自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)及相關(guān)性能研究

樓 瑛 吳文達(dá)

(1. 福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院， 福州 350108； 2. 福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福州 350108)

自密實(shí)混凝土是指依靠自身重力作用而不需要振搗即可均勻、密實(shí)地填充模板和包裹鋼筋的混凝土。與需要振搗的普通混凝土相比，工程施工中對(duì)自密實(shí)混凝土的工作性能提出了更高的要求[1-2]。因此，在設(shè)計(jì)自密實(shí)混凝土的配合比時(shí)既要注重強(qiáng)度，又要考慮混凝土的工作性能。相比普通混凝土，自密實(shí)混凝土在配合比上一般具有膠凝材料用量大、粗細(xì)骨料比例小、水膠比小、減水劑和礦物細(xì)摻料用量大等特點(diǎn)。為了配制出強(qiáng)度高且工作性能好的自密實(shí)混凝土，我們通過實(shí)驗(yàn)，分析了粉煤灰單摻量、粉煤灰和礦渣復(fù)摻量、水膠比和膠結(jié)料用量等參數(shù)的組合變化，對(duì)自密實(shí)混凝土的工作性能和力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料選擇

制作試件所用的水泥，為福建省順昌水泥廠生產(chǎn)的煉石牌42.5普通硅酸鹽水泥，其表觀密度為3 100 kg/m3。所用的粉煤灰，為華能福州電廠生產(chǎn)的華能Ⅰ級(jí)粉煤灰，比表面積為2 600 m2/kg，表觀密度為2 200 kg/m3。所用的礦渣，為福建省中聯(lián)建材微粉有限公司生產(chǎn)的?；郀t礦渣，比表面積為4 143 cm2/g，表觀密度為2 940 kg/m3。外加劑，采用萘系UNF-5型粉末狀高效減水劑，減水率為20%～25%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

自密實(shí)混凝土的骨料含量較少，常用砂率較普通混凝土稍大，水膠比較低，并且在制備過程中往往使用礦物細(xì)摻料。本次研究，選擇養(yǎng)護(hù)齡期、骨料含量及粗細(xì)骨料比率、水膠比、礦渣及粉煤灰摻量作為主要參數(shù)。按不同的配合比，設(shè)計(jì)制作了15組混凝土試件(見表1)。

表1 自密實(shí)混凝土試件的配合比

試件S1、S2、S3、S4，粉煤灰摻量占膠結(jié)材料的質(zhì)量百分比分別為0、18%、36%和54%；其他材料配比相同。主要測(cè)試分析粉煤灰對(duì)自密實(shí)混凝土強(qiáng)度和工作性能的影響。

試件S5，以S4為基準(zhǔn)，以等量的礦渣代替部分粉煤灰。測(cè)試分析粉煤灰單摻和礦渣與粉煤灰復(fù)摻對(duì)混凝土強(qiáng)度和工作性能的影響。

試件S6、S7、S8、S9，水泥用量、膠結(jié)料總量、水膠比和砂率一定，粉煤灰與礦渣復(fù)摻比例分別為4 ∶1、3 ∶2、2 ∶3和1 ∶4。測(cè)試分析不同復(fù)摻比例對(duì)混凝土強(qiáng)度和工作性能的影響。

試件S10、S3、S11，砂率和水膠比保持不變，膠結(jié)料含量分別為500、550、600 kg/m3。

試件S12、S3、S13、S14，砂率和膠結(jié)料總量保持不變，水膠比分別為0.28、0.32、0.36和0.42。對(duì)比分析不同配比影響因子對(duì)混凝土強(qiáng)度和工作性能的影響。

試件NC是一組普通混凝土試件，用于與自密實(shí)混凝土對(duì)照。

2 試件的工作性能測(cè)試

自密實(shí)混凝土應(yīng)有良好的工作性能或施工性能，即要求新拌混凝土必須具備良好的填充性、間隙通過性和抗離析性，在密集配筋的情況下也要使拌合物具有足夠的自密性，能夠均勻密實(shí)地填充模型。目前，自密實(shí)混凝土拌合物的間隙通過性由L型儀或者U型儀檢測(cè)，抗離析性由L型儀、U型儀或拌合物穩(wěn)定性跳桌試驗(yàn)檢測(cè)[3-4]。我們根據(jù)規(guī)程要求，對(duì)新拌自密實(shí)混凝土在目測(cè)其不離析、不泌水的前提下，采用坍落度筒和L型儀對(duì)每組配比的自密實(shí)混凝土進(jìn)行工作性能試驗(yàn)。通過坍落度筒試驗(yàn)，測(cè)量混凝土的坍落度、擴(kuò)展度、中邊差及擴(kuò)展度達(dá)到500 mm所經(jīng)過的時(shí)間(即T500)；借助L型儀測(cè)量混凝土自流平前后在L型儀兩端的高度差H2/H1。每組配比試件測(cè)試3次，取平均值。自密實(shí)混凝土拌合物工作性能指標(biāo)要求如表2所示。

表2 混凝土拌合物工作性能指標(biāo)要求[5]

通過對(duì)新拌混凝土的工作性能試驗(yàn)，得到了各組配合比試件基本的工作性能參數(shù)(見表3)。各組試件的工作性能指標(biāo)均能滿足施工要求。

表3 新拌自密實(shí)混凝土工作性能測(cè)試數(shù)據(jù)

從測(cè)試結(jié)果來看，各組試件的工作性能指標(biāo)均能滿足施工要求。粉煤灰摻量、粉煤灰與礦渣復(fù)摻量、膠結(jié)料用量及水膠比等，都會(huì)直接影響自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性和穿透性。

坍落度受粉煤灰單摻量、礦渣與粉煤灰復(fù)摻比例、膠結(jié)料含量和水膠比等因素的影響不明顯。這是因?yàn)樽悦軐?shí)混凝土的坍落度都在200 mm以上，用坍落度指標(biāo)不足以反映新拌自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性對(duì)各種因素變化的敏感度。

粉煤灰單摻或與礦渣復(fù)摻，混凝土的工作性能相差不大。礦渣粉比粉煤灰更細(xì)，相同質(zhì)量下需要更多水分，增稠作用更大，漿體的包裹性也因此提高，促進(jìn)了骨料流動(dòng)，兩者共同作用，總體表現(xiàn)出變化不大的現(xiàn)象。粉煤灰與礦渣復(fù)摻比例為3 ∶2時(shí)(試件S7)，新拌漿體的流動(dòng)性相對(duì)最優(yōu)，T500最低?；炷涟韬衔锏牧鲃?dòng)性隨著粉煤灰單摻量的增加而增強(qiáng)。粉煤灰摻量為36%時(shí)(試件S3)，工作性能相對(duì)最優(yōu)，T500較低，但粉煤灰摻量繼續(xù)增大時(shí)，拌合物的流動(dòng)性能略有降低。粉煤灰的加入可改善混凝土拌合物的抗離析性能，但粉煤灰的摻量過大時(shí)，混凝土拌合物內(nèi)水泥漿體黏性過大，就會(huì)對(duì)工作性能造成一定的影響。

增加膠結(jié)料用量，減小粗骨料的含量，增加水泥砂漿體積，可以減小粗骨料間的摩擦，增加包裹粗骨料的漿體厚度，從而增加新拌混凝土的流動(dòng)性。

3 試件的力學(xué)性能測(cè)試

遵循《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081 — 2019)的規(guī)定，采用NYL-200D液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)量了不同混合比的自密實(shí)混凝土試件的力學(xué)性能。通過制作標(biāo)準(zhǔn)的立方體和棱柱型試塊，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)室溫度20±2 ℃，相對(duì)濕度≥95%，保證每批次試件養(yǎng)護(hù)條件一致。養(yǎng)護(hù)至加載齡期取出試件，測(cè)定齡期分別為 3、7、14、28、60 d 的試件的抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度及彈性模量。每種試塊每次取3個(gè)進(jìn)行測(cè)試，取平均值。測(cè)試結(jié)果如表4和表5所示。

表4 試件的抗壓強(qiáng)度

表5 試件的劈拉強(qiáng)度及彈性模量

從測(cè)試結(jié)果來看，同齡期自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而減弱，但粉煤灰摻量越多，混凝土強(qiáng)度的后期增長(zhǎng)速度也越快。以立方體抗壓強(qiáng)度為例，在齡期為28 d時(shí)，試件S1、S2、S3、S4的抗壓強(qiáng)度分別為67.0、64.3、57.3、49.0 MPa，表明當(dāng)用18%、36%、54%粉煤灰等質(zhì)量取代水泥時(shí)，其抗壓強(qiáng)度比不摻粉煤灰時(shí)分別降低了4.0%、14.5%、27.9%。但粉煤灰摻量越多，立方體抗壓強(qiáng)度的后期增長(zhǎng)速度也越快。在齡期為60 d時(shí)，試件S1、S2、S3、S4立方體的抗壓強(qiáng)度比14 d齡期時(shí)分別增長(zhǎng)了23.3%、22.7%、29.7%、38.0%。試件的彈性模量均隨齡期的延長(zhǎng)而增大，早期發(fā)展速度快而后期逐漸趨緩。同齡期混凝土的彈性模量隨粉煤灰的增加而減小。在28 d齡期時(shí)，試件S1、S2、S3、S4的彈性模量分別為47.3、43.5、41.1、39.0 GPa，表明當(dāng)用18%、36%、54%粉煤灰等質(zhì)量取代水泥時(shí)，其彈性模量比不摻粉煤灰時(shí)分別降低了8.0%、13.1%、17.5%。粉煤灰具有火山灰效應(yīng)，但其有效活性成分低于水泥，會(huì)使得膠結(jié)料活性降低。在單摻粉煤灰時(shí)，隨著其摻量的增加，同齡期的混凝土的基本力學(xué)性能會(huì)減弱，但后期的強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。粉煤灰顆粒具有微集料效應(yīng)，后期活性比前期活性高。隨著水泥的水化，水化產(chǎn)物Ca(OH)2增加，粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3能與Ca(OH)2反應(yīng)，進(jìn)行二次水化。

由粉煤灰單摻變?yōu)榕c礦渣復(fù)摻后，混凝土的力學(xué)性能有所增強(qiáng)。在28 d齡期時(shí)，試件S4、S5的立方體抗壓強(qiáng)度分別為49.0、59.9 MPa，表明用33.3%的礦渣替代粉煤灰摻量，立方體抗壓強(qiáng)度提高了22.24%。隨著礦渣摻量的增加，同齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)增加。在28 d齡期時(shí)，試件S6、S7、S8、S9的立方體抗壓強(qiáng)度分別為57.6、62.3、65.5、71.3 MPa，表明在S6(粉煤灰占膠結(jié)料摻量40%)的基礎(chǔ)上，用10%、20%、30%礦渣等質(zhì)量取代粉煤灰后，抗壓強(qiáng)度分別增加了8.2%、13.7%、23.8%。隨著粉煤灰摻量減小、礦渣摻量增加，混凝土同齡期的彈性模量也在增加。在復(fù)摻時(shí)試驗(yàn)所用礦渣的比表面積達(dá)到4 143 cm2/g。礦渣摻量增加，摻合料細(xì)度增大，潛在活性提高，填充在水泥顆粒之間，能較快地消耗水泥水化生成的Ca(OH)2，促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)。因此，當(dāng)?shù)V渣摻量增加時(shí)試件的力學(xué)性能也相應(yīng)增強(qiáng)了。

隨著膠結(jié)料用量的增加，同齡期混凝土的力學(xué)強(qiáng)度會(huì)降低，但在膠結(jié)料用量繼續(xù)增大時(shí)，其力學(xué)強(qiáng)度略有增大。如在28 d齡期時(shí)，試件S10、S3、S11的立方體抗壓強(qiáng)度分別為66.2、57.3、59.9 MPa，S10和S11較S3的抗壓強(qiáng)度分別增加15.5%和4.5%，說明膠結(jié)料用量為550 kg/m3時(shí)力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)最小。膠結(jié)料用量從500 kg/m3增加到550 kg/m3，骨料含量相應(yīng)減少，混凝土的力學(xué)性能有所下降；膠結(jié)料用量從550 kg/m3增加到600 kg/m3后，骨料和膠結(jié)料配比相對(duì)更合理，反應(yīng)更充分，漿體包裹骨料更緊密。

隨著水膠比的增大，同齡期混凝土的力學(xué)強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大而后降低的現(xiàn)象。如在28 d齡期時(shí)，試件S12、S3、S13、S14的立方體抗壓強(qiáng)度分別為 49.7、57.3、65.8、42.1 MPa。以S13為基準(zhǔn)，S12、S3、S14試件的立方體抗壓強(qiáng)度分別降低了24.5%、12.9%、36.0%，說明水膠比為0.36時(shí)其力學(xué)強(qiáng)度最優(yōu)。試件在同齡期的彈性模量的變化趨勢(shì)也與此類似。隨著水膠比的增大，漿體配比趨于合理，水化反應(yīng)充分，混凝土自密性變強(qiáng)；但水膠比不斷增大以后，膠結(jié)料不足以供水反應(yīng)，混凝土的密實(shí)性就會(huì)反而減弱，其力學(xué)性能有所下降。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過制作自密實(shí)混凝土試件，針對(duì)粉煤灰單摻量、粉煤灰和礦渣復(fù)摻量、水膠比和膠結(jié)料用量等參數(shù)的組合變化，測(cè)試了自密實(shí)混凝土試件的工作性能和力學(xué)性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，在各組試件中，粉煤灰單摻量、礦渣與粉煤灰復(fù)摻比例、膠結(jié)料含量和水膠比的變化，對(duì)混凝土坍落度的影響不明顯。粉煤灰與礦渣復(fù)摻較粉煤灰單摻時(shí)試件的工作性能相差不大。粉煤灰與礦渣復(fù)摻比例為3 ∶2時(shí)，新拌漿體的流動(dòng)性最優(yōu)。粉煤灰摻量對(duì)混凝土拌合物流動(dòng)性的影響不是單向的，單摻量達(dá)到36%時(shí)，新拌漿體的工作性能最優(yōu)。

在單摻粉煤灰時(shí)，混凝土的力學(xué)性能會(huì)隨粉煤灰摻量的增加而減弱，但粉煤灰摻量越大，后期混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)較明顯。復(fù)摻粉煤灰和礦渣可增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能，隨著礦渣摻量的增大，混凝土試件的力學(xué)性能會(huì)有提升。膠結(jié)料用量和水膠比不同，混凝土試件的力學(xué)性能也有差異。膠結(jié)料用量為550 kg/m3時(shí)，混凝土的力學(xué)強(qiáng)度最低；水膠比為0.36時(shí)，其力學(xué)性能表現(xiàn)最優(yōu)。