自密實(shí)混凝土填充性能及細(xì)觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

陳 輝,胡志超,林 艷

(溫州宏源水電建設(shè)有限公司，浙江 溫州 325000)

1 自密實(shí)混凝土的填充性能及阻塞機(jī)制

1.1 自密實(shí)混凝土在堆石體中的填充特點(diǎn)和問題

在目前的堆石混凝土工程中，自密實(shí)混凝土的填充對(duì)象基本屬于尺寸較大的塊石，這些塊石的形狀和大小不統(tǒng)一，所以在堆積過(guò)程中會(huì)形成空隙。且這些空隙的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在重力的作用下還會(huì)發(fā)生剪切形變，這種形變會(huì)受到邊壁的摩擦，從而產(chǎn)生流動(dòng)的阻力[1]。因此，在自密實(shí)混凝土進(jìn)行堆積的過(guò)程中必須要保證充足的穩(wěn)定性和流動(dòng)性，否則在自密實(shí)混凝土在填充過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)局部阻塞、填充不密實(shí)及骨料分布不均勻等情況。表1為自密實(shí)混凝土在堆石體的填充過(guò)程中需要滿足的各項(xiàng)條件。

表1 堆石體的自密實(shí)混凝土的填充性能要求、檢測(cè)方法以及可能的后果

從表1中可知，在實(shí)施堆石混凝土工程中，其對(duì)自密實(shí)混凝土的填充性能要求非常高，除了要求自密實(shí)混凝土需要具有傳統(tǒng)的高流動(dòng)性、穩(wěn)定性以及通過(guò)性之外，還需要其具有流動(dòng)保持能力和充隙能力。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的檢測(cè)方法主要為坍落擴(kuò)展度、V漏斗以及T50等基本的檢測(cè)手段。對(duì)自密實(shí)混凝土的充隙能力和流動(dòng)保持能力的檢測(cè)方法目前還不完善，另外擴(kuò)展度雖然可以測(cè)試自密實(shí)混凝土的流變特性但不能預(yù)測(cè)出其在堆石工程中填充的范圍及流動(dòng)速率，對(duì)其填充特性的檢測(cè)程度還不夠[2-3]。

1.2 自密實(shí)混凝土的通過(guò)性和阻塞機(jī)理試驗(yàn)

為探究自密實(shí)混凝土的屈服應(yīng)力和填充特性，本次研究對(duì)其組成材料——砂漿和石子進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)。考慮到自密實(shí)混凝土的填充性能主要是受到流體阻塞和顆粒阻塞這兩大因素的影響，所以根據(jù)Roussel的混凝土試驗(yàn)提出的顆粒阻塞概率模型對(duì)自密實(shí)混凝土進(jìn)行通過(guò)性試驗(yàn)，以此研究自密實(shí)混凝土的通過(guò)性和阻塞機(jī)理，并對(duì)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析討論。

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Roussel提出的阻塞模型對(duì)混凝土的通過(guò)性和阻塞現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證和拓展，為研究不同參數(shù)對(duì)自密實(shí)混凝土通過(guò)性的影響，主要選取自密實(shí)混凝土的石子尺寸、石子形狀以及澆注速度等作為研究對(duì)象，試驗(yàn)的配合比和參數(shù)信息見表2和表3。

表2 自密實(shí)混凝土配合比及工作性

表3 改變?cè)囼?yàn)參數(shù)

1.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

按照設(shè)計(jì)好的各種原材料配合比將所有原材料依次加入混凝土攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為3 min。將攪拌好的自密實(shí)混凝土平均分為兩個(gè)部分分別進(jìn)行V漏斗試驗(yàn)、坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)以及通過(guò)性試驗(yàn)。進(jìn)行通過(guò)性試驗(yàn)之前需要做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，首先用濕潤(rùn)的毛巾將斜坡浸潤(rùn)，然后將自密實(shí)混凝土倒在斜坡上，記錄自密實(shí)混凝土傾倒的時(shí)間以及傾倒的重量，以此計(jì)算出其澆注的速率。測(cè)量完畢后在斜坡的出口處采用稱量桶將通過(guò)鋼筋的自密實(shí)混凝土接住，觀察混凝土的通過(guò)情況，直到其無(wú)法通過(guò)鋼筋，等待120 s后方可結(jié)束試驗(yàn)，將鋼筋中殘留的混凝土一并放入稱量桶進(jìn)行稱量。最后記錄所稱量的自密實(shí)混凝土的重量，將其中的漿體和砂沖洗掉只留下石子[4]。將所有石子放入烘干箱中進(jìn)行烘干，烘干完畢后對(duì)不同粒徑的石子進(jìn)行分別稱量，記錄其質(zhì)量。

1.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

由通過(guò)性試驗(yàn)，得到的結(jié)果如表4所示。

表4 改變鋼筋間距——通過(guò)性試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)鋼筋間距發(fā)生改變后自密實(shí)混凝土的通過(guò)率也隨之改變，且兩者之間呈正相關(guān)。通過(guò)表4還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼筋的間距<30 mm之后，自密實(shí)混凝土的通過(guò)率已經(jīng)低于30%，此時(shí)自密實(shí)混凝土的通過(guò)率已經(jīng)非常低，且出現(xiàn)了嚴(yán)重的阻塞現(xiàn)象，基本無(wú)法滿足正常的填充需求[5]。同時(shí)當(dāng)鋼筋間距不斷減小后，SCC中石子的含量也會(huì)有所降低，這也反映出自密實(shí)混凝土中石子發(fā)生阻塞的概率在不斷地增加，且鋼筋對(duì)其的過(guò)濾作用非常明顯。

2 自密實(shí)混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化與配制2.1 不同級(jí)別自密實(shí)混凝土的優(yōu)化和配制

由于受到經(jīng)濟(jì)和科技環(huán)境等多方面因素的影響，目前我國(guó)多數(shù)工程在實(shí)際施工過(guò)程中并沒有大力推廣自密實(shí)混凝土，自密實(shí)混凝土的生產(chǎn)成本較低，因此對(duì)其性能的優(yōu)化及后續(xù)的應(yīng)用具有非常重要的意義[6]。

本研究采用不同凝膠材料和粉煤灰對(duì)自密實(shí)混凝土進(jìn)行配合比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)選用的凝膠材料用量達(dá)到448 kg/m3、470 kg/m3、490 kg/m3，且選用的水灰比為0.34、砂率為51%時(shí)，可以減少自密實(shí)混凝土中較細(xì)和較大粒徑的骨料含量[7]。各級(jí)自密實(shí)混凝土配合比見表5。

表5 各級(jí)別自密實(shí)混凝土配合比 kg·m-3

為探究進(jìn)行優(yōu)化配比后自密實(shí)混凝土的綜合抗?jié)B透性能和填充性能，本文分別對(duì)優(yōu)化配比后的混凝土在室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)變檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)優(yōu)化配比后在室外環(huán)境下變化波動(dòng)較大，主要是受到室外環(huán)境的溫度和濕度影響，同時(shí)在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中受到雨水的侵蝕，產(chǎn)生了一定的拉應(yīng)變，造成其膨脹力減小，但總體對(duì)自密實(shí)混凝土造成的損傷并不明顯[8]。

測(cè)試新拌混凝土工作性能及其28 d的抗壓強(qiáng)度，具體測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 混凝土的測(cè)試結(jié)果

通過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)當(dāng)T50在8 s以內(nèi)且U型在300 mm 以上，自密實(shí)混凝土所有的配合比工作性能均可以符合要求，且28 d的抗壓強(qiáng)度等級(jí)在C40～C50之間。

2.2 低膠材自密實(shí)混凝土的優(yōu)化和配制

與不同級(jí)別自密實(shí)混凝土的檢驗(yàn)方式一樣，為了驗(yàn)證優(yōu)化配比新拌自密實(shí)混凝土的工作性能，本文對(duì)其進(jìn)行了為期28 d的抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)T50在8 s之內(nèi)、U型達(dá)到300 mm以上、V型處于30 s之內(nèi)時(shí)，新拌自密實(shí)混凝土并無(wú)離析的現(xiàn)象發(fā)生，優(yōu)化配合比的工作性能均符合相關(guān)規(guī)定要求[9-10]。另外從設(shè)計(jì)上來(lái)看，膠材用量達(dá)到430 kg/m3時(shí)，若要其滿足工作要求就必須加大減水劑的摻入量，具體結(jié)果見表7。

表7 膠材用量為430 kg/m3的混凝土測(cè)試結(jié)果

通過(guò)增加10～16 mm粒徑的骨料含量，將膠凝材料的用量調(diào)至460 kg/m3，此時(shí)新拌的混凝土在室內(nèi)干燥環(huán)境下或在室外環(huán)境下其應(yīng)力應(yīng)變量都小于沒有經(jīng)過(guò)優(yōu)化配比的混凝土。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的新拌混凝土降低了膠材的使用含量，且自密實(shí)混凝土的大孔也沒有增加，所以經(jīng)過(guò)優(yōu)化配比的混凝土具有較好的孔隙結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 語(yǔ)

以上主要對(duì)影響自密實(shí)混凝土填充性能的因素進(jìn)行了分析討論，并根據(jù)其特點(diǎn)對(duì)混凝土的配比進(jìn)行了優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自密實(shí)混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目的。自密實(shí)混凝土和堆石混凝土屬于新型的工程施工工藝，目前國(guó)內(nèi)對(duì)其的研究較少，且堆石體內(nèi)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不僅會(huì)受到外界環(huán)境干擾，且自身的堆放方式也會(huì)隨之改變。本次研究具有一定的局限性，很多問題還需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)和研究。