張麗杰

（阜新恒澤建設(shè)工程有限公司，遼寧 阜新 123200）

在保證良好工作性能和自密實(shí)特性的情況下，河砂高強(qiáng)自密實(shí)砂漿抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到61.7MPa，一般適用于鋼筋密集區(qū)灌漿、預(yù)應(yīng)力空島和混凝土結(jié)構(gòu)加固等[1-2]。然而，受限于自然環(huán)境以及天然砂資源有限等諸多因素，選用機(jī)制砂替代天然砂勢(shì)必成為未來發(fā)展趨勢(shì)。

機(jī)制砂具有石粉含量高、表面粗糙、棱角尖銳等特點(diǎn)，在普通機(jī)制砂砂漿配制時(shí)存在易離析泌水、保水性差和需水量大等缺點(diǎn)[3]。通過復(fù)摻粉煤灰和硅灰可以提高砂漿強(qiáng)度，有效防止泌水的發(fā)生，并且復(fù)摻石灰石粉和礦渣配制的機(jī)制砂砂漿強(qiáng)度、保水性、稠度整體優(yōu)于復(fù)摻石灰石粉與粉煤灰砂漿[4-6]。機(jī)制砂石粉含量在一定程度上決定著高強(qiáng)機(jī)制砂砂漿用水量，并且對(duì)砂漿工作性能和早期力學(xué)性能也會(huì)造成較大影響，石粉含量超過5%時(shí)顯著影響著砂漿屈服應(yīng)力，使得砂漿塑性黏度大幅度提升[7-10]。目前，對(duì)于高強(qiáng)自密實(shí)砂漿的配合比設(shè)計(jì)《砌筑砂漿配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》尚未給出明確的計(jì)算公式，按設(shè)計(jì)規(guī)程配制的砂漿也無法滿足高強(qiáng)自密實(shí)的特性，對(duì)此仍有待深度研究。

本文在全計(jì)算方法和固體砂石體積法中引入γ1、γ2改進(jìn)用水量計(jì)算式，通過復(fù)摻硅灰和粉煤灰配制高強(qiáng)自密實(shí)砂漿，并進(jìn)一步研究該砂漿的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，以期為實(shí)際工程應(yīng)用提供一定技術(shù)支持。

1 砂漿配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：海螺P·O 42.5 級(jí)通用硅酸鹽水泥，主要性能參數(shù)見表1；膠凝材料：S95 高活性微礦粉和Ⅰ級(jí)粉煤灰，主要性能參數(shù)見表2；減水劑：蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高效減水劑，固含量45%，減水率28%；機(jī)制砂：花崗巖人工機(jī)制砂，主要性能參數(shù)見表3。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 膠凝材料性能指標(biāo)

表3 機(jī)制砂性能指標(biāo)

1.2 計(jì)算方法

目前，我國主要利用全計(jì)算方法和固體砂石體積法設(shè)計(jì)自密實(shí)混凝土配合比，也有學(xué)者綜合利用這兩種方法[9]。本文結(jié)合機(jī)制砂石粉含量高、密度大、表面粗糙等特點(diǎn)及配合比設(shè)計(jì)理念，通過多次調(diào)整高效減水劑和用水量摻量設(shè)計(jì)M40、M30、M20 高強(qiáng)自密實(shí)砂漿，并進(jìn)一步提出全定量配合比公式。

1.3 材料用量

1）機(jī)制砂用量。設(shè)β、ρ s為機(jī)制砂用量系數(shù)和表觀密度，結(jié)合砂質(zhì)量狀況β取0.41，利用公式Ms=β?ρs計(jì)算機(jī)制砂用量。

2）水膠比。設(shè)η、κ為礦物摻合料占膠凝材料的比例和膠凝系數(shù)，考慮礦物摻合料質(zhì)量κ取0.4，利用下式計(jì)算水膠比：

式中：Mw、Mb——用水量和膠凝材料用量。

3）用水量。根據(jù)全計(jì)算方法和用水量受機(jī)制砂石粉含量的影響特征，對(duì)用水量計(jì)算式引入γ1、γ2加以改進(jìn)，具體如下：

式中：Vs、Va——1m3砂漿中砂和水的體積；ρc、ρd——水泥和礦物摻合料的密度，kg/m3；μ——礦物摻合料百分比，%；γ1、γ2——修正系數(shù)，取值區(qū)間0.82～0.86、/0005～0.01，試驗(yàn)中γ1、γ2取0.86和0.005；Mf——粉煤灰用量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砂漿的工作性能

目前，主要有砂漿擴(kuò)展度筒和微縮V 型漏斗測試砂漿工作性能。根據(jù)《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》測試砂漿擴(kuò)展度（表4），探討高強(qiáng)自密實(shí)砂漿擴(kuò)展度受不同減水劑、粉煤灰摻量的影響，最優(yōu)配合比如表5 所示。

表4 砂漿擴(kuò)展度測試結(jié)果

表5 自密實(shí)砂漿最優(yōu)配合比 kg/m3

結(jié)果表明，減水劑摻量和水膠比相同情況下，機(jī)制砂砂漿擴(kuò)展度小于河砂砂漿，究其原因是顆粒圓潤、表面光滑的河砂提高了砂漿流動(dòng)度。對(duì)于砂漿的配制，由于機(jī)制砂石粉含量高、表面粗糙、密度較大很容易產(chǎn)生浮漿和流漿現(xiàn)象，為改善其保水性可以調(diào)整膠凝材料用量，一般粉煤灰摻量≤20%。膠凝材料用量越多則砂漿水膠比越小，相應(yīng)的流動(dòng)性越差，為改善自密實(shí)砂漿工作性能可以增大高效減水劑摻量，控制減水劑用量不宜超過0.5%～1.0%。

2.2 砂漿的力學(xué)性能

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》、《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)高強(qiáng)自密實(shí)砂漿試樣(70.7mm×70.7mm×70.7mm)進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)和抗壓試驗(yàn)，采用2000kN 數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)測試砂漿試樣的3d、7d、14d、28d 劈裂抗拉強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度；依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》對(duì)高強(qiáng)自密實(shí)砂漿試樣(40mm×40mm×160mm)進(jìn)行抗折試驗(yàn)，應(yīng)用DKZ-5000 型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)測定砂漿試樣的3d、7d、14d、28d 抗折強(qiáng)度，不同齡期砂漿力學(xué)性能，如圖1 所示。

圖1 不同齡期的砂漿力學(xué)性能

從圖1 可以看出，高強(qiáng)自密實(shí)砂漿中摻入硅粉可以使其3d、7d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到28d 的54.8%～61.0%和67.1%～74.3%，早期強(qiáng)度較高；28d 抗壓強(qiáng)度高出設(shè)計(jì)強(qiáng)度約10MPa，各組均符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。水膠比相同情況下，機(jī)制砂、河砂自密實(shí)砂漿的劈裂抗拉強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的1/14～1/12 和1/12～1/10，并且河砂自密實(shí)砂漿抗壓強(qiáng)度低于機(jī)制砂砂漿，機(jī)制砂高強(qiáng)自密實(shí)砂漿28d折壓比平均值0.22。

根據(jù)砂漿抗壓裂縫情況以及破壞形態(tài)，高強(qiáng)自密實(shí)砂漿中間部位受壓掉落，上下底面的完整性較好，具有良好的抗壓效果和塑性。依據(jù)砂漿劈裂抗拉情況，機(jī)制砂砂漿裂縫從下端不斷延伸到上端，總體呈曲線發(fā)展態(tài)勢(shì)；河砂砂漿裂縫從中部貫穿，整體呈直線發(fā)展態(tài)勢(shì)，破壞邊界相對(duì)平整。結(jié)合砂漿抗折破壞形態(tài)，機(jī)制砂砂漿裂縫豎直貫穿整個(gè)試樣，破壞斷面傾斜，而河砂砂漿斷裂比較整齊。

本試驗(yàn)選用的機(jī)制砂具有片狀較多、棱角尖銳、粒徑粗糙等特點(diǎn)，機(jī)制砂與水泥漿體間的嵌鎖效應(yīng)和機(jī)械咬合力較大，有效提高了漿體與細(xì)骨料的粘結(jié)性及砂漿的整體力學(xué)性能。其次，試驗(yàn)所用機(jī)制砂具有較高的石粉含量(7.0%)，石粉粒徑小于硅灰、粉煤灰及水泥，對(duì)漿體具有較好的填充作用，有利于提高結(jié)構(gòu)密實(shí)度和砂漿力學(xué)性能。機(jī)制砂自密實(shí)砂漿28d 劈裂抗拉、抗壓和抗折強(qiáng)度較河砂自密實(shí)砂漿提高了17.2%、9.2%、15.3%。因此，在保證工作性的情況下，本試驗(yàn)所涉及的全定量配合比計(jì)算式能夠滿足機(jī)制砂高強(qiáng)自密實(shí)砂漿力學(xué)性能要求。

2.3 砂漿的孔徑分布

本試驗(yàn)利用SEM 3100 掃描電子顯微鏡觀察不同倍數(shù)下的高強(qiáng)自密實(shí)砂漿試樣的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)砂漿孔結(jié)構(gòu)利用YG-97A 電容式壓汞儀進(jìn)行測試，結(jié)果如圖2。根據(jù)吳中偉對(duì)孔的分類成果和實(shí)測孔徑大小，將機(jī)制砂砂漿中的孔劃分成多害孔、有害孔、少害孔、無害孔，所對(duì)應(yīng)的孔徑大小 為≥200mm、100mm～200mm、20nm～100nm、＜20nm，

圖2 砂漿孔徑分布特征

結(jié)果顯示，M20、M30 強(qiáng)度等級(jí)機(jī)制砂砂漿中以多害孔(孔徑≥200mm)為主，多害孔占總孔隙率的80%和66%；M40 機(jī)制砂砂漿中以少害孔(孔徑～20～100nm)為主，少害孔、多害孔占總孔隙率的52%和32%。隨著膠凝材料用量的增多及機(jī)制砂砂漿強(qiáng)度的提高，水化物能夠有效填充砂漿中的多害孔，使得少害孔所占比例不斷減小，明顯提高砂漿密實(shí)度。此外，砂漿的力學(xué)性能與其內(nèi)部不同類型孔洞占比密切相關(guān)，即有害孔洞所占比例越高則砂漿力學(xué)性能越差。

2.4 砂漿的微觀結(jié)構(gòu)

將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 的砂漿試樣取出，經(jīng)抗壓試驗(yàn)后取表面中間平整薄片，制作成5mm×5mm 的試樣，經(jīng)干燥噴金處理后用于掃描電鏡觀測。壓汞試樣選用10mm×10mm 的薄片，干燥處理設(shè)備為恒溫烘箱。

高強(qiáng)自密實(shí)砂漿力學(xué)性能既受砂漿與水泥漿體界面過渡區(qū)性質(zhì)的影響，還與配合比直接相關(guān)，其中過渡界面區(qū)性質(zhì)主要取決于砂漿的微觀結(jié)構(gòu)特征。砂漿是由水化膠凝漿體和砂所組成的兩相微結(jié)構(gòu)，砂與膠凝材料的界面過渡區(qū)相對(duì)薄弱，而過渡區(qū)強(qiáng)度取決于微裂縫的數(shù)量、分布以及孔的尺寸和體積。在顯微鏡下觀察M20、M30、M40 砂漿試樣的微觀形貌，M20 機(jī)制砂砂漿的水化程度較低、水膠比較大且28d 水化產(chǎn)物C-S-H 膠凝量少，相比于M30、M40 砂漿其機(jī)制砂結(jié)合程度較低；同時(shí)，水化產(chǎn)物分布于部分粉煤灰表面，由此表明粉煤灰參與了二次水化，但反應(yīng)速度較慢。C30 砂漿水化產(chǎn)物存在比較明顯的較大孔洞，細(xì)微裂縫分布較多未能形成較好的整體，在一定程度上抑制了砂漿性能的改善和強(qiáng)度的提升。M30、M40 機(jī)制砂砂漿的細(xì)微裂縫分布較少，漿體更加密實(shí)，水化產(chǎn)物可以構(gòu)成比較連續(xù)的整體。具體而言，M40 水化程度較高所生成的C-S-H 凝膠較多，對(duì)砂漿孔隙的填充效應(yīng)比較明顯；摻入的硅灰具有填充漿體內(nèi)孔結(jié)構(gòu)的作用，可以提高集料與漿體的連接程度及漿體的微觀結(jié)構(gòu)致密程度。M20 機(jī)制砂砂漿孔隙較大，孔洞水化物相對(duì)較少未能很好的填充孔洞，砂漿內(nèi)部堆積物松散，整體密實(shí)度較低；M40 機(jī)制砂砂漿表面有大量薄板層狀六角Ca(OH)2和少量針狀鈣礬石，砂漿內(nèi)部孔洞較少，界面整體性和密實(shí)性良好。因此，砂漿劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度受水化物的形態(tài)分布及數(shù)量影響較大。

3 結(jié)論

1）文章以全計(jì)算方法和固定砂石體積法為依據(jù)，通過γ1、γ2改進(jìn)用水量計(jì)算公式。摻20%粉煤灰時(shí)機(jī)制砂砂漿具有良好的保水性，經(jīng)擴(kuò)展度試驗(yàn)確定最優(yōu)減水劑摻量，在此基礎(chǔ)上提出全定量配合比計(jì)算方法。

2）本研究所配制的砂漿3d、7d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到28d 的54.8%～61.0%和67.1%～74.3%，早期強(qiáng)度較高，28d 抗壓強(qiáng)度高出設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。水膠比相同情況下，機(jī)制砂自密實(shí)砂漿的劈裂抗拉強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的1/14～1/12，并且河砂自密實(shí)砂漿抗壓強(qiáng)度低于機(jī)制砂砂漿，機(jī)制砂自密實(shí)砂漿28d 劈裂抗拉、抗壓和抗折強(qiáng)度較河砂自密實(shí)砂漿提高了17.2%、9.2%、15.3%。

3）水膠比越大、水化程度越低則機(jī)制砂高強(qiáng)自密實(shí)砂漿中水化物整體性越差，內(nèi)部孔洞越多；水膠比越小則Ca(OH)2、C-S-H 凝膠填充孔洞的效果越好，所形成的整體越穩(wěn)定。所以，膠凝材料用量的越高越有利于填充水化物填充砂漿的有害孔洞，提高少害孔洞所占比例和砂漿的整體力學(xué)性能。