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        配比參數(shù)對SCC工作性能影響的試驗研究

        2021-06-30 01:01:08李晟文
        關(guān)鍵詞:混凝土

        楊 巧,李晟文,王 輝

        (1.江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院 江蘇 揚州,225100;2.九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系 江蘇 徐州,221116)

        0 引言

        自密實混凝土之所以屬于高性能混凝土行列,是因為它具有較好的流動性且為現(xiàn)場施工帶來便利[1]。鑒于以上優(yōu)勢,其被許多的施工單位應(yīng)用到實際工程中。盡管它的應(yīng)用越來越廣,但是目前仍沒有統(tǒng)一的配合比計算方法,并且由于自身性能原因?qū)υ牧弦蠛芨?,且對不同地區(qū)的原材料有不同的敏感性和適應(yīng)性,故本文結(jié)合江蘇省的實際情況和環(huán)境進(jìn)行深入地研究和分析,試配出符合江蘇地域材料性能的配合比。

        1 試驗原材料

        試驗采用揚州的亞東牌 P·O 42.5 級水泥,密度3 000 kg/m3,燒失量4.88%,初凝200 min,終凝255 min,3 d、28 d抗折強(qiáng)度分別為5.5 MPa、8.2 MPa,3 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為27.9 MPa、46.5 MPa.粗骨料采用粒徑5~16 mm連續(xù)級配的石子,表觀密度為2 720 kg/m3,壓碎值為9.99%.細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.584、Ⅱ級配區(qū)砂,表觀密度為2 330 kg/m3;粉煤灰采用鎮(zhèn)江的Ⅰ級灰,細(xì)度6.0%,需水量92%,燒失量1.03%,三氧化硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.61%,表觀密度2 520 kg/m3;S95級礦粉流動度比98%,含水量0.3%,燒失量0.66%,三氧化硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.656%,表觀密度2 860 kg/m3.

        本試驗選用PCA-9聚羧酸高效減水劑,該減水劑為棕紅色液體。為了確定其減水率,特做了膠砂試驗,在PCA-9聚羧酸用量為1.0%時,減水率為19%.本試驗選用揚州自來水。

        2 試驗方法和配合比選擇

        2.1 混凝土性能試驗

        自密實混凝土填充性與間隙通過性性能試驗方法按JGJ/T 283-2012規(guī)程進(jìn)行。

        2.2 試驗配合比及正交試驗

        試驗的基本配合比選用固定砂石體積含量法進(jìn)行設(shè)計,接著選取影響因素及每個因素的水平值,最后利用正交試驗進(jìn)行優(yōu)化。

        自密實混凝土配合比參數(shù)為:粗骨料的體積分?jǐn)?shù)0.3;砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù)0.44.粉煤灰18%,礦粉18%,水泥64%;水膠比取0.44,由于減水劑對混凝土減水效果較水泥有所降低,按照前面試驗經(jīng)驗取減水率為15%,經(jīng)計算配合比如表1.

        表1 C30混凝土配合比Table 1 C30 concrete mix proportion 單位:kg·m-3

        2.2.1試驗因素

        首先在基本配合比基礎(chǔ)上進(jìn)行了減水劑的四組平行試驗。減水劑確定后,選取砂率及水膠比進(jìn)行九組水平試驗,試驗結(jié)果見表2,擴(kuò)展度隨3個因素變化趨勢見圖1.

        表2 3因素平行試驗結(jié)果Table 2 Results of 3-factor parallel test

        圖1 擴(kuò)展度隨減水劑、砂率、水膠比摻入量的變化Fig.1 Extent changes with water reducing agent, sand ratio and water-binder ratio

        1)減水劑。減水劑對于自密實混凝土性能的重要性是不言而喻的,通過摻入1.2%,1.0%,0.9%,0.8%減水劑的四組試驗發(fā)現(xiàn):摻入量為1.2%時,其泌水嚴(yán)重;摻入量為0.8%時,有點粘稠,擴(kuò)展度較??;摻入量為1.0%時,對應(yīng)的擴(kuò)展度最大并且T500(坍落擴(kuò)展度達(dá)到500 mm時所需要的時間)為1.44 s,性能均勻不泌水。最終確定摻量為1.0%.見表2。

        2)砂率。文獻(xiàn)[2]指出:砂率選取43%~55%時,對應(yīng)的自密實混凝土性能較優(yōu);假如砂率過大,無法保證流動性,穩(wěn)定性就較差。通過平行試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),表2中砂率為50.8%時,坍落擴(kuò)展度值減小,T500為3.24 s,并且中間骨料堆積嚴(yán)重,誤差棒最大(見圖1)。因此以下正交試驗中取44.8%、46.8%和48.8%三個水平。

        3)水膠比。通過水膠比4組平行試驗發(fā)現(xiàn):水膠比在0.4~0.44時,SCC均勻、不泌水且T500都在2 s之內(nèi);但是水膠比取0.40時,垂直兩個方向塌落擴(kuò)展度相差比較大,從圖1誤差棒范圍可以看出。最終選取水膠比0.44.

        4)粉煤灰摻量:試驗過程中發(fā)現(xiàn),粉煤灰可以減少塌落度損失,但是大摻量會降低其早期強(qiáng)度[2]。高用量粉煤灰的應(yīng)用在國外已經(jīng)相當(dāng)普遍,但很多國家都將結(jié)構(gòu)用量限定在30%以內(nèi)[3]。最終,本次試驗選取 13%、18%和 23%三個水平。

        5)礦粉摻量。文獻(xiàn)[4]指出拌合物中加入礦粉后不僅能夠彌補(bǔ)強(qiáng)度缺陷,并且會有許多優(yōu)勢。由此,礦粉選取 13%、18%和 23%三個水平。試驗因素及水平見表3.

        表3 因素水平表Table 3 Factor level table

        2.2.2考核指標(biāo)

        拌合物的填充性性能采用坍落擴(kuò)展度、T500和中邊差指標(biāo)來測試,間隙通過性性能采用PA值及中邊差指標(biāo)衡量。坍落擴(kuò)展度(SF1、SF2)、T500(VS1、VS2)、坍落擴(kuò)展度與J環(huán)擴(kuò)展度差值(PA1、PA2)技術(shù)指標(biāo)按照J(rèn)GJ/T 283-2012規(guī)程附錄A執(zhí)行。中邊差主要反應(yīng)粗骨料在細(xì)骨料中的綜合性能,其值小則說明兩者能夠均勻的拌合在一起,2 cm以內(nèi)是最好的[5-6]。

        2.3 正交表

        L9(34)如表4所示,九組拌合物性能皆為均勻,不泌水。A2、A8、A9的試驗過程見圖2.表5為極差分析的結(jié)果。影響趨勢見圖3.

        表4 試驗方案及結(jié)果Table 4 Test scheme and results

        圖2 A2、A8、A9的坍落擴(kuò)展度與J環(huán)擴(kuò)展度Fig.2 Collapse extent and J-Ring extent of A2, A8 and A9

        表5 正交試驗結(jié)果極差分析Table 5 Orthogonal test range analysis

        (a)坍落擴(kuò)展度

        (b)T500

        (c)坍-中邊差

        (d)PA

        (e)J-中邊差

        2.4 試驗結(jié)果分析

        2.4.1 各因素對坍落擴(kuò)展度的影響

        坍落擴(kuò)展度反應(yīng)了拌合物的流動性和填充性,數(shù)值越大代表其性能越好。由表5顯示,各要素對其影響顯著性排序由大到小依次為:粉煤灰摻量,砂率,礦粉摻量。由圖3(a)可見,坍落擴(kuò)展度隨著砂率的增大而減小,這種現(xiàn)象是因為其值變大會導(dǎo)致骨料表面積的增大,而這時在骨料周圍起潤滑作用的漿體層變薄,因此流動性就降低[7]。而隨著其他兩個因素的增加而變大,但是當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值時,這種影響效應(yīng)就會減緩。效應(yīng)減緩是由于粉煤灰的體積要比水泥大30%,當(dāng)其用量比例過大,漿體體積就會大幅度增加,這就使?jié){體與固體顆粒更好地融合在了一起,從而使拌合物的粘聚性變得更好,因此抵消了其潤滑作用,使流動性減少[8]。

        2.4.2 各因素對T500流動時間的影響

        T500同樣反應(yīng)了其流動性和填充性,性能好對應(yīng)的值就小。由表5可知,各成分對T500的影響排序由大到小依次為:粉煤灰摻量,礦粉摻量,砂率。從圖3(b)可知,T500隨著粉煤灰摻量、礦粉摻量、砂率值增大先減少后變大。當(dāng)砂率、粉煤灰、礦粉增加到一定程度,會容易造成離析,因而其值在合適范圍內(nèi),才能發(fā)揮最佳優(yōu)勢。由表4可知本次九組試驗,T500均小于2 s,達(dá)到VS2級要求。

        2.4.3 各因素對中邊差的影響

        中邊差主要反應(yīng)了粗細(xì)骨料的均勻混合能力,其值越小兩者混合越均勻。由表5可以看出,在有阻力或無阻力的情況下,各因素對坍-中邊差、J-中邊差影響排序由大到小均為:粉煤灰摻量,砂率,礦粉摻量。從圖3(c)、圖3(e)可見,隨著粉煤灰用量比例的增加,中邊差顯著減少,可見粉煤灰的潤滑作用,可以將石子均勻帶著流動,使抗分離能力提高。對比發(fā)現(xiàn),當(dāng)有阻力出現(xiàn)時,這種效應(yīng)能力減弱。

        2.4.4 各因素對PA的影響

        PA反應(yīng)了間隙通過性,對應(yīng)的數(shù)值越大表示其性能越差。由表5得知各成分對間隙通過性的影響排序由大到小依次為:砂率,粉煤灰摻量,礦粉摻量。從圖3(d)中可以發(fā)現(xiàn),砂率增加對間隙通過性是一個先減弱后增強(qiáng)的過程,這是由于砂率越大,粗骨料所占比重越少,J環(huán)對其阻礙效果越不明顯。而隨著粉煤灰用量比例的增大,其間隙通過能力越強(qiáng),這是由于它的微粒呈球狀光滑而致密,因此它的摻入可減少內(nèi)摩阻力。

        綜上所述,得到四組可能的最優(yōu)配合比,A1B2C2,A2B2C2,A3B3C1,A3B3C2,按照綜合平衡比較,砂率對PA是最主要的影響因素,其選擇A3,砂率對擴(kuò)展度也是重要影響因素,而擴(kuò)展度選擇A1,故因素水平砂率A1與A3通過試驗確定,粉煤灰摻量B是最敏感因素,因此因素水平粉煤灰摻量B2與B3亦通過試驗確定,由于礦粉C是最不敏感因素,并且四組中有3組C2,因此礦粉選擇C2.最終得到A1B2C2、A3B2C2、A1B3C2、A3B3C2四組最優(yōu)配合比。其中A1B2C2、A3B3C2對應(yīng)正交試驗第2組與第9組試驗,只需驗證A3B2C2、A1B3C2兩組試驗。最后結(jié)果顯示,A3B2C2達(dá)到最優(yōu),對應(yīng)指標(biāo)見表6.

        表6 新拌混凝土性能測試結(jié)果Table 6 Performance test results of fresh concrete

        3 結(jié)論

        通過對試驗結(jié)果分析,得到以下結(jié)論:

        1)減水劑是影響拌合物擴(kuò)展度最敏感因素,通過平行試驗可以首先確定其最佳摻入比例,接著選取合理的砂率范圍,這樣會減少正交表因素,在小范圍內(nèi)選取最優(yōu)。

        2)粉煤灰用量比例是影響拌合物坍落擴(kuò)展度、T500、中邊差的最重要因素,而砂率是影響PA的最主要因素,礦粉對其拌合物的性能影響最不敏感。

        3)隨著粉煤灰用量比例增加,拌合物流動性呈現(xiàn)先增加后減弱的趨勢,但是間隙通過性逐漸增強(qiáng)。當(dāng)每立方米膠凝總量為407 kg時,隨著砂率增大,其流動與填充性變差,而砂率取值48.8%時,間隙通過性達(dá)到最好,最后驗證,粉煤灰及礦粉摻量均為18%,砂率為48.8%時,其綜合基本工作性能最優(yōu)。

        4)試驗過程中發(fā)現(xiàn)自密實混凝土基本性能對水泥的物理化學(xué)特性及存儲時間特別敏感,今后仍需深入探討。

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