C60流态混凝土的工作性及强度影响因素试验研究

文摘 2024-10-11 07:04 河南

0引言

流态混凝土是一种坍落度为180～220mm，坍落扩展度达到500mm以上的混凝土，其具有流动性好、稳定性强、便于运输和泵送等优点，无需振捣即可填满模型或钢筋间隙，可以提高浇筑效率，节约人力成本。因此，流态混凝土在现代工程项目中得到了广泛的应用。

在流态混凝土中，骨料占总体积的60%左右，合理选择粗骨料级配和骨胶比对流态混凝土的工作性和抗压强度有重要影响。

韩建国等研究指出，对混凝土工作性有显著影响的因素是减水剂掺量、水胶比、砂率和浆骨比，对强度有显著影响的因素是粗骨料级配、水胶比、胶凝材料用量和减水剂掺量。

焦登武等探究了粗骨料级配对混凝土扩展度、屈服应力和塑性黏度的影响，指出混凝土的流动性和流变参数受粗骨料级配影响，增加大粒径骨料可以改善混凝土的流动性，但会降低抗离析性能。

AISSOUN等研究了骨料级配对大流态混凝土工作性和强度的影响，指出了优化粗骨料颗粒级配可以提高混凝土的抗静态离析性能。国诚研究了4.75～9.50、9.5～16.5、16.5～19.5mm三种粒径粗骨料复掺对混凝土性能的影响，结果表明：增加粒径为9.5～16.5mm的粗骨料掺量，混凝土的坍落度、扩展度和28d抗压强度逐渐增加；当粗骨料为9.5～16.5mm单粒径粗骨料时，混凝土的坍落度和扩展度达到最大。

《燕华等研究发现，混凝土的强度和弹性模量随骨胶比的增加而增加。

沈楚琦等发现，随着骨胶比增加，超高性能混凝土的扩展度降低，抗压强度与抗弯拉强度呈现先增后减的趋势，弹性模量呈线性增长趋势。

黎梦圆等研究了浆骨比对大流态混凝土性能的影响，发现随着浆骨比的增加，混凝土的扩展度逐渐增加，T500和V型漏斗排空时间逐渐降低。

减水剂是混凝土的重要组成部分，对流态混凝土工作性的影响显著。史星祥等发现，使用聚羧酸减水剂可以有效改善自密实混凝土的流动性。李悦等发现，随着聚羧酸减水剂掺量从1.2%增加至2.0%，新拌混凝土的扩展度逐渐增加，T500逐渐降低，静态稳定性有所下降。SHI等研究了减水剂对机制砂C40流态混凝土工作性的影响，发现当减水剂掺量为1.1%时，混凝土的流动性、保水性和黏聚性最佳。

为了使流态混凝土同时具备良好的工作性和较高的强度，本文采用单因素法研究粗骨料级配、减水剂掺量、骨胶比对流态混凝土工作性和抗压强度的影响，设计制作C60流态混凝土，以期为流态混凝土的研究和应用提供参考。

1试验概况

1.1原材料

水泥：P•Ⅱ52.5级水泥，主要性能如表1所示。

矿物掺合料：Ⅰ级粉煤灰，主要化学组成见表2；微硅灰，主要性能见表3。

粗骨料：粒径为5～10mm、10～20mm的碎石，表观密度为2740kg/m^{3，含泥量为0.15%}。

细骨料：淮南本地中砂，细度模数为2.64，含泥量为0.25%。

减水剂：聚羧酸高性能减水剂，含固量为39%，减水率为28%。

水：自来水。

1.2配合比

本文采用固定砂石体积法计算流态混凝土的配合比，经试配后得到基准配合比。选取砂率为46%，水胶比为0.34，粉煤灰等质量取代水泥，掺量为20%，微硅灰等质量部分取代水泥，掺量为10%，粒径为5～10mm、10～20mm粗骨料级配比例为5:5、6:4、7:3、8:2，骨胶比为2.6、2.9、3.2、3.5、3.8，减水剂掺量为胶凝材料质量的1.3%、1.5%、1.7%、1.9%、2.1%，C60流态混凝土的具体配合比见表4，其中，1#为基准组。

1.3性能测试

坍落扩展度和T500：根据JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》将扩展度底板表面润湿，放置在平整的地面上，确保底板水平；将坍落度筒内壁润湿后放置在底板表面中央，将混凝土拌合物装入坍落度筒，一次性装满，期间无需振捣。装满后，刮除坍落度筒顶部的余料，垂直提起坍落度筒；当拌合物停止流动时，测量拌合物水平及垂直方向的直径，最终测得的坍落扩展度值为所测两个直径的平均值。测量坍落扩展度时同时记录T500。

J环扩展度：根据JGJ/T283-2012在坍落扩展度试验的基础上增加了一个J环，将J环放在底板中央，坍落度筒倒置放在J环中央，具体操作步骤与坍落扩展度试验类似，当拌合物在底板上不流动时，测量拌合物水平及垂直方向的直径，最终测量的J环扩展度值取所测两个直径的平均值。

抗压强度：根据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试混凝土的7d、28d抗压强度。

2试验结果与分析

2.1粗骨料级配

粗骨料级配对混凝土的流动性影响较大，当粗骨料级配不合理时，骨料间存在大量空隙，导致大部分砂浆被用于填充空隙，从而影响混凝土的流动性。不同粗骨料级配（1#、2#、3#、4#组）对混凝土工作性和抗压强度的影响见图1和图2。

由图1可知，随着5～10mm石子比例的增加，混凝土的坍落扩展度和J环扩展度均呈先增加后降低的趋势，坍落扩展度先由650mm增加至675mm再降低至595mm，J环扩展度先由615mm增加至645mm再降低至560mm，坍落扩展度和J环扩展度分别在粗骨料级配6:4和7:3时达到最大，J环扩展度与坍落扩展度之间的差值均小于50mm，表明混凝土具有良好的间隙通过能力。随着5～10mm石子比例的增加，混凝土的T500呈先降低后增加的趋势，当粗骨料级配由5:5变为7:3时，T500由5.92s降低至4.17s；当粗骨料级配由7:3变为8:2时，T500由4.17s增加至4.37s。

混凝土的工作性主要来源于包裹骨料的砂浆，不同级配的粗骨料会改变混凝土的空隙率和比表面积，导致包裹粗骨料的砂浆厚度不同。合理的粗骨料级配可以减少用于填充空隙的砂浆，增加包裹骨料的砂浆量，降低粗骨料间的滑动摩擦力，使得粗骨料更容易滑动，改善混凝土拌合物的工作性。在水胶比和砂率一定的情况下，随着5～10mm石子比例的增加，粗骨料堆积变得密实，空隙减少，用于填充空隙的砂浆也随之减少，混凝土的工作性得到提高，表现为扩展度增加，流动时间缩短；但继续增加5～10mm石子比例，粗骨料整体比表面积增加，需要更多的砂浆包裹骨料，砂浆包裹层厚度不足，致使混凝土的流动性下降，而若增加10～20mm石子比例，虽然砂浆包裹层足够厚，但大粒径石子流动所需要的力也较大，反而不利于混凝土的工作性。

由图2可知：随着5～10mm石子比例的增加，混凝土的7d和28d抗压强度先增后减；当粗骨料级配由5:5变为7:3时，混凝土的7d抗压强度从42.8MPa增加至45.3MPa，28d抗压强度从59.2MPa增加至65.1MPa；当粗骨料级配由7:3变为8:2时，混凝土的7d抗压强度从45.3MPa降低至38.7MPa，28d抗压强度从65.1MPa降低至56.4MPa。原因：5～10mm石子的堆积密度和比表面积较10～20mm石子高，适量增加5～10mm石子的比例可以形成更密实的骨料颗粒堆积，减少胶凝材料用量，增加混凝土的密实度，表现为抗压强度增加。而增加10～20mm石子比例，砂浆包裹层太厚，骨料易发生沉降，抗离析性能变差，混凝土的抗压强度降低。可见，粗骨料级配合理会使混凝土更密实，提高其抗压强度。

综上，混凝土的坍落扩展度和J环扩展度在粗骨料级配为6:4和7:3时相差不大，但粗骨料级配为7:3时的T500较小，且其抗压强度最高，综合来看，混凝土在粗骨料级配为7:3时性能最好。

2.2减水剂掺量

混凝土的强度和流动性是相悖的，当胶凝材料用量一定时，水胶比越低，用水量越少，混凝土的强度越高，但其流动性会降低，使用高效减水剂可以较好地解决这一矛盾。减水剂掺量（1#、5#、6#、7#、8#组）对混凝土工作性、抗压强度的影响见图3、图4。

由图3可知：随着减水剂掺量的增加，混凝土的坍落扩展度和J环扩展度增加；当减水剂掺量从1.3%增加至1.9%时，坍落扩展度从640mm增加至675mm，J环扩展度从615mm增加至650mm，增长速率逐渐降低；当减水剂掺量为2.1%时，混凝土的坍落扩展度和J环扩展度分别达到710mm、675mm，但混凝土产生离析、泌水现象；J环扩展度与坍落扩展度之间的差值均小于50mm，表明混凝土具有良好的间隙通过能力。T500随着减水剂掺量的增加而逐渐降低，但降低速率逐渐放缓。聚羧酸高性能减水剂的作用机理为水泥颗粒在分子引力的作用下形成絮状结构，将一部分水包裹在其中，而减水剂的疏水基吸附在水泥颗粒表面，亲水基指向水溶液，从而瓦解水泥颗粒的絮状结构，释放拌合水，减水剂可以起到分散、润湿、润滑作用。因此，增加减水剂掺量提高了混凝土的流动性。当减水剂达到一定量时，水泥颗粒絮状结构已被充分分散，继续掺加减水剂对混凝土的流动性影响不大，但过量掺入减水剂会使混凝土的稳定性下降，造成离析和泌水现象。

由图4可知，随着减水剂掺量的增加，混凝土的7d和28d抗压强度先增后减；当减水剂掺量从1.3%增加至1.7%时，混凝土的7d抗压强度从35.2MPa增加至45.3MPa，28d抗压强度从48.9MPa增加至65.1MPa；当减水剂掺量由1.7%增加至2.1%时，混凝土的7d抗压强度从45.3MPa减少至36.0MPa，28d抗压强度从65.1MPa减少至45.9MPa。可见，掺加适量减水剂可以释放胶凝材料絮状结构中的水，增加水与胶凝材料的接触面积，有利于胶凝材料水化反应的进行，对混凝土的抗压强度有一定的提高作用，但过量的减水剂会提高混凝土的实际水胶比，使混凝土产生离析、泌水现象，导致抗压强度降低。因此，合理的减水剂掺量有利于混凝土抗压强度的提高。

2.3骨胶比

不同骨胶比（1#、9#、10#、11#、12#组）对混凝土工作性和抗压强度的影响见图5、图6。

由图5可知，随着骨胶比的增加，混凝土的坍落扩展度和J环扩展度均呈先增加后降低的趋势；当骨胶比由2.6增加至2.9时，混凝土的坍落扩展度从635mm增加至690mm，J环扩展度从580mm增加至665mm，这是因为骨胶比较低时，骨料少而胶凝材料多，混凝土拌合物呈微离析状态，故骨胶比为2.6时坍落扩展度较小，增加骨胶比，骨料含量增加，在砂率一定的情况下，组成砂浆的胶凝材料浆体含量减少，导致起润滑作用的砂浆变得黏稠，混凝土的工作性降低；当骨胶比由2.9增加至3.5时，混凝土的坍落扩展度和J环扩展度降低；当骨胶比由3.5增加至3.8时，混凝土的坍落扩展度和J环扩展度迅速降低，说明粗骨料含量多，砂浆黏稠，降低了混凝土的流动性；J环扩展度与坍落扩展度之间的差值均小于50mm，表明混凝土具有良好的间隙通过能力。随着骨胶比的增加，T500呈先降低后增加的趋势，且增加趋势逐渐放缓。

由图6可知，随着骨胶比的增加，混凝土的7d和28d抗压强度先增加后降低；当骨胶比由2.6增加至2.9时，混凝土的7d抗压强度从42.8MPa增加至54.5MPa，28d抗压强度从62.8MPa增加至73.1MPa；当骨胶比由2.9增加至3.8时，混凝土的7d抗压强度从54.4MPa降低至35.2MPa，28d抗压强度从73.1MPa降低至46.1MPa。骨料在混凝土中起骨架作用，骨胶比变大，骨料含量适当增加，混凝土的抗压强度增加；但骨胶比过大，胶凝材料浆体含量减少，浆体与骨料的接触面积却增加，浆体与骨料的黏结性能降低，导致混凝土的强度降低；而骨胶比较低时，胶凝材料浆体含量较多，可以充分包裹骨料，与骨料间有较强的黏结作用，故混凝土的抗压强度也相对较大。综上，当骨胶比为2.9时，混凝土的抗压强度最高，骨胶比过高或过低都不利于提高抗压强度。综合考虑工作性和抗压强度，当骨胶比为2.9时，混凝土的性能最佳。

3结论

（1）粗骨料级配对流态混凝土的工作性和抗压强度有一定的影响，增加5～10mm石子比例，流态混凝土的坍落扩展度、J环扩展度和抗压强度均呈先增加后降低的趋势，T500则相反。

（2）随着减水剂掺量的增加，流态混凝土的坍落扩展度和J环扩展度增加，而T500降低，两者变化趋势均逐渐减缓，抗压强度呈先增加后降低的趋势。

（3）随着骨胶比的增加，流态混凝土的坍落扩展度、J环扩展度和抗压强度均先增加后降低，T500则先降低后增加。

（4）综合来看，当粒径为5～10mm、10～20mm的粗骨料级配比例为7:3、减水剂掺量为1.7%、骨胶比为2.9时，流态混凝土的性能最佳。（来源：《混凝土与水泥制品》2024.09）

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