超高强自密实混凝土配合比设计的关键参数研究

文摘 2025-01-22 07:01 河南

引言

目前传统的混凝土材料已难以满足现代建筑对高强度、高性能的要求，其中，普通混凝土因水胶比较高而强度表现不佳；高强混凝土虽然强度达标，但水胶比较低，工作性能欠佳，难以适应复杂的施工条件。因此，开展超高强自密实混凝土配合比设计对建筑行业高质量发展具有十分重要的现实意义。

超高强自密实混凝土水胶比低、砂率高的特点往往导致混凝土粘度过大，影响其流动性和密实度，且骨料总表面积大，浆体量需求大，浆骨比对超高强自密实混凝土性能的影响显著。为了克服这一挑战，需要精心挑选适宜的浆骨比，并对砂率进行优化调整，以促进混凝土骨料间形成更为合理的空间结构，有效提升混凝土的密实度，从而显著增强其工作性能与力学性能，确保在复杂工况下仍能保持优异的表现。

刘一帆等研究胶凝材料及骨料特性等因素对超高性能混凝土流变性能的调控规律，发现降低骨料的比表面积，可以有效改善混凝土浆体的工作性能，使其在施工过程中展现出更佳的流动性和填充能力。

黎梦圆等研究了大流动性混凝土中不同砂率与浆骨比对拌合物性能的影响，通过对不同浆骨比和砂率的混凝土拌合物进行流变性能和力学性能测试，发现降低16.07%的浆骨比，可提升混凝土的屈服应力约331%，其塑性粘度增加约204%；当砂率提高6.38%时，混凝土屈服应力的变化幅度最高能达到约27%，塑性粘度的变化幅度最大能达到约78%。

杨学涛等研究了砂率的调整对超高性能混凝土（UHPC）流动性能及其抗压、抗折强度的影响，结果表明，随着砂率的逐步升高，UHPC的工作性能与力学性能均呈先显著提升后逐渐下降的趋势，当砂率为42%～44%时，UHPC的各项综合性能达到了最优状态。

李雪梅等在研制C100高强混凝土的过程中发现，当砂率为40%，胶凝材料用量为655kg/m³，水胶比为0.20时，可成功制备出一种兼具低粘度与大流动度特性的C100超高强混凝土。

成昌康在研制高性能自密实混凝土的过程中发现，混凝土的工作性能在砂率的影响下波动较大，当砂率处于较高水平时，混凝土拌合物展现出更稳定的流变性能，但其力学性能也出现了轻微下降。

为了满足超高强自密实混凝土的施工要求，既要降低孔隙率以实现混凝土高密实度，进而提升强度，又要确保胶凝材料充分覆盖骨料表面，以维持拌合物的良好工作性。因此，本文主要探究在超高强自密实混凝土中，浆骨比与砂率对其工作性能和力学性能的影响，详细对比了超高强自密实混凝土在3、7、28d龄期的抗压强度变化；同时，通过T500扩展时间和V漏斗排空时间的测定，评估混凝土的自密实填充能力，确保其能在复杂结构中进行有效填充；并通过坍落度、坍落扩展度的检测，量化了拌合物的流动性，以及利用J型环扩展度测试，考察混凝土穿过钢筋间隙的能力。

1材料与方法

1.1试验材料

水泥：盾石牌P·Ⅰ52.5硅酸盐水泥，唐山冀东水泥股份有限公司生产，其基本性能指标见表1。

矿物掺合料：Ⅰ级粉煤灰、S105级高炉矿渣粉，河北蔚然建材科技有限公司生产，其基本性能指标见表2、表3；

硅灰，深圳市顺美材料有限公司生产，其基本性能指标见表4；

微珠，河南筑成环保科技有限公司生产。

粗骨料：5～20mm花岗岩碎石，产地山东，由5～10mm碎石和10～20mm碎石按6:4混合而成。

细骨料：花岗岩机制砂，北京某公司生产，细度模数2.8，表观密度2784kg/m³。

外加剂：PCA-HP聚羧酸高适应性减水剂，江苏苏

博特新材料股份有限公司生产，减水率可达35%，固含量40%。

1.2配合比

混凝土的基础配合比见表5。

在砂率固定为40%的条件下，选取11组不同的浆骨比制备超高强自密实混凝土，水胶比为0.20，外加剂掺量为1.3%，具体配合比见表6。

在胶凝材料用量分别为640、700、760kg/m³的条件下，选取5组不同的砂率制备超高强自密实混凝土，水胶比为0.20，外加剂掺量为1.3%，具体的配合比见表7。

1.3试验方法

混凝土的工作性能：按照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》测试超高强自密实混凝土拌合物的坍落度、扩展度、J型环扩展度、扩展时间（T500）和V漏斗排空时间。

混凝土的力学性能：按照混凝土配合比制备混凝土后，装入尺寸100mm×100mm×100mm的立方体模具，并放置在标准养护室养护，按照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》及GB/T50107-2010《混凝土强度检验评定标准》，使用电液伺服压力试验机测试混凝土的3、7、28d抗压强度。

混凝土的微观形貌：采用德国ZEISSGeminiSEM300型扫描电子显微镜观察超高强自密实混凝土的内部微观形貌和结晶形态。

2结果与分析

2.1浆骨比对超高强自密实混凝土性能的影响

2.1.1工作性能

不同浆骨比对超高强自密实混凝土拌合物工作性能的影响如图1所示。

由图1（a）可知，随着浆骨比的提高，混凝土拌合物的坍落度、扩展度、J型环扩展度均呈逐渐提高的趋势，混凝土的工作性能逐渐改善；当浆骨比从30:70提高至34:66时，混凝土拌合物的坍落度提高10.8%，扩展度提高9.1%，J型环扩展度提高14.7%；当浆骨比从34:66提高至40:60时，混凝土拌合物的坍落度提高2.1%，扩展度提高5.5%，J型环扩展度提高6.4%。

由图1（b）可知，随着浆骨比的提高，混凝土拌合物的T500和V漏斗时间逐渐降低，其填充能力提升；当浆骨比从30:70提高至34:66时，混凝土拌合物的T500时间降低51.9%，V漏斗时间降低50.0%；当浆骨比从34:66提高至40:60时，混凝土拌合物的T500时间降低18.4%，V漏斗时间降低26.5%，由此可见，提高浆骨比使得混凝土工作性能的提升幅度减小。

从各项工作性能试验测试结果来看，随着浆骨比的变化，坍落度、扩展度、J型环扩展度均稳定平缓增长，而T500时间、V漏斗时间的降低幅度较大，浆骨比对混凝土拌合物的填充能力提升较大，自密实效果增强，提浆降粘效果明显。从浆骨比对混凝土工作性能的影响来看，当浆骨比为30:70～34:66时，混凝土的工作性能涨幅较大，而当浆骨比大于34:66时，混凝土的工作性能随着浆骨比的增长逐渐平缓，这可能是因为当浆骨比较低时，浆体少而骨料多，浆体的量不足以包裹骨料的表面，骨料间缺少足够的浆体包裹、润滑，使得混凝土拌合物的工作性能较差；而当浆骨比较高时，浆体多而骨料少，浆体的量足以包裹骨料的表面，混凝土的工作性能较好。因此，为达到超高强自密实混凝土的工作性能要求，浆骨比不宜低于34:66。

2.1.2抗压强度

不同浆骨比对超高强自密实混凝土拌合物抗压强度的影响如图2所示。

由图2可知，（1）随着浆骨比的提高，混凝土的抗压强度变化规律较为明显，均呈先增大后减小的趋势。（2）当浆骨比为30:70～36:63时，混凝土的抗压强度增长幅度不断增大，在3d龄期，当浆骨比为30:70时，混凝土的抗压强度为80.4MPa，并在浆骨比为34:64时达到最大值，抗压强度为82.2MPa，抗压强度增幅为2.2%；之后随着浆骨比的增加，混凝土的抗压强度不断降低，在浆骨比为40:60时抗压强度最小，为75.1MPa，较3d抗压强度曲线的最高点降幅为8.6%。（3）在7d龄期，当浆骨比为30:70时，混凝土的抗压强度为88.4MPa，并在浆骨比为36:64时达到最大值，抗压强度为95.2MPa，增幅为7.6%；在浆骨比为40:60时，混凝土的抗压强度降至87.1MPa，较7d抗压强度曲线的最高点降幅为8.5%。（4）在28d龄期，当浆骨比为30:70时，混凝土的抗压强度为100.4MPa，并在浆骨比为36:64时达到最大值，抗压强度为122.3MPa，增幅为21.8%；当浆骨比为40:60时，混凝土的抗压强度降至113.7MPa，较28d抗压强度曲线的最高点降幅为7.6%。

对比图2中各龄期强度曲线的变化幅度，在3、7d龄期时，混凝土强度的增幅和降幅均较小，曲线较平缓，且3d龄期时在高浆骨比部分强度较低，这可能是因为浆骨比在较高范围时，混凝土中未水化完全的胶凝材料较多，致使3d抗压强度较低。李福海等的研究也得出类似判断，在混凝土强度发展的早期，胶凝材料水化程度较低，骨料强度占主导地位，随着浆骨比的提高，骨料含量相对减少，混凝土强度降低。而在28d龄期时，强度随着浆骨比的提高变化显著，这是因为在混凝土强度发展的后期，胶凝材料提供的强度占主导地位，在浆骨比提高时，随着胶凝材料的用量逐渐增大，试块的抗压强度增大，直至浆骨比为36:64时，抗压强度接近顶峰，之后浆体量增大，胶凝材料在包裹骨料表面后还有富余，使得混凝土在孔隙结构上不够密实，导致浆骨比大于36:64时，混凝土强度呈减小的趋势。

综合不同浆骨比对超高强自密实混凝土的工作性能和抗压强度试验结果，浆骨比适宜选用34:66～37:63。

2.2砂率对超高强自密实混凝土性能的影响

2.2.1工作性能

不同砂率对超高强自密实混凝土拌合物工作性能的影响如图3所示。

由图3可知，在不同胶凝材料用量下，随着砂率的提高，混凝土拌合物工作性能均呈先增后降的趋势。在胶凝材料用量为640kg/m³时，混凝土的工作性能更早达到最高点，此时砂率为40%，坍落度277mm、扩展度613mm、J型环扩展度594mm；当胶凝材料用量为700、760kg/m³时，需要更高的砂率才能使混凝土的工作性能达到最高点，此时砂率为42%，混凝土坍落度为分别280、284mm，扩展度分别为628、645mm，J型环扩展度分别为615、625mm，T500扩展时间分别为4.9、4.0s，V漏斗排空时间分别为60、47s。由此可知，当胶凝材料用量为640～760kg/m³时，为提高混凝土拌合物的工作性能，超高强自密实混凝土砂率宜选取40%～42%。

对比混凝土拌合物工作性能随砂率变化的规律可知，合理砂率存在一个最佳的范围，使混凝土拌合物工作性能达到最好。当砂率较低时，粗骨料用量相对多，细骨料不足以填补粗骨料的间隙，消耗了大量浆体填补间隙内剩余的空间，以至于没有足够的浆体包裹骨料表面，导致混凝土拌合物的流动性较差。当砂率过高时，细骨料填充粗骨料孔隙后仍有剩余，细骨料相对较多，骨料的总表面积明显增大，在不增加胶凝材料的情况下，不足以维持浆体层厚度，导致包裹骨料的润滑层变薄，骨料之间的摩擦阻力增大，混凝土拌合物的工作性能较差。

对比混凝土拌合物工作性能随胶凝材料用量变化的规律可知，随着胶凝材料用量的增大，合理砂率从40%提升至42%，混凝土拌合物的工作性能得到提升，各工作性能曲线的最高点也会后移。这可能是因为在高胶凝材料用量下，有更丰富的浆体填充粗细骨料间隙，使得混凝土拌合物工作性能更好，而提高胶凝材料用量后，剩余部分浆体没有被利用，通过提高砂率，增加细骨料与剩余浆体混合，能为混凝土拌合物带来更好的工作性能，使合理砂率后移。

在超高强自密实混凝土中，由于其超高强和自密实的性能要求，往往需要较高的砂率以保证细骨料较多，使粗骨料悬浮在混凝土中，达到自密实要求，并且提高浆体量包裹多余细骨料表面，保证超高强自密实混凝土的工作性能，因此砂率应当采用40%～42%。

2.2.2抗压强度

在不同胶凝材料用量条件下，砂率对超高强自密实混凝土拌合物抗压强度的影响如图4所示。

由图4可知，在不同的胶凝材料用量下，随着砂率的提高，超高强自密实混凝土的各龄期抗压强度变化总体均呈先增后降的趋势。当超高强自密实混凝土胶凝材料用量为640kg/m³且砂率为40%（SL-3组混凝土）时，其3、7d和28d抗压强度最高分别为77.0、93.1和116.3MPa；当胶凝材料用量提高至700kg/m3和760kg/m3且砂率为42%（SL-9和SL-14组混凝土）时，混凝土各龄期抗压强度均为最大值，28d抗压强度最大值分别为121.4MPa和122.8MPa。因此，为保证超高强自密实混凝土的力学性能，砂率宜选取40%～42%。

对比不同砂率对超高强自密实混凝土强度的影响规律可知，当砂率较低时，骨料的整体孔隙率较大，细骨料不足以填充粗骨料间隙，剩余空间较大，一方面需要消耗大量浆体，另一方面会导致骨架结构松散，导致水泥石与骨料之间的过渡区出现缺陷的概率增大，致使混凝土的强度较低；当砂率过高时，骨料整体的总表面积较大，细骨料在填充粗骨料间隙后，多余的细骨料又需要消耗大量的胶凝材料包裹表面，在胶凝材料用量不变的情况下，使得骨料整体表面的浆体层较薄，同样会导致水泥石与骨料之间结合不够紧密，混凝土的强度下降。因此，只有砂率处在最佳范围时，才能使混凝土骨料孔隙率和总表面积均较小，密实度最高，强度最高。

当砂率为40%时，胶凝材料用量为640kg/m³的混凝土的抗压强度出现最大值，但对比砂率为40%时不同胶凝材料用量下混凝土的抗压强度值，发现其变化幅度不大；但在更高的胶凝材料用量下，合理砂率后移，砂率增大至42%，混凝土强度再次增加，更高的胶凝材料用量增加了超高强自密实混凝土强度的上限。

综合不同砂率对超高强自密实混凝土的工作性能和抗压强度试验结果，当胶凝材料用量为640～760kg/m³时，在本文所用原材料情况下，超高强自密实混凝土的适宜砂率为40%～42%。

2.3 SEM图谱分析

为更明显观察到普通自密实混凝土与超高强自密实混凝土在强度发展过程中微观形貌的差异，选择配合比参数相差较大的的超高强自密实混凝土（SL-6组）与普通自密实混凝土（KB组）对比，普通自密实混凝土（KB组）和超高强自密实混凝土（SL-6组）在3、7、28d龄期的微观结构形貌分别如图5～图7所示。

由图5可知，与KB组相比，SL-6组混凝土水化3d的水泥石微观形貌更加密实，且分布大量的球状物质，推测为未进行二次水化的硅灰、微珠或粉煤灰等，而针棒状晶体空间占比较小；KB组混凝土的高水胶比为钙矾石（AFt）的生长提供了有利环境，明显拥有更多的针棒状晶体，而且晶粒尺寸较大，周围还分布了少量团簇状和片状结构的物质，可能是C-S-H凝胶和Ca(OH)₂晶体。

由图6可知，随着龄期增长至7d，KB组和SL-6组混凝土的针棒状晶体继续生长，细长的AFt针棒状晶体相互交织，空间网格结构更加紧密，并且有六边形的Ca(OH)2片状晶体均匀分布其中，起到了一定的骨架搭接作用，团簇状的C-S-H凝胶依托空间网状结构逐渐增多，填充骨架孔隙。

由图7可知，随着混凝土水化进行至28d，针棒状的空间网络逐渐长满团簇状的C-S-H凝胶，不规则的团簇结构逐渐将针状晶体覆盖，其中，高水胶比的KB组混凝土的空间结构较为松散，低水胶比的SL-6组混凝土的空间结构较为紧密。由于SL-6组混凝土中掺有大量硅灰、粉煤灰，二次水化后与片状Ca(OH)₂晶体发生反应，不仅片状Ca(OH)₂晶体的数量明显少于KB组，还生成了更多的团簇状C-S-H凝胶，使SL-6组混凝土的空间结构更加紧密，微观形貌更加饱满。

结论

本文研究了超高强自密实混凝土中不同浆骨比、砂率对其工作性能、力学性能的影响规律，得出以下结论：

（1）当浆骨比为30:70～34:66时，超高强自密实混凝土拌合物的工作性能变化幅度较大，故浆骨比不应低于34:66。超高强自密实混凝土的强度变化规律与普通混凝土一致，随着浆骨比的增大，混凝土的强度先增大后减小，混凝土强度在浆骨比为36:64时最高。综合考虑超高强自密实混凝土需要高砂率以达到自密实的工作状态和超高强的力学性能要求，在本文所用原材料下，超高强自密实混凝土浆骨比宜选用34:66～37:63。

（2）在不同胶凝材料用量下，当砂率为34%～44%时，超高强自密实混凝土的工作性能和力学性能均呈先提高后降低的趋势，并在砂率为40%～42%时，混凝土结构最密实，综合性能达到最好。随着胶凝材料用量的增大，超高强自密实混凝土的合理砂率后移，并且提高了超高强自密实混凝土强度的上限。因此，在本文所用原材料下，超高强自密实混凝土砂率宜选用40%～42%。

（3）超高强自密实混凝土与普通自密实混凝土相比，早期水化程度较低，生成的针棒状AFt晶体短小且占比较小，周围分布大量未水化的硅灰、微珠和粉煤灰球形颗粒，为后期强度的提高提供了有利基础；水泥石水化的中后期，在低水胶比条件下，水泥石被压缩得极为密实，团簇状的C-S-H凝胶与空间结构网络结合交错生长，随着掺合料的二次水化，消耗了片状的Ca(OH)₂晶体并生成C-S-H凝胶，嵌实在空间结构网络孔隙之间，使得混凝土的微观形貌更加饱满。（来源：《混凝土世界》2024.12）

砼话

“砼话”——分享混凝土知识，做混凝土技术人员的朋友，每天七点更新！您的关注，是最大的支持和鼓励！