混凝土不均匀性的表征及其对硬化性能的影响

文摘 2024-11-17 07:03 河南

0引言

不均匀性是指同一材料或同批制作的材料，在一定区域范围内的不同部位表现出性能的差异性。不均匀性是混凝土的一种内在属性，通常，坍落度在180mm以上的大流动性混凝土的不均匀性表现为离析、泌水、不同部位实际水胶比离差大等，从而导致硬化混凝土出现明显分层、孔洞等缺陷。因此，研究混凝土的不均匀性具有重要的工程意义。通常可以通过测试新拌混凝土的工作性、硬化混凝土的力学性能和耐久性能来判断混凝土是否均匀，混凝土的均匀性越好，工作性、力学性能、耐久性能通常也越好。此外，UNGER等研究表明，骨料的空间分布形式是造成混凝土不均匀的重要因素。

WAWRZENCZYK等使用化学试剂增加了骨料与砂浆的显色对比度，通过表面图像技术得到了骨料的分布情况，并以各区域骨料含量的差异评价了混凝土的离析程度。

任炳昱等通过改进神经网络模型，提出了混凝土离析程度的定量评价方法，实现了混凝土离析程度的定量评价。

高海鹏等采用水洗筛分法研究了混凝土中粗骨料分布的均匀性与混凝土强度标准差的关系，结果表明，粗骨料分布均匀性越差，混凝土抗压强度的标准差及离差系数均增大，余志龙等也得出了类似结论。

高晓刚等研究表明，超声波波速及均方差与混凝土的密实度及均匀性有一定的对应关系。

纵观混凝土的不均匀性研究，大多为骨料的影响，以其他性能或标准表征混凝土不均匀性的研究仍相对较少，另外，混凝土取样部位的差异也会对所测性能结果的影响较大。KOEHLER等认为，有必要提出更准确、简单的方法来评估现代高性能混凝土的不均匀性。因此，本文制备坍落度在130～260mm的大流动度C50混凝土，分别从下料口中央和边缘部位取样，研究不同取样部位的混凝土的工作性、力学性能和耐久性能，并建立彼此之间的相关性，以求通过新拌混凝土状态的指标来监控硬化混凝土的性能，为混凝土工程浇筑前的质量控制提供参考。

1试验概况

1.1原材料

胶凝材料：P·Ⅱ52.5R级水泥，28d抗压强度为60.5MPa，密度为3110kg/m³；Ⅱ级粉煤灰，密度为2150kg/m³，需水量比为96.6%，28d活性指数为70.3%；S95级矿渣微粉，密度为2800kg/m³，流动度比为101%，7d和28d活性指数分别为76.6%和98.4%。

骨料：细度模数为2.7的Ⅱ区赣江中砂，密度为2620kg/m³，空隙率为40%，试验时为自然干燥状态，并筛除4.75mm以上颗粒，饱和面干含水率为1.2%，含泥量为1.2%；粒径为5～25mm连续级配石灰石碎石，表观密度为2690kg/m³，空隙率为46%，含泥量为0.8%。

减水剂：聚羧酸系减水剂JM-PCA1，减水率为28%，含固量为20%。

水：自来水。

1.2配合比

一般而言，矿渣微粉的加入可以提高混凝土流动性，但可能增大泌水；优质粉煤灰可起到改善流变性、增加保水性的双重作用；较高的砂率会使混凝土的黏聚性增大；适量的减水剂可以增大混凝土流动性，但掺量过多可能引起离析、泌水等工作性不良的现象。因此，控制水胶比为0.31，通过改变矿物掺合料用量、砂率、减水剂掺量来调整混凝土工作性，设计坍落度范围130～260mm，其中，前5组设计坍落度范围为130～220mm，符合大流动度混凝土的要求，后3组进一步提高坍落度到260mm，并参考自密实混凝土的配合比，适当提高砂率，具体配合比如表1所示，其中，矿物掺合料及减水剂掺量均为胶凝材料总质量的百分比。

1.3试验方法及性能测试

考虑到离出料口最远位置骨料含量最低，最可能产生薄弱区，采取了针对性的取样方法，即以混凝土倾倒出料口或坍落度测试样品的中心点为原点，到边缘处画圆，半径为R，区分中心混凝土与边缘混凝土，定义中心点到二分之一半径宽度（以0～1/2R表示）为中心混凝土，二分之一半径宽度外到边缘位置（以1/2R～R表示）的混凝土为边缘混凝土，分别测试中心和边缘部位的新拌混凝土的性能，然后密实成型，分别测试硬化后混凝土的各项性能，以研究各种性能的不均匀度。以中心和边缘混凝土相应性能数据的变异系数（即最大值减最小值再除以平均值的百分数）来评价其不均匀性。采用0.08mm筛从混凝土拌合物中筛出少量净浆，称量总质量，然后用酒精脱水烘干，分析浆体的水胶比。

采用2.36mm、0.15mm筛从混凝土拌合物中筛出砂浆、净浆，再用NDJ-79旋转黏度计测量其黏度值。

根据JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》，采用三层离析筒法进行混凝土骨料离析率测试。

根据GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行混凝土拌合物泌水率测试。根据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行混凝土试件抗压强度测试，为减少混凝土的不均匀性引起的数据离散，每个取样部位至少制备6个试件。

根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，采用快速氯离子迁移系数法（RCM）进行混凝土氯离子扩散系数测试。根据文献，采用超声波测试混凝土试件的纵波声速v，依据式（1）计算试件的动弹性模量Ed。

式中：ρ为混凝土的密度；γ为泊松比，取0.2。

根据GB/T17236-2019《水运工程混凝土试验检测技术规范》及文献进行混凝土气体渗透系数测试。混凝土样品厚度取30mm，真空度范围为0.090～0.096MPa，外加压力范围为0.3～0.5MPa。

采用AUTOPORE郁9510混凝土孔结构测试仪进行混凝土孔结构测试，所测试的压力范围为0.004～345.000MPa。

2结果与讨论

2.1工作性

对表1中8组配合比拌合至少一次40L，拌合后各组混凝土的状态如图1所示。从混凝土中心、边缘及拌合后总体分别取样，进行新拌混凝土的坍落度、浆体黏度、粗骨料离析率、泌水率、水胶比测试，测试结果如表2所示。

新拌混凝土如骨料离析率与泌水率小，黏聚性适中，边缘与中心混凝土的水胶比离差小，可认为新拌混凝土工作性良好，均匀性好。当外加剂过掺时，大流动度混凝土由于其较低的浆体黏度和屈服应力，容易出现离析、泌水等现象。坍落度影响自密实混凝土的离析，坍落度越大，混凝土越容易离析。混凝土的坍落度及组内中心、边缘的坍落度差值越大，对混凝土的离析、泌水有较大的影响。由图1和表2可知，G4和G5组混凝土泌水明显，其边缘坍落度均在180mm以上，且中心、边缘坍落度的差值均不低于50mm；坍落度均在200mm以上的S1、S2、S3组都有泌水现象，且中心、边缘坍落度的差值为30mm的S2组混凝土出现堆台。混凝土的骨料离析率在1.0%～14.9%，离差达13.9%；而水胶比在0.288～0.368，离差为0.08。G4、G5和S1和S2均伴随有较大的骨料离析现象。

结合表1、表2可知，外加剂掺量和掺合料种类对混凝土的不均匀性都有一定的影响。相同砂率的G3和G4组混凝土，外加剂掺量增加0.2%，边缘坍落度从170mm增加到190mm，而中心坍落度从150mm减少到140mm，说明外加剂掺量的增加增大了混凝土中心与边缘间的不均匀性。对比G4和G5组，单掺矿渣微粉组混凝土的不均匀性显著高于粉煤灰与矿渣微粉双掺组。相同外加剂掺量的G2和G3组混凝土，增大砂率，坍落度也增加，但不均匀性变化不明显，这是因为增大砂率提高了砂在混凝土中的比例，细砂可以起到润滑作用，减少粗骨料之间的摩擦，使混凝土更容易流动，降低了浆体黏度，从而降低了混凝土的不均匀性。G1、G2、S1、S3组不同部位混凝土的坍落度相差不大，说明混凝土均匀性较好；G4和G5组不同部位混凝土的坍落度差值相对较大，泌水率在8.10%～31.60%之间，骨料离析率在5.1%～14.9%之间，水胶比在0.288～0.368之间，说明混凝土的均匀性较差。G4、G5、S1、S2组不同部位混凝土的骨料离析率均较大，仅G4、G5组不同部位混凝土的水胶比差别明显，泌水率较大。总体上，中心混凝土的坍落度、泌水率、水胶比均低于边缘混凝土，这可能是由于中心混凝土的粗骨料含量较高，而边缘混凝土的浆体含量较高，使得边缘泌水较多，此外，还可能由于骨料的缓慢吸水性，中心混凝土的骨料从浆体中吸水，导致其水胶比甚至低于基准水胶比0.31，骨料离析大，不一定出现泌水；但泌水率高时，会显著增加混凝土的不均匀性。综合来看，G4和G5组混凝土的不均匀性显著。

总体上，骨料离析大，不一定出现泌水；但泌水率高时，会显著增加混凝土的不均匀性，具体表现在中心、边缘混凝土的骨料离析率、水胶比离差、坍落度差值均显著；骨料离析率和泌水率的耦合可有效表征新拌混凝土的均匀性，再结合坍落度或坍落流动速度、坍落扩展度等流动性，则可综合表征混凝土的工作性。

2.2力学性能

有研究表明，混凝土中的骨料离析率越大，骨料的分布越不均匀，中心和边缘混凝土抗压强度的离差也越大。表3为混凝土试件的抗压强度、动弹性模量以及各项参数的边缘、中心组间变异系数。

由表3可知，各组试件的中心和边缘抗压强度数据离差相对较大，而动弹性模量数据离差相对较小。比较各组参数的组间变异系数可知，抗压强度组间变异系数与骨料离析率组间变异系数的变化趋势最接近，工作性较好的G1、G2、G3、S3组试件抗压强度和骨料离析率组间变异系数均小于5%，表明混凝土的均匀性较好；而抗压强度和骨料离析率组间变异系数相对较大（大于10%）的G5、S2组混凝土呈现出明显的不均匀性。

2.3渗透性能

不同部位混凝土的氯离子扩散系数如图2所示，气体渗透系数如图3所示。

由图2、图3可知，同组间对比时，各组边缘混凝土的氯离子扩散系数、气体渗透系数均高于中心混凝土。G5和S2组中心、边缘混凝土的氯离子扩散系数差值分别为0.69×10^-12m²/s和1.14×10^-12m²/s（组间变异系数均约为18.1%），气体渗透系数差值分别为46.5×10^-8m²/s（组间变异系数约为91.3%）和27.0×10^-8m²/s（变异系数约为95.1%）；而G4组中心、边缘混凝土的氯离子扩散系数差值为1.07×10^-12m²/s（组间变异系数约为28.9%）。结合表3可知，混凝土骨料离析率组间变异系数较大或骨料泌水，均会明显增大混凝土组间氯离子扩散系数和气体渗透系数的差值。这可能是由于水泥浆体与骨料界面是氯离子及气体渗透的主要通道，混凝土骨料离析率组间差异越大，混凝土不同部位的骨料含量差异也越大；此外，泌水也会增大混凝土不同部位水胶比的差异，从而增大了混凝土不同部位渗透性能的不均匀性。

2.4混凝土的孔结构

表4为典型混凝土试件的孔径分布及孔隙率测试结果。

由表4可知，各组混凝中心、边缘孔隙率差值大小依次为G5>G4>S1>S3>G3，这主要与不同部位的骨料离析率和水胶比组间变异系数有关，中心、边缘混凝土的骨料离析率和水胶比组间变异系数较大的组别，孔径分布及孔隙率的差值也较大；此外，同组间对比时，相对于边缘混凝土，中心混凝土的孔隙率较低，有害级孔和多害级孔占比低于边缘混凝土。

3结论

（1）新拌混凝土的不均匀性直接影响硬化混凝土的性能，其中，骨料离析率是最主要的因素。当中心、边缘混凝土骨料离析率组间变异系数不超过5%时，对混凝土的力学性能无明显影响；随着骨料离析率组间变异系数的增加，混凝土力学性能显著劣化。

（2）同组间对比时，各组边缘混凝土的氯离子扩散系数、气体渗透系数均高于中心混凝土，中心混凝土的孔隙率较低，有害级孔和多害级孔占比低于边缘混凝土，中心、边缘混凝土的骨料离析率和水胶比组间变异系数较大的组别，孔径分布及孔隙率的差值较大，氯离子扩散系数和气体渗透系数的差值也较大。

（3）大流动性混凝土易产生不均匀的现象，在质量控制中，需要同时控制好骨料离析率、泌水率，混凝土的性能才更好，从而有效提高混凝土工程质量。当中心、边缘混凝土骨料离析率或泌水率组间变异系数大于10%时，混凝土性能的不均匀性应引起高度重视。（来源：《混凝土与水泥制品》2024.09）

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