泵送混凝土成型后拋石量對強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的影響研究①

□□ 宋旭艷，姜正平，喬 波，周林才，方 韌，郜志海

(1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011；2.蘇州第一建筑集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州 215123)

引言

目前施工中廣泛采用的泵送混凝土，因為需要滿足其泵送流動度會大量添加粉煤灰等礦物摻合料、提高砂率，而形成不了石子的堆聚骨架。因而在施工中，大量粉料組成的漿體體積穩(wěn)定性很差，使得泵送混凝土工程非常容易產(chǎn)生早期開裂[1-2]。本文即研究流態(tài)混凝土“懸浮結(jié)構(gòu)”在完成其泵送施工后，通過拋石將其轉(zhuǎn)化為硬化后性能優(yōu)良穩(wěn)定的“堆聚結(jié)構(gòu)”，著重研究拋石量對該流態(tài)混凝土強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的影響，以期為拋石混凝土的工程應(yīng)用提供一定的試驗依據(jù)。

1 原材料

試驗所用水泥為海螺牌P·Ⅱ 52.5水泥，其密度為3.1 g/cm3，初凝時間為100 min，終凝時間為165 min，比表面積為340 m2/kg。使用的粉煤灰密度為2.0 g/cm3，強(qiáng)度影響系數(shù)為0.75。

細(xì)骨料為天然河砂，其含泥量為0.4%，細(xì)度模數(shù)為2.37，屬于Ⅱ區(qū)的中砂。粗骨料為級配良好的5～25 mm的碎石。

外加劑為聚羧酸高效減水劑，液體呈淡黃色的透明狀，經(jīng)測定其固含量為40.7%，當(dāng)摻量為0.3%時，減水率為29.7%。

2 試驗過程

首先，根據(jù)JGJ 55—2016《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，采用半定量半經(jīng)驗的設(shè)計方法，通過增大用水量、摻加粉煤灰與調(diào)整砂率三種方式，設(shè)計坍落度為180～220 mm、強(qiáng)度等級為C40的泵送混凝土，混凝土配合比見表1。

表1 C40泵送混凝土配合比 kg/m3

其次，將按表1配比設(shè)計的混凝土以普通混凝土的成型方式裝模并振實成型，根據(jù)同強(qiáng)度空白對照試塊表面浮漿的多少，預(yù)留出5～10 mm的空余，以防止添加拋石后大量水泥漿體被擠出試模。隨后將準(zhǔn)備用作拋石的粗骨料以混凝土質(zhì)量的3%、6%、9%、12%、15%、18%分別置于混凝土試塊表面，使用手持平板振動器邊振動邊將拋石壓入混凝土試塊中。其中，手持平板振動器的振動時間不固定，需持續(xù)震動至拋石表面完全被水泥漿體浸沒，且持續(xù)振動10 s后試塊表面無氣泡上浮后方可停止振動。拋石摻量較多時，可以分次加入，此時為控制成型時間，可以只需最后一次加入拋石后達(dá)到上述要求即可。整個試塊成型過程需盡快完成，自混凝土攪拌起不得超過15 min。成型結(jié)束后立即在試件表面覆蓋一層保鮮膜防止水分蒸發(fā)，進(jìn)而進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至需要齡期取出，測定其各項性能。

另外，為了具有可比性，未拋填粗骨料的基準(zhǔn)混凝土根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法裝模并振實成型后，需與拋石混凝土一樣使用手持平板振動器進(jìn)行表面振實和再次抹面，隨后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 拋石量對混凝土力學(xué)性能的影響

不同拋石量的混凝土強(qiáng)度試驗結(jié)果見表2。表2中結(jié)果顯示，隨著拋石量的增加，混凝土強(qiáng)度逐漸上升，當(dāng)拋石量達(dá)到12%時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨后其抗壓強(qiáng)度開始下降，但其強(qiáng)度仍大于不摻拋石的基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度。

表2 混凝土強(qiáng)度試驗結(jié)果

從強(qiáng)度結(jié)果來看，拋石量對泵送混凝土3 d抗壓強(qiáng)度的影響比較小，7 d后拋石混凝土抗壓強(qiáng)度增長幅度明顯增大，拋石量對28 d的抗壓強(qiáng)度的影響較大，但均呈先增后減趨勢。與基準(zhǔn)混凝土相比，當(dāng)拋石量為3%～9%時，拋石混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度增長10%左右；拋石量提高至12%時，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度增長幅度最大，達(dá)到20.7%；繼續(xù)增加拋石量達(dá)15%時，28 d抗壓強(qiáng)度增長幅度有所下降，為16.1%；當(dāng)拋石量為18%時，28 d抗壓強(qiáng)度提高率降為11.1%。

從劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果來看，拋石量為3%～15%時，拋石混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度明顯增大，與基準(zhǔn)混凝土相比，拋石混凝土在拋石量為12%時，其劈裂抗拉強(qiáng)度提高率達(dá)到最大，為42.8%；繼續(xù)增加拋石量到18%時，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土持平。這可能是因為過多的拋石擠壓了水泥漿體的空間，沒有足夠漿體包裹所有骨料，粘聚性不夠，使其無法很好地完成聯(lián)結(jié)骨料的使命，導(dǎo)致劈裂抗拉強(qiáng)度大大下降[3]。拉壓比可以有效地反應(yīng)混凝土的變形性能與韌性，表2中結(jié)果顯示，基準(zhǔn)混凝土的拉壓比最低，摻加拋石后的混凝土拉壓比明顯增大。綜合各項力學(xué)性能結(jié)果，建議本文所研究的C40泵送混凝土最佳拋石摻量在12%左右。

3.2 不同拋石量對泵送混凝土結(jié)構(gòu)的影響

泵送混凝土運(yùn)輸方便，施工快，是目前廣泛應(yīng)用的混凝土。為了保證其有足夠的流動度往往會大量摻入膠凝材料，這些膠凝材料產(chǎn)生了大量漿體，料漿易泌水，導(dǎo)致石子懸浮在水泥漿體中，無法有效堆聚在一起，使混凝土的強(qiáng)度大大降低。拋石就是為了將泵送混凝土中已經(jīng)完成其使命的懸浮結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為堆聚結(jié)構(gòu)，一般來說，混凝土成型后，大而重的粗骨料會慢慢向底部聚集，而混凝土表面都是水泥漿體,容易產(chǎn)生泌水，所以通過干燥的拋石來降低混凝土界面過渡區(qū)的水灰比，讓表面的水泥漿體也可以包裹骨料，既提高了混凝土強(qiáng)度，又可以防止因水泥漿過多而發(fā)生開裂現(xiàn)象[4-7]。

本部分試驗是將摻不同拋石量的混凝土養(yǎng)護(hù)至28 d后剖切，觀察拋石粗骨料在混凝土內(nèi)部的堆聚情況，進(jìn)而分析不同拋石量對泵送混凝土結(jié)構(gòu)的影響。制備不同拋石量的混凝土試件后，養(yǎng)護(hù)至28 d，進(jìn)行剖切，觀察粗骨料在混凝土內(nèi)部的堆聚情況。剖切時，沿著制作混凝土試塊時的豎直方向剖切，以便有效觀察粗骨料在拋石混凝土中頂部與底部的具體結(jié)構(gòu)，各試件的剖面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

觀察圖1可知，當(dāng)未摻拋石時，混凝土上部幾乎沒有粗骨料的堆聚，只有少量碎石懸浮其中，所以不能形成良好的強(qiáng)度骨架；基準(zhǔn)混凝土界面過渡區(qū)石子過少、水泥漿體過多，且存在大量的氣泡，石子懸浮在漿體中，體積穩(wěn)定性很差，無法形成強(qiáng)度等級較高的堆聚結(jié)構(gòu)，硬化體容易開裂[6]。而隨著拋石摻量的增多，混凝土的界面過渡區(qū)逐漸被粗骨料嵌鎖堆積，形成了良好的堆聚形態(tài)，水泥漿體也肉眼可見地減少，可以充分發(fā)揮石子強(qiáng)度高的優(yōu)勢。但過高的拋石摻量(如18%)，粗骨料則過于密集，擠壓水泥漿體的空間，水泥漿體無法完全包裹石子。綜合比較而言，當(dāng)拋石摻量為9%～15%時，可以有效地將懸浮結(jié)構(gòu)改變?yōu)槎丫劢Y(jié)構(gòu)，改善混凝土的性能。

圖1 不同拋石摻量的混凝土剖面情況

4 工地試驗

從工程應(yīng)用角度出發(fā)，本部分通過在蘇州某工地上成型拋石混凝土平板試驗來進(jìn)一步探究拋石對泵送混凝土強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的影響。在試驗中，成型混凝土平板的位置選擇采光良好、天氣晴朗時能夠較長時間暴露在日光下的位置。

試驗時直接采用市售的C35泵送混凝土(其配比見表3)分別澆筑成8 m×1 m×0.2 m的基準(zhǔn)混凝土平板和拋石混凝土平板，其中用作拋石的粗骨料為5～25 mm的瓜子片，拋石摻量依靠現(xiàn)場施工員的經(jīng)驗添加，質(zhì)量為300～350 kg，換算為質(zhì)量百分比為7.8%～9.1%。拋石混凝土平板澆筑時，模板中未完全澆滿，而是預(yù)留出約2 cm的空間用于加入拋石。待泵送混凝土澆筑完畢，將拋石均勻分布在混凝土表面，然后翻攪表層混凝土，使其能夠有效進(jìn)入混凝土的平板體系中，最后拋石混凝土平板和基準(zhǔn)混凝土平板采用同樣的施工工藝振實并且抹面。隨后兩塊混凝土平板均按照工地施工的工藝流程進(jìn)行澆筑和養(yǎng)護(hù)。

表3 工地C35泵送混凝土配合比 kg/m3

在成型后的48 h內(nèi)，每12 h觀察一次平板表面的開裂情況，記錄10 cm或10 cm以上的裂縫數(shù)量，具體結(jié)果見表4。

表4 混凝土平板隨齡期(48 h內(nèi))發(fā)生開裂情況

由表4結(jié)果可知，成型12 h內(nèi)，基準(zhǔn)混凝土平板就大量開裂，>10 cm的裂縫達(dá)到了13條，而摻入了拋石的混凝土平板則穩(wěn)定得多，只有兩條10 cm以上的裂縫；由于混凝土平板是在傍晚成型的，所以12 h后兩塊平板都受到了陽光的暴曬，基準(zhǔn)混凝土平板又增長5條裂縫，而拋石混凝土平板只增長了2條；到36 h時，基準(zhǔn)平板和拋石平板各增加了2條裂縫；在成型時間達(dá)到48 h時，基準(zhǔn)平板的裂縫依然在增長，反觀拋石混凝土平板，裂縫數(shù)量則不再增加。另外，在觀測過程中還發(fā)現(xiàn)基準(zhǔn)混凝土平板的表面裂縫明顯長于拋石混凝土平板表面的裂縫，且裂縫寬度也較大，而基準(zhǔn)混凝土平板中<10 cm的小裂縫也較多，小裂縫的密度也高于拋石混凝土平板。綜合來看，在泵送混凝土澆筑后再拋填粗骨料的方式可以有效地改善流態(tài)混凝土的抗裂性能。

待工地施工進(jìn)度達(dá)標(biāo)后(時間為18 d齡期)，分別對拋石混凝土平板和基準(zhǔn)混凝土平板進(jìn)行鉆芯取樣(試樣為直徑100 mm、高100 mm的圓柱體)，用于強(qiáng)度測定和觀察拋石對平板結(jié)構(gòu)影響。測得基準(zhǔn)混凝土平板18 d鉆芯強(qiáng)度為28.8 MPa、拋石混凝土平板18 d鉆芯強(qiáng)度為33.23 MPa，泵送混凝土施工后拋填9%的粗骨料后其強(qiáng)度能提高15%左右。鉆芯試樣破壞前后形貌圖如圖2所示。

圖2 巖心試樣破壞前后對比

觀察鉆芯樣破壞前的截面可以看出：未摻拋石的混凝土試塊中骨料分布較為分散，在試件上半部的骨料分布偏少，骨料與骨料之間存在一定接觸，但未能形成完整的骨架，受壓破壞后的形狀類似“I”字型[8]。摻加拋石的混凝土試件表面(尤其是上半部分)骨料較為密實，細(xì)小的骨料填充在大顆骨料之間，形成了緊密的堆聚結(jié)構(gòu)，并且受壓破壞后的形狀與前者完全不同，表現(xiàn)為試塊側(cè)面有條狀外殼剝落，試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)并未受影響。

5 結(jié)論

摻入拋石可以提高混凝土強(qiáng)度，不同拋石量的混凝土強(qiáng)度均比基準(zhǔn)混凝土高，強(qiáng)度隨拋石量上升呈現(xiàn)先增后減趨勢，當(dāng)拋石量達(dá)到12%時，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值57.1 MPa，較基準(zhǔn)混凝土提高了20.7%；劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到7.10 MPa；此時混凝土的力學(xué)性能最好。

摻入拋石可以改變混凝土的結(jié)構(gòu)。摻入拋石后，降低了界面的水灰比，水泥漿體將粗骨料聯(lián)結(jié)，石子堆聚形成粗骨料嵌鎖型混凝土，改善了泵送混凝土的結(jié)構(gòu)。

在流態(tài)的混凝土施工后摻入拋石，有效地改善了其強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)，早期(48 h內(nèi))開裂現(xiàn)象明顯得到了緩解，同齡期下拋石混凝土平板的鉆芯強(qiáng)度可提高15%以上。