彭丙杰，羅小東，和德亮，吳濤，張奔

（成都建工賽利混凝土有限公司，四川 成都 610015）

0 引言

混凝土結構強度的現(xiàn)場檢測根據(jù)其原理不同，一般可分為有損檢測技術和無損檢測技術。其中，有損檢測技術雖然測試結果比較直觀可靠，但會對結構造成局部破壞，被測結構需進行相應修補，不利于混凝土構件后期的發(fā)展和維護[1-2]，因此，無損檢測作為一種非破壞性檢測方法，廣泛受到工程界的青睞。長期以來，快速、簡便、易操作的回彈法一直是許多地區(qū)混凝土質量檢驗與管理機構常用的檢測方法。但需要注意的是，回彈法的應用前提是結構表面狀態(tài)能夠代表結構整體狀態(tài)，而混凝土結構表面的狀態(tài)（強度與密實性）與內部可能有較大的不同。因為，混凝土強度是一個多要素的綜合指標，它與彈性、塑性、材料結構的非均質性、孔隙的量和孔的結構等一系列因素有關[3]。所以，在許多情況下，混凝土結構實際上存在外弱內強的現(xiàn)象，結構回彈測定強度的方法也就失去了其準確測定的基礎。

因此，如何提高混凝土表面狀態(tài)和內部狀態(tài)的一致性，或者說如何提高混凝土的均勻性，就顯得尤為重要。從混凝土的本構原理出發(fā)，砂顆粒較小，只要膠漿具有了一定的黏度，砂與膠漿很容易達到均勻，但砂漿與碎石的均勻性就較難控制。因為，現(xiàn)多數(shù)混凝土需泵送，要求碎石在混凝土中處于懸浮狀態(tài)，這樣，就由于碎石密度、粒型等因素造成大顆粒碎石中心質的不均勻分布，若混凝土施工再不規(guī)范，更加促使混凝土的不均勻性。通過分析，利用增加骨料的骨架密實度，減小骨料間距，降低骨料空隙率，減少膠漿用量，可有效改善混凝土的骨架效應，增加混凝土宏觀中心質的均勻性，從而保證混凝土的表面和內部狀態(tài)趨于一致。本文即基于此原理，進行混凝土配合比設計，突出混凝土骨架效應，進一步提升回彈值與實體強度的關聯(lián)性，增強回彈值的實際意義。

1 試驗原材料及方法

1.1 原材料

（1）水泥：試驗采用四川亞東水泥廠有限公司P·O42.5R 水泥，具體性能見表 1。

表1 水泥物理指標

（2）粗骨料：粗骨料選用成都周邊的 5～31.5mm連續(xù)級配碎石，5～10mm（小石）、10～16mm（中石）和 16～ 31.5mm（大石）三級配，搭配比例為：小石 : 中石 : 大石 = 2:3:5，具體性能見表 2。

表2 碎石物理指標 %

（3）細骨料：細骨料采用兩種砂，產于成都周邊，具體性能見表 3。

表3 砂物理指標

（4）摻合料：礦粉選用四川雙實建筑有限公司生產的 S75 級，粉煤灰選用四川濟鵬公司生產的Ⅰ級粉煤灰，具體性能見表 4。

表4 摻合料物理指標

（5）減水劑：采用石家莊長安育才有限公司生產高性能聚羧酸減水劑，固含量 16.6%，減水率 27.9%。

1.2 試驗方法

通過測試粗骨料和細骨料的空隙率，測得空隙率最小的搭配比例，同時，保持水膠比和容重不變，降低膠材用量。在滿足工作性和強度要求的前提下，依據(jù) GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能》規(guī)定的快速碳化試驗方法進行碳化試驗，同時，進行同齡期試件的自然養(yǎng)護、自然碳化，并在完成碳化試驗后，進行同齡期的回彈試驗。

快速碳化試驗采用 150mm×150mm×150mm 的立方體試件，三塊為一組，成型 1d 后拆模，將試塊按規(guī)定要求養(yǎng)護、烘干、密封。達到 28d 齡期后，將試件置于 CO2濃度為 (20±3)%、相對濕度為 (70±5)%、溫度為 (20±2)℃ 的碳化箱內進行快速碳化試驗。達到預定碳化時間（3d、7d、28d）后取出試件，劈裂，用濃度1% 的酚酞指示劑滴于劈裂面，待顏色穩(wěn)定后，從測試面邊緣至未碳化區(qū)邊界沿邊長每隔 10mm 測量一次碳化深度值，并以其平均值作為該混凝土試件的碳化深度。

自然碳化試驗采用 150mm×150mm×150mm 的立方體試件，三塊為一組，成型 1d 后拆模，將試塊至于露天環(huán)境下，并使試塊間的距離大于 50cm，保證除底面外的其他面與空氣充分接觸。到齡期后取回試件，將試件在壓力試驗機上從中間劈裂，將要測量的試件斷面上的粉末刷去，用濃度 1% 的酚酞指示劑滴于劈裂面，待顏色穩(wěn)定后，從測試面邊緣至未碳化區(qū)邊界沿邊長每隔 10mm 測量一次碳化深度值，并以其平均值作為該混凝土試件的碳化深度。

回彈試驗參照 JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》進行。

2 試驗結果與分析

2.1 粗骨料骨架效應對混凝土強度和工作性的影響

基于混凝土骨架效應，通過對連續(xù)級配骨料進行篩分，制得三級配骨料，并按照丁格爾公式進行級配設計和緊密堆積試驗，測得三級配骨料使用比例為小石 : 中石 : 大石=2:3:5，同時，由于骨料空隙率的降低，減少了膠漿用量，以降低漿膜層厚度。通過 36 批混凝土調整試驗，優(yōu)選 DM17 和 DM20 兩組連續(xù)級配碎石配合比，作為 C30、C40 基準配合比，優(yōu)選 DM18、DM19和 DM21、DM22 為 C30、C40 三級配碎石混凝土配合比作為對比試驗配合比，具體見表 5。

表5 C30、C40 配合比

由以上配合比拌制混凝土，混凝土工作性能見表 6和圖 1，力學性能見表 7 和圖 2。

由表 6、表 7 和圖 1、圖 2 可見，采用三級配碎石，降低空隙率，降低膠漿量后，與連續(xù)級配碎石混凝土相比，C30、C40 混凝土拌合物擴展度先增大后降低，但變化幅度較小，倒提流速均逐漸變大，C30 未超過 10s，C40 未超過 8s，混凝土和易性良好，均滿足泵送要求。從強度數(shù)據(jù)來看，DM18、DM19、DM21 和DM22 保持水膠比和容重不變，降低 26kg 和 30kg 膠材，與相應基準連續(xù)級配碎石混凝土DM17 和 DM20 相比，無論是標準養(yǎng)護，還是自然養(yǎng)護，均有小幅度的提升，說明混凝土粗骨料的骨架效應對強度貢獻較明顯。

圖2 骨架效應對混凝土抗壓強度的影響

表7 混凝土抗壓強度

圖1 骨架效應對混凝土狀態(tài)的影響

表6 混凝土拌和物擴展度和倒提流速

混凝土的強度來源于三個方面：骨料的搭砌結構及堆積密實度、漿體的強度和界面強度。當水膠比和摻合料摻量不變時，則混凝土內漿體的強度基本保持不變。同時，水膠比和摻合料摻量不變時，降低總膠漿量，界面性質基本不變，但界面厚度變小，微缺陷的數(shù)量減少，這對提高界面黏結強度有利[4]。對于 C30 和 C40 等級的混凝土，界面過渡區(qū)影響不大，那么，混凝土強度的提高，則大部分由骨料的骨架效應所貢獻。因此，骨料達到緊密堆積時，空隙率降低，較小的膠漿量亦可以提高混凝土強度[5]。同時，DM18 較 DM19 摻合料摻量高，DM21 較 DM22 摻合料摻量高，但對應二者強度相差不大，更進一步說明突出骨架效應設計的配合比，膠材體系對強度的影響要小于骨料骨架效應的影響。

2.2 粗骨料骨架效應對碳化深度的影響

以 DM17～DM22 配合比拌制混凝土，保持初始狀態(tài)一致，分別進行標準養(yǎng)護和自然養(yǎng)護試件成型。標準養(yǎng)護試件碳化試驗按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能》中快速碳化試驗規(guī)定進行，養(yǎng)護至 28d 分別測定 3d、7d 和 28d 碳化深度。自養(yǎng)養(yǎng)護試件分別測定與標準養(yǎng)護試件快速碳化試驗同齡期的自然碳化深度。具體數(shù)據(jù)，見表 8、表 9 和圖 3、圖 4。

圖4 自然養(yǎng)護試件自然碳化深度

表8 標準養(yǎng)護后快速碳化試驗結果 mm

表9 自然養(yǎng)護后自然碳化試驗結果 mm

圖3 標準養(yǎng)護試件快速碳化深度

由表 8 和圖 3 可見，C30 混凝土 DM18 和 DM19 采用三級配碎石，降低膠漿量后，與 DM17 相比，快速碳化 3d、7d 和 28d，碳化深度均降低。DM17 快速碳化3d 和 7d 時，碳化深度相近，且較 DM18 和 DM19 大，DM18 和 DM19 在 7d 時碳化深度較 3d 時大較多。C40混凝土 DM21 和 DM22 采用三級配碎石，降低膠漿量后，與 DM20 相比，快速碳化 3d、7d 和 28d，碳化深度亦降低，但降低幅度較小。

由表 9 和圖 4 可見，自然養(yǎng)護試件自然碳化，C30混凝土 DM18 和 DM19 采用三級配碎石，降低膠漿量后，與 DM17 相比，自然碳化 3d、7d 和 28d，碳化深度均降低。C40 混凝土 DM21 和 DM22 采用三級配碎石，降低膠漿量后，與 DM20 相比，自然碳化 3d、7d和 28d，碳化深度亦降低，但降低幅度較小。同一配合比，3d 和 7d 碳化深度相當，28d 碳化深度較大。

影響混凝土碳化的因素有三個：一是有 CO2存在，并且能夠由混凝土表面擴散到混凝土內部，二是有水的存在，三是存在可游離的鈣源。同時，影響碳化的因素還可以細化為 CO2擴散速度、反應速度，以及是否出現(xiàn)“假碳化”等現(xiàn)象。因為，判斷碳化深度的依據(jù)是利用酚酞溶液進行斷面潤濕，不變色的深度即為碳化深度，但不變色，并不意味著一定都由碳化造成，也可能是由于粉煤灰和礦粉的加入，通過二次水化反應消耗了部分鈣源。所以，DM19 較 DM18 粉煤灰和礦粉摻量低，DM22 較 DM21 粉煤灰和礦粉摻量低，這也是造成DM19 較 DM18、DM22 較 DM21 碳化深度小的部分原因。

有研究表明[6]，當相對濕度位于 55%～70% 范圍內，溫度較高時，有利于 CO2的擴散、滲透和發(fā)生碳化反應，會增大混凝土的碳化深度。按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能》中規(guī)定的快速碳化方法進行試驗，CO2濃度相對較高，溫度相對自然養(yǎng)護亦高（試驗在冬季進行），因此，同一配合比混凝土在兩種碳化條件下，快速碳化試驗碳化深度較大，這和圖 3、圖 4 的對比規(guī)律相同。同時，不同配合比在相同養(yǎng)護和碳化條件下，進行同條件對比，碳化深度均是隨著膠漿量和砂率的降低而減小。采用三級配碎石后，經過緊密堆積搭配，空隙率較連續(xù)級配碎石降低7.4%，DM18 和 DM19 與 DM17 相比，水膠比和容重不變，降低膠材 26kg，降低砂率 1%，碎石用量提高，提高了混凝土的密實度，減小了骨料與骨料之間的距離。同時，混凝土側面的砂漿層變薄，CO2和水份的擴散路徑由于碎石的阻礙而變得曲折，擴散速度會減慢，這是造成碳化深度減小的主要原因。同理，C40 混凝土的三個配合比存在同樣的規(guī)律。可見，混凝土骨料的骨架搭建的越緊密，碳化路徑會越曲折，抗碳化性越強。但為了保證混凝土的可泵行，需保留必要的漿體使骨料處于懸浮狀態(tài)。

2.3 粗骨料骨架效應對回彈值的影響

前文 DM17～DM22 碳化試件，完成碳化試驗后，進行回彈強度測試，具體數(shù)據(jù)見表 10、表 11 和圖 5、圖 6。

表10 標準養(yǎng)護后快速碳化回彈值

圖5 標準養(yǎng)護后快速碳化回彈值

由表 10 和圖 5 可見，同一齡期，DM18 和 DM19回彈值均較 DM17 逐漸增大，DM21 和 DM22 回彈值均較 DM20 大，DM21 和 DM22 回彈值基本相當，DM17和 DM22 混凝土出現(xiàn) 7d 回彈值低于 3d 回彈值，可能是試驗誤差造成。各配合比 3d 和 7d 回彈值相差不大，且均低于 28d 回彈值。

由表 11 和圖 6 可見，同一齡期，DM18 和 DM19回彈值均較 DM17 逐漸增大，DM21 和 DM22 回彈值均較 DM20 大。各配合比相應 3d 和 7d 回彈值相當，但DM21 出現(xiàn) 3d 回彈值大于 7d 回彈值，可能是由于試驗誤差造成。

圖6 自然養(yǎng)護后自然碳化回彈值

表11 自然養(yǎng)護后自然碳化回彈值

回彈強度是利用混凝土的表面硬度、碳化深度和混凝土強度之間建立聯(lián)系，通過回彈值和碳化深度來推斷混凝土的抗壓強度。實際上，這是一種數(shù)學統(tǒng)計方法，但硬度和強度并不存在必然聯(lián)系，因此，回彈強度必然存在一定的誤差?；诨貜椀脑磉M行分析，回彈是一種能量轉化的過程，其中一部分動能被混凝土構件吸收耗散，另一部分動能則以應力波的形式轉化為混凝土構件的彈性勢能[7]。混凝土吸收的這部分動能是提高回彈值的關鍵，其主要體現(xiàn)在混凝土的變形上。也就是說，混凝土彈性模量越大，尤其是表層一定深度范圍內，彈性模量越大，則回彈值越高。

筆者基于混凝土的骨架效應，采用三級配碎石，降低骨料空隙率，減少膠漿用量，降低砂率，提高粗骨料含量，降低骨料的包漿厚度和粗骨料的間距，來實現(xiàn)提高混凝土整體和表面層彈性模量的目的，從而，提高回彈值。DM18 和 DM19 與 DM17 相比，膠材降低26kg，保持水膠比和容重不變，變相地提高了骨料的含量，促使彈性模量提高[8]，從而，提高回彈值。同時，降低膠漿量后，混凝土界面過渡區(qū)變薄，減少了過渡區(qū)中微裂紋的數(shù)量，則混凝土總的孔隙率得到降低，混凝土的彈性模量得到提高[8-9]，從而，回彈值增大，這也是 DM18 和 DM19 較 DM17 回彈值高的一個原因。同理，DM21 和 DM22 回彈值均較 DM20 大。

粉煤灰和礦粉的摻加會降低混凝土的表層硬度和回彈值[10]。DM19 較 DM18 摻合料摻量較低，但兩者的回彈值變化不大，這是由于降低膠漿后，骨料的漿體包裹層變薄，回彈儀彈擊混凝土表面時，其變形受骨料阻礙較大，能量損失較小，也就是表層彈性模量變大，說明提高混凝土骨料用量，降低骨料的包漿厚度，可有效提高混凝土的回彈值，此時，粉煤灰和礦粉對回彈值的劣化影響不再明顯。同理，DM21 和 DM22 回彈值相差較小，且較 DM20 較大。

混凝土的彈性模量由三部分組成，骨料彈量、過渡層彈性模量和砂漿彈性模量。其中，骨料的彈性模量遠大于砂漿和過渡層彈性模量，當骨料骨架搭砌密實度提高時，會有效降低膠漿需求量，從而弱化砂漿對混凝土整體彈性模量的影響，提高混凝土的整體彈性模量和回彈值，突出混凝土的骨架效應。從局部來分析，同一配合比，混凝土表層砂漿層越厚，其表面一定深度范圍彈性模量越接近砂漿彈性模量。反之，表面砂漿層越薄，其表面一定深度范圍彈性模量越接近骨料彈性模量，這也是 DM18 和 DM19 較 DM17、DM21 和 DM22 較DM20 回彈值高的一部分原因。

同時，結合圖 5、圖 6 可知，標準養(yǎng)護試件，其強度穩(wěn)步增長，水化補給更充分，結構更密實，所以，其回彈值遠高于自然養(yǎng)護試件的回彈值，說明實際工程中，對混凝土結構進行一定齡期的保濕養(yǎng)護，非常有必要。

3 結論

（1）基于混凝土骨架搭砌設計，采用三級配碎石，降低骨料空隙率，保持水膠比和容重不變，DM18和 DM19 較 DM17 相比，膠材降低 26kg，砂率降低1%，DM21 和 DM22 較 DM20 相比，膠材降低 30kg，砂率降低 3%，和易性相當，而混凝土強度會有小幅度的提高，混凝土骨架效應明顯。

（2）保持水膠比和容重不變，采用三級配碎石，降低骨料空隙率，降低膠材后，混凝土中骨料間距減小，骨料會阻礙碳化路徑，碳化深度會減小。由于濕度、CO2濃度和溫度的影響，自然養(yǎng)護自然碳化深度遠低于標準養(yǎng)護快速碳化深度。

（3）骨架效應對混凝土回彈值影響較大，采用三級配碎石，降低骨料空隙率，保持水膠比和容重不變，減少膠材用量后，DM18 和 DM19 較 DM17 相比，DM21 和 DM22 較 DM20 相比，骨料間距減小，骨料包漿層變薄，回彈值均得到有效提升。

（4）通過采用三級配碎石，優(yōu)化骨料堆積密實性，C30 降低 26kg 膠材，C40 降低 30kg 膠材，可保證強度、和易性與基準相當，并且提高混凝土回彈值，降低混凝土碳化深度，經濟效益顯著。