劉平 方小婉 何飛亮 婁宗科

摘 要：基于骨料堆積與漿體填充包裹模型，計算在不同水膠比及漿骨比條件下的漿體包裹層厚度，探究漿體包裹層厚度對自密實混凝土工作性能的影響。結果表明：漿體包裹層厚度存在最佳值，在一定范圍內(nèi)，隨著漿體包裹層厚度的增加，自密實混凝土的坍落擴展度逐漸增大，拌和物流動至直徑為500 mm時所用的時間T500逐漸減小，鋼筋間隙通過能力提高，拌和物的流動性得到顯著改善;當漿體包裹層厚度過大時，拌和物出現(xiàn)離析，工作性能反而變差。通過建立坍落擴展度隨漿骨比變化的定量關系式，能夠確定滿足工作性能要求的漿骨比，進而降低自密實混凝土中膠凝材料的用量。

關鍵詞：自密實混凝土;漿骨比;漿體包裹層厚度;工作性能

中圖分類號：TU528.01 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.027

引用格式：劉平，方小婉，何飛亮，等.漿體包裹層厚度對自密實混凝土性能的影響[J].人民黃河，2021，43（8）：148-151，158.

Abstract： Based on the model of aggregate stacked and slurry filled and wrapped，the effect of paste thickness on coated aggregates on workability of self-compacting concrete was investigated under different conditions of water-binder ratio and paste-aggregate ratio. The results show that there is an optimum value for the paste thickness on coated aggregates. In a certain range， with the increase of the paste thickness on coated aggregates， the slump flow and passing ability of self-compacting concrete increase gradually and the time of T500 decreases gradually， thus improving the flow ability significantly. When the paste thickness on coated aggregates is too large， the mixture appears segregation and workability is worse. By establishing a quantitative relation between slump flow and paste-aggregate ratio， the paste-aggregate ratio can be determined to meet the requirement of workability， so as to reduce the amount of cementitious material of self-compacting concrete.

Key words： self-compacting concrete; paste-aggregate ratio; paste thickness on coated aggregates; workability

自密實混凝土以大流動性為突出特點，是一種在澆筑過程中無須振搗，能夠僅依靠自重作用自由流淌，穿過鋼筋間隙，均勻密實填充模板或結構內(nèi)部的每個角落，硬化后具有良好力學性能和耐久性能的混凝土[1-2]。與同等強度的普通混凝土相比，自密實混凝土中膠凝材料用量較大，因而水泥漿體填充骨料堆積所形成的空隙后，用于包裹骨料的漿體層厚度也相對較大。相關研究[3-5]表明，漿體包裹層厚度對混凝土的流動性能、力學性能和耐久性能均有很大影響。趙洪等[6]發(fā)現(xiàn)隨著漿體包裹層厚度的增大，多孔混凝土的抗壓強度和透水系數(shù)均會增大。焦登武等[7]發(fā)現(xiàn)隨著漿體包裹層厚度的增大，新拌混凝土的屈服應力、塑性黏度和靜態(tài)屈服應力均逐漸降低。Sun等[8]發(fā)現(xiàn)隨著漿體包裹層厚度的增大，混凝土的抗壓強度增大，電阻率減小。張建智等[9]發(fā)現(xiàn)漿體包裹層厚度越大，混凝土早期抗壓強度越高，但齡期達到56 d后，漿體包裹層厚度越小，混凝土的抗壓強度越大。黃凱健等[10]提出基于粗骨料包裹層厚度的新型配合比設計方法，采用該方法配制的生態(tài)混凝土試件的實際孔隙率與目標孔隙率的誤差較小，強度和工作性能均較好。然而，關于漿體包裹層厚度對自密實混凝土工作性能影響的定量研究較少。本文研究了在不同水膠比及漿骨比條件下的漿體包裹層厚度對自密實混凝土工作性能的影響，并基于漿骨比與坍落擴展度之間的定量關系，確定滿足一定工作性能要求的合理漿骨比。

1 基于富余漿體理論的漿體包裹層厚度計算

依據(jù)富余漿體理論[11]，在新拌自密實混凝土中，可以將骨料看作被分散相，水泥漿體看作分散相，細骨料填充粗骨料之間的空隙，水泥漿體填充細骨料之間的空隙。新拌自密實混凝土中的水泥漿體按用途不同可分為兩類：一類水泥漿體用于填充骨料顆粒自然堆積所形成的基本骨架的空隙，使骨料與水泥漿體混合形成多相分散流體;另一類水泥漿體用于包裹骨料顆粒表面，使骨料骨架結構被撐開，減小骨料顆粒之間的摩擦阻力與咬合互鎖作用，進而提高流動性。據(jù)此建立的骨料堆積與漿體填充包裹模型，假設：①骨料表面漿體包裹層厚度均勻，且遠小于骨料顆粒粒徑;②填充骨料空隙的漿體體積近似等于填充前骨料骨架的空隙體積。

對于單方新拌自密實混凝土而言，存在如下關系：

聯(lián)立式（1）～式（5）可得出漿體包裹層厚度的計算公式：

將骨料顆粒假設為球體顆粒，可估算粗、細骨料的比表面積[12]：

根據(jù)式（7）和式（8）可算出粗、細骨料的比表面積分別為0.25、4.35 m2/kg。由式（6）可知，漿體包裹層厚度由漿骨比、砂率及骨料的基本性質（表觀密度、堆積密度、級配、形狀特征等）共同決定。水膠比是影響漿體流動性能的關鍵因素，因此本試驗在保持砂率和骨料基本性質不變的前提下，以水膠比和漿骨比作為自變量進行試驗，探究漿體包裹層厚度對自密實混凝土工作性能的影響。

2 試驗概況

2.1 原材料

水泥選用陜西省扶風縣冀東海德堡水泥有限公司生產(chǎn)的冀東牌P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，密度為3 100 kg/m3，細度為4.2%，標準稠度用水量為25.6%，安定性合格，初凝時間為208 min，終凝時間為275 min，3 d抗壓強度為24.2 MPa，28 d抗壓強度為54.5 MPa。粉煤灰采用鞏義市恒諾濾料有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，密度為2 150 kg/m3，細度為18.4%，含水率為0.3%，燒失量為3.4%，需水量比為98%;細骨料采用渭河河砂，細度模數(shù)為2.92，表觀密度為2 610 kg/m3，堆積密度為1 560 kg/m3，含泥量為1.76%，顆粒級配見表1。粗骨料采用渭河卵石，粒徑為4.75～19.00 mm，表觀密度為2 670 kg/m3，堆積密度為1 660 kg/m3，含泥量為0.3%，顆粒級配見表2。水采用普通自來水。外加劑采用上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的高效減水劑，建議摻量為0.15%～0.40%。

2.2 配合比設計

采用體積法進行自密實混凝土的配合比設計。在骨料顆粒級配、砂率、減水劑摻量等不變的前提下，通過改變水膠比及漿骨比來改變漿體包裹層厚度，研究自密實混凝土的工作性能與漿體包裹層厚度之間的關系。配合比設計見表3，表中漿骨比為水泥漿體的體積與粗、細骨料總體積的比值。

2.3 試驗方法

（1）填充性能試驗。按照《自密實混凝土應用技術規(guī)程》（JGJT 283—2012）進行試驗。測量混凝土拌和物的坍落擴展度以及拌和物流動至直徑為500 mm 時所用的時間T500。

（2）間隙通過性能試驗。將L型流動儀水平放在地面上，潤濕儀器內(nèi)部表面，清除多余的水，關閉活動門，將混凝土填充滿L型流動儀前槽，靜置1 min后，迅速提起活動門，使混凝土拌和物穿過鋼筋間隙，流進儀器水平部分，待混凝土拌和物停止流動后，測量并記錄儀器水平部分末端混凝土高度H2和儀器前槽剩余混凝土高度H1。H2/H1越大，則拌和物間隙通過性能越強。

（3）抗離析性能試驗。試驗采用孔徑為5 mm的方孔篩和一個容量大于10 L的盛料器，將混凝土拌和物一次性倒入盛料器中，靜置15 min后，將筒提至離方孔篩500 mm高處，倒入方孔篩中大約5 kg混凝土，靜置2 min后測量通過篩孔的混凝土質量，所得的比值即為離析系數(shù)GTM，該值反映拌和物的抗離析性能，GTM越大，抗離析性能越差。

3 試驗結果分析

3.1 漿體包裹層厚度對自密實混凝土工作性能的影響

不同水膠比（W/C）條件下，漿體包裹層厚度對自密實混凝土工作性能的影響見圖1。由圖1可以看出，當水膠比為0.36時，隨著漿體包裹層厚度的增大，自密實混凝土拌和物的坍落擴展度先明顯增大，在漿體包裹層厚度較大時，坍落擴展度逐漸趨于穩(wěn)定;T500流動時間從6.61 s逐漸減小到2.52 s，混凝土拌和物的流動速度明顯增大;拌和物鋼筋間隙通過能力先逐漸升高而后降低;拌和物抗離析能力逐漸降低，當漿體包裹層厚度達到65.16 μm時，拌和物離析較為嚴重，此時均質性較差，顯然漿體包裹層厚度存在最佳值。當水膠比為0.38時，工作性能隨漿體包裹層厚度變化的規(guī)律與水膠比為0.36時類似，但坍落擴展度、間隙通過能力、抗離析性能比水膠比為0.36的大，流動速度比水膠比為0.36的小。當漿體包裹層厚度相同時，水膠比越大，自密實混凝土拌和物的工作性能相對越好，原因是隨著水膠比的增大，拌和物用水量相對增大，水泥漿體黏度減小，從而導致混凝土拌和物流動過程中的阻力作用減小，因此工作性能得到改善。

在一定范圍內(nèi)，隨著漿體包裹層厚度的增大，混凝土拌和物中漿體含量越多而骨料用量越少，一方面起潤滑骨料表面作用的漿體數(shù)量增大，骨料與漿體接觸面積減小，拌和物流動過程中骨料相互碰撞的概率降低，骨料顆粒之間的摩擦阻力變小，導致混凝土拌和物的屈服應力降低;另一方面漿體包裹層厚度的增大降低了混凝土拌和物中砂漿的黏度，導致混凝土拌和物的塑性黏度減小，從而降低拌和物流動過程中的黏滯阻力，因此工作性能得到改善。然而當漿體包裹層厚度超過某一數(shù)值時，砂漿的黏度過小，使得砂漿對粗骨料的裹挾作用降低，減弱了漿體對骨料沉降的阻礙作用，導致混凝土拌和物在流動過程中骨料與漿體分離，從而造成拌和物的均質性及間隙通過性降低，因此工作性能變差。

3.2 基于漿體包裹層厚度的漿骨比優(yōu)化

自密實混凝土的工作性能主要用坍落擴展度來評價。將水膠比為0.36的漿體包裹層厚度Hp與坍落擴展度y進行二次曲線擬合（見圖2），所得的方程式為

y=-0.032 3Hp2+6.727 1Hp+372.08（9）

擬合曲線方程的決定系數(shù)R2=0.986，說明漿體包裹層厚度與坍落擴展度之間的曲線擬合程度較好。自密實混凝土要求在保證坍落擴展度較大的同時具有一定的黏聚性，根據(jù)拌和物工作性能隨漿體包裹層厚度變化所表現(xiàn)出的差異性，由圖2可以看出漿體包裹層厚度變化可分為3個階段：①漿體包裹層厚度過小階段，漿骨比較小，則造成粗骨料的摩擦阻力和咬合互鎖作用較大，從而導致坍落擴展度小于550 mm，不滿足自密實混凝土拌和物對填充性的要求;②漿體包裹層厚度適中階段，一方面降低了粗骨料之間碰撞的概率，減小了粗骨料顆粒的摩擦阻力與咬合互鎖作用，另一方面減小了混凝土中砂漿的黏聚性，造成拌和物流動過程中黏滯阻力減小，從而導致坍落擴展度逐漸增大，本試驗條件下此階段坍落擴展度為550～660 mm，未出現(xiàn)離析現(xiàn)象，工作性能較好;③漿體包裹層厚度過大階段，拌和物中砂漿的黏聚性過小，使得砂漿對粗骨料顆粒的裹挾作用降低，減弱了漿體對骨料沉降的阻礙作用，導致混凝土內(nèi)部骨料顆粒的懸浮平衡狀態(tài)被打破，此階段混凝土拌和物雖然坍落擴展度很大，但離析系數(shù)GTM值大于0.15，出現(xiàn)離析現(xiàn)象，工作性能變差。

根據(jù)漿體包裹層厚度與漿骨比之間的關系式（式（6））以及漿體包裹層厚度與坍落擴展度之間的關系式（式（9）），可得漿骨比x與坍落擴展度y之間的關系式：

y=-982.75x2+1 857.43x-155.31（10）

在膠凝材料組成、水膠比、減水劑摻量、砂率、骨料的基本性質（表觀密度、堆積密度、級配、形狀特征等）不變的前提下，可根據(jù)式（10）來確定合理的漿骨比，進而確定自密實混凝土中各組成材料的用量。為證明該方法的可行性，采用實例進行驗證。假設要配制水膠比為0.36、坍落擴展度為590 mm的自密實混凝土，可由式（10）求出漿骨比x=0.578或x=1.312，因漿骨比小于1，故取x=0.578，代入式（3）求出水泥漿體和骨料總體積分別為Vp=0.366 3 m3、Va=0.633 7 m3，再由式（4）求出粗、細骨料的質量。漿體中各組分的體積關系式為

式中：mc為水泥的質量;ρc為水泥的密度;mf為粉煤灰的質量;ρf為粉煤灰的密度;mw為水的質量;ρw為水的密度;α為混凝土的含氣量百分數(shù)，在不使用引氣型外加劑時，α可取1。

根據(jù)水膠比、粉煤灰摻量及式（11）即可求出水泥漿體中水泥、粉煤灰、水的質量，從而得到混凝土中各組成材料的用量（見表4）。測得該配合比下混凝土的坍落擴展度為595 mm，與坍落擴展度的目標值僅相差5 mm，證明該方法具有較高的準確性。

由上述基于漿體包裹層厚度的漿骨比優(yōu)化方法可知，雖然在不同的水膠比和漿骨比條件下的漿體包裹層厚度范圍不同，但坍落擴展度隨漿體包裹層厚度的變化趨勢是一致的。在制備自密實混凝土時，可以根據(jù)實際工程對混凝土工作性能、力學性能的要求，確定混凝土的水膠比，再通過建立該水膠比下漿體包裹層厚度與坍落擴展度的關系曲線，求出二次擬合函數(shù)表達式。根據(jù)坍落擴展度的要求，即可求出漿體包裹層厚度，進而可以得到對應的漿骨比，該漿骨比是滿足工作性能及力學性能要求的較小值，故能夠減小單方混凝土中膠凝材料的用量，降低工程造價，提高混凝土的體積穩(wěn)定性，并有利于增強混凝土的耐久性。

4 結 語

漿體包裹層厚度對自密實混凝土的工作性能有顯著影響。在一定范圍內(nèi)，隨著漿體包裹層厚度的增大，自密實混凝土拌和物的流動性先明顯增大，隨后逐漸趨于穩(wěn)定;當漿體包裹層厚度超過某一數(shù)值時，雖然拌和物的坍落擴展度較大，但離析現(xiàn)象較為嚴重，鋼筋間隙通過能力降低，工作性能變差，因此漿體包裹層厚度存在最佳值。在漿體包裹層厚度相同的條件下，水膠比越大，自密實混凝土的工作性能相對越好。

在膠凝材料組成、水膠比、減水劑摻量、砂率、骨料的基本性質（表觀密度、堆積密度、級配、形狀特征等）不變的前提下，通過建立坍落擴展度隨漿骨比變化的定量關系式，能夠確定滿足工作性能要求的合理漿骨比，從而能夠有針對性地降低自密實混凝土中膠凝材料的用量。對實際工程中原材料來源相同但工作性能要求不同的自密實混凝土來說，該方法簡單易行，可減少膠凝材料的用量，降低工程造價，提高混凝土的體積穩(wěn)定性，有利于增強混凝土的耐久性。

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【責任編輯 張華興】