用量越少；當(dāng)骨料級(jí)配分形維數(shù)達(dá)到2.5時(shí)，粗骨料級(jí)配曲線與換算后的Fuller-級(jí)配曲線[13-14]完全一致，此時(shí)的骨料級(jí)配最密實(shí)，不同分形維數(shù)骨料的級(jí)配曲線見圖1。

(1)

式中，P(x)為各檔骨料的通過(guò)百分率；F為粗骨料級(jí)配的分形維數(shù)；xmin=4.75 mm和xmax=26.5 mm分別為粗骨料的最小粒徑和最大粒徑。

為了研究骨料級(jí)配的密實(shí)程度對(duì)混凝土工作性能的影響，試驗(yàn)中保持水泥砂漿中各部分材料的比例和粗骨料的用量不變，僅改變粗骨料級(jí)配的分形維數(shù)，設(shè)計(jì)粗骨料級(jí)配的分形維數(shù)F=2.2、2.4、2.5、2.6、2.8的5種混凝土配合比，混凝土材料用量如表7所示，根據(jù)公式(1)計(jì)算的粗骨料用量見表8。

表7 不同粗骨料級(jí)配分形維數(shù)混凝土材料用量Table 7 Material content of concrete with different gradation fractal dimension of coarse aggregate /(kg/m3)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在本研究中，為了避免粗骨料表面塵土粉末對(duì)混凝土用水量的影響，在實(shí)驗(yàn)前對(duì)粗骨料進(jìn)行嚴(yán)格的篩分和清洗，剔除粗骨料中的針片狀骨料，選取球形或近似球形的粗骨料作為實(shí)驗(yàn)用料。為了研究粗骨料體積率、粗骨料最大粒徑、粗骨料級(jí)配分形維數(shù)對(duì)高性能混凝土工作性能的影響，依據(jù)《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GB 50119—2013[15]，使用減水率為25%的聚羧酸高效減水劑，選擇同摻法和后摻法相結(jié)合的方法添加減水劑，后摻法是混凝土拌合過(guò)程中用醫(yī)用注射器注射減水劑調(diào)配用量，通過(guò)多次試驗(yàn)將混凝土坍落度在(180±20) mm范圍內(nèi)確定減水劑的用量，同時(shí)記錄了從開始提起坍落度筒到混凝土坍落度不再發(fā)生變化的坍落時(shí)間以及混凝土的坍落擴(kuò)展度，同時(shí)每種混凝土配合比澆筑3個(gè)平行試件。

表8 不同粗骨料級(jí)配分形維數(shù)混凝土粗骨料用量Table 8 Coarse aggregate content of concrete with different gradation fractal dimension of coarse aggregate

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥凈漿包裹層厚度

水泥凈漿是由許多分散水泥顆粒組成，水泥顆粒易與水反應(yīng)產(chǎn)生水化產(chǎn)物，產(chǎn)物中往往攜帶正、負(fù)電荷。水泥顆粒的粒徑較小，但活性極高，極易吸附水化產(chǎn)物中的電荷，因此，在漿體中，水泥顆粒與水化產(chǎn)物中的電荷互相絮凝，形成絮凝結(jié)構(gòu)，與集料之間相互粘結(jié)形成水泥漿厚度包裹層[16]。水泥凈漿在新拌混凝土中充當(dāng)潤(rùn)滑劑，促使集料相互包裹黏結(jié)，對(duì)于改善新拌混凝土的流動(dòng)性能具有重要作用。同時(shí)，新拌混凝土中骨料的運(yùn)動(dòng)依賴于骨料表面自由漿體的包裹，混凝土中水泥凈漿在砂表面的包裹層厚度H計(jì)算如公式(2)～(3)所示[17]。

(2)

(3)

式中：Vs表示混凝土中砂的體積；Va表示混凝土中粗骨料的體積；δs表示混凝土中砂的堆積空隙率；ξ表示粗骨料的形狀系數(shù)，論文選用近似球形的骨料作為實(shí)驗(yàn)材料，假設(shè)形狀系數(shù)ξ=1；S表示集料的比表面積，通過(guò)公式(3)～(4)計(jì)算得到。

圖2 不同粗骨料體積率混凝土水泥凈漿厚度Fig.2 Thickness of concrete cement paste with different volume rate of coarse aggregate

(4)

(5)

式中，Si表示第i個(gè)粒徑骨料的比表面積；Di表示第i個(gè)粒徑骨料的平均粒徑；ki表示第i個(gè)粒徑骨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

如圖2～圖4中所示，當(dāng)骨料級(jí)配一定時(shí)，隨著粗骨料體積率的增大，混凝土中砂表面的水泥凈漿包裹層厚度不斷增大，因?yàn)榇止橇象w積率越大，相同體積內(nèi)骨料用量越多，砂的用量越少，集料的比表面積減小，表現(xiàn)在水泥凈漿包裹層厚度不斷增大；粗骨料體積率相同時(shí)，混凝土中砂表面的水泥凈漿包裹層厚度隨著骨料最大粒徑的增大而增大，因?yàn)楫?dāng)骨料用量一定時(shí)，骨料的最大粒徑越大，骨料的比表面積越小，所以砂表面的水泥凈漿包裹層厚度不斷增大；當(dāng)粗骨料體積率一定時(shí)，隨著粗骨料級(jí)配分形維數(shù)的增大，砂表面的水泥凈漿包裹層厚度逐漸減少，主要原因是粗骨料級(jí)配分形維數(shù)越大，小粒徑粗骨料的用量越多，粗骨料的比表面積增大，砂表面的水泥凈漿包裹層厚度逐漸增大，粗骨料級(jí)配分形維數(shù)對(duì)砂表面的水泥凈漿包裹層厚度影響很小，最大砂表面的水泥凈漿包裹層厚度與最小砂表面的水泥凈漿包裹層厚度差值不足1 μm。

圖3 不同粗骨料最大粒徑混凝土水泥凈漿厚度
Fig.3 Thickness of concrete cement paste with different maximum particle size of coarse aggregate

圖4 不同粗骨料級(jí)配分形維數(shù)混凝土水泥凈漿厚度
Fig.4 Thickness of concrete cement paste with different gradation fractal dimension of coarse aggregate

2.2 減水劑用量

不同粗骨料體積率、粗骨料最大粒徑以及粗骨料級(jí)配分形維數(shù)對(duì)應(yīng)的新拌混凝土減水劑用量如圖5所示。由圖可知，當(dāng)骨料級(jí)配相同時(shí)，新拌混凝土坍落度達(dá)到(180±20) mm時(shí)的減水劑用量隨著粗骨料體積率的增大而減少。同時(shí)，減水劑用量與粗骨料體積率可以用二次函數(shù)擬合，擬合相關(guān)系數(shù)為0.99，這是因?yàn)椋S著粗骨料體積率的增大，相同體積混凝土中粗骨料用量增加，混凝土中砂表面的水泥凈漿包裹層厚度增大，自由漿體的潤(rùn)滑作用導(dǎo)致混凝土在使用較少的減水劑時(shí)就可以達(dá)到設(shè)計(jì)的坍落度。

當(dāng)粗骨料體積率一定時(shí)，粗骨料最大粒徑越大，新拌混凝土坍落度達(dá)到(180±20) mm時(shí)的減水劑用量越少。同時(shí)，減水劑用量與粗骨料最大粒徑之間呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.98。與粗骨料體積率相同，粗骨料最大粒徑對(duì)混凝土中砂表面的水泥凈漿包裹層厚度影響較大，自由漿體越多，混凝土流動(dòng)性能越好。圖5(c)表明新拌混凝土坍落度達(dá)到(180±20) mm時(shí)的減水劑用量與粗骨料級(jí)配分形維數(shù)符合二次拋物線關(guān)系，當(dāng)粗骨料級(jí)配分形維數(shù)為2.5時(shí)減水劑用量最大。粗骨料級(jí)配分形維數(shù)對(duì)混凝土中自由漿體厚度影響較小，粗骨料級(jí)配分形維數(shù)表征的是不同粒徑粗骨料的搭配情況，在粗骨料級(jí)配分形維數(shù)為2.5時(shí)，粗骨料級(jí)配最密實(shí)，在流動(dòng)過(guò)程中粗骨料之間的摩擦作用最強(qiáng)，因此要達(dá)到設(shè)計(jì)的坍落度就需要摻加更多的減水劑。

圖5 減水劑用量
Fig.5 Dosage of water reducer

2.3 坍?dāng)U比與坍落時(shí)間

混凝土坍落度和坍落擴(kuò)展度的比值簡(jiǎn)稱(坍?dāng)U比)。新拌混凝土坍落度的測(cè)試是量化混凝土屈服剪切應(yīng)力和塑性粘度的標(biāo)準(zhǔn)，坍落拓展度指標(biāo)量化了混凝土在自重下克服屈服應(yīng)力、粘度和摩擦后的流動(dòng)狀態(tài)。

不同粗骨料體積率坍?dāng)U比、坍落時(shí)間分析如圖6、圖7所示?；炷恋奶?dāng)U比隨著粗骨料體積率的增大而減小，坍?dāng)U比實(shí)際上是反映了混凝土拌合物的粘度，當(dāng)粗骨料體積率較小時(shí)，單位體積混凝土中粗骨料的體積分?jǐn)?shù)較小，拌合物中以砂漿為主，粗骨料對(duì)拌合物工作性能的影響較小，此時(shí)混凝土中砂表面的水泥凈漿包裹層較薄，混凝土的稠度較大，坍?dāng)U比較大，粗骨料體積率的增大加劇粗骨料對(duì)拌合物工作性能的影響，混凝土中砂表面的水泥凈漿包裹層厚度增大，混凝土的稠度減小，坍?dāng)U比減小，隨著粗骨料體積率的增大，砂漿對(duì)粗骨料的包裹程度下降，受重力影響混凝土拌合物的坍落速度變快，坍落時(shí)間變小。

圖6 不同粗骨料體積率混凝土坍?dāng)U比
Fig.6 Concrete slump and expansion ratio with different volume rate of coarse aggregate

圖7 不同粗骨料體積率混凝土坍落時(shí)間
Fig.7 Concrete slump time with different volume rate of coarse aggregate

不同粗骨料最大粒徑混凝土拌合物的坍?dāng)U比和坍落時(shí)間分析如圖8、圖9所示。當(dāng)粗骨料體積率一定時(shí)，隨著粗骨料最大粒徑的不斷增大，混凝土拌合物的坍?dāng)U比和坍落時(shí)間均逐漸減小。隨著粗骨料最大粒徑的增大，混凝土中自由漿體厚度增大，拌合物的流動(dòng)性增強(qiáng)；粗骨料最大粒徑越大，單顆粗骨料的質(zhì)量越大，對(duì)混凝土坍落速度的影響越大，混凝土坍落時(shí)間越短。

圖8 不同粗骨料最大粒徑混凝土坍?dāng)U比
Fig.8 Concrete slump and expansion ratio with different maximum particle size of coarse aggregate

圖9 不同粗骨料最大粒徑混凝土坍落時(shí)間
Fig.9 Concrete slump time with different maximum particle size of coarse aggregate

圖10和圖11分別是不同粗骨料級(jí)配分形維數(shù)混凝土拌合物的坍?dāng)U比和坍落時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果。隨著粗骨料級(jí)配分形維數(shù)的增大，混凝土拌合物的坍?dāng)U比和坍落時(shí)間先增大后減小，且均在分形維數(shù)為2.5時(shí)達(dá)到最大值，因?yàn)楫?dāng)粗骨料級(jí)配分形維數(shù)等于2.5時(shí)粗骨料的級(jí)配最密實(shí)，拌合物在坍落過(guò)程中受骨料之間的相互作用影響，混凝土的坍落擴(kuò)展度最小，坍落時(shí)間最長(zhǎng)，但是整體來(lái)說(shuō)粗骨料級(jí)配分形維數(shù)對(duì)混凝土拌合物的坍?dāng)U比和坍落時(shí)間影響較小。

圖10 不同粗骨料級(jí)配分形維數(shù)混凝土坍?dāng)U比
Fig.10 Concrete slump and expansion ratio with different gradation fractal dimension of coarse aggregate

圖11 不同粗骨料級(jí)配分形維數(shù)混凝土坍落時(shí)間
Fig.11 Concrete slump time with different gradation fractal dimension of coarse aggregate

2.4 混凝土流動(dòng)性、密實(shí)性

新拌混凝土中添加減水劑可以改善自身的工作性能，因?yàn)闇p水劑不僅可以降低水泥體系中的屈服應(yīng)力，而且可以改善水泥漿體的流動(dòng)性能，在水泥漿體中摻入減水劑，水泥凈漿中的電荷能夠吸附到水泥顆粒表面，這是因?yàn)闇p水劑主鏈帶有負(fù)電荷，能與水泥顆粒上帶正電荷的水化產(chǎn)物相結(jié)合，從而致使水泥顆粒完整化學(xué)鍵受損，間接導(dǎo)致絮凝結(jié)構(gòu)破壞，并且釋放出絮凝結(jié)構(gòu)中的水，使混凝土結(jié)構(gòu)中自由水含量增加，導(dǎo)致絮凝結(jié)構(gòu)變小，從而起到分散混凝土的結(jié)果[16]。隨著減水劑用量增多，絮凝結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生破壞而減少，從而導(dǎo)致凈漿厚度越來(lái)越小、致使混凝土結(jié)構(gòu)中自由水越來(lái)越多，由于混凝土中含有更多大量的水分，導(dǎo)致混凝土坍落度、坍落拓展度也會(huì)變大，流動(dòng)性變好，從而達(dá)到改善混凝土工作性能的目的。

從細(xì)觀尺度上說(shuō)，混凝土的密實(shí)性能取決于骨料之間相互結(jié)合能力的大小，混凝土中水泥顆粒與附近的電荷載反應(yīng)產(chǎn)生水化物形成水泥砂漿，水泥凈漿能夠促進(jìn)集料之間相互包裹形成一層薄膜，增加其結(jié)合能力，從而可以從骨料用量、骨料之間的搭配來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土密實(shí)性的判定。由于本試驗(yàn)添加減水劑的緣故，會(huì)影響水泥砂漿厚度進(jìn)而會(huì)影響其密實(shí)性能，所以通過(guò)分析容重大小來(lái)探討其密實(shí)性，隨著粗骨料體積率的增加，單位體積內(nèi)粗骨料的用量逐漸增加，水泥和砂子的用量越來(lái)越少，因?yàn)榇止橇系拿芏却笥谒嗪蜕白拥拿芏龋止橇嫌昧吭蕉?，單位體積內(nèi)混凝土質(zhì)量就越大，所以混凝土容重會(huì)隨著粗骨料體積率增大而增大。圖12為不同級(jí)配下容重的大小，當(dāng)骨料最大粒徑為15～20 mm，粗骨料體積率為80%時(shí),骨料容重最大；當(dāng)骨料級(jí)配分形維數(shù)為2.5時(shí)，容重最大，粗骨料級(jí)配曲線與換算后的Fuller-級(jí)配曲線[12-13]完全一致，此時(shí)的骨料級(jí)配最密實(shí)。

圖12 不同級(jí)配下的容重圖
Fig.12 Bulk density diagram with different levels

3 結(jié) 論

(1)混凝土中砂表面的水泥凈漿包裹層厚度與粗骨料體積率、最大粒徑成線性正相關(guān)關(guān)系，與粗骨料級(jí)配分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)保持混凝土坍落度(180±20) mm，減水劑用量與不同粗骨料體積率符合二次函數(shù)規(guī)律；粗骨料最大粒徑與減水劑用量呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系；粗骨料級(jí)配分形維數(shù)與減水劑用量存在開口向下的二次函數(shù)關(guān)系，當(dāng)粗骨料級(jí)配分形維數(shù)等于2.5時(shí)，減水劑用量最多。

(3)隨著粗骨料體積率、粗骨料最大粒徑變大，混凝土拌合物的坍?dāng)U比和坍落時(shí)間逐漸越小，流動(dòng)性能變好；隨著粗骨料級(jí)配分形維數(shù)變大，坍?dāng)U比和坍落時(shí)間與其存在開口向下的函數(shù)關(guān)系，且都在粗骨料級(jí)配分形維數(shù)為2.5時(shí)取得最大值，此時(shí)流動(dòng)性趨于最佳。

(4)當(dāng)粗骨料體積率為80%、最大粒徑最大為15～20 mm、級(jí)配分形維數(shù)為2.5時(shí)，混凝土容重最大，骨料級(jí)配最密實(shí)。