自密實(shí)混凝土中砂漿與粗骨料的離析趨勢(shì)

蔡基偉，曹鑫*，李朋，賈翔宇，王賀月，李汶晉

（河南大學(xué)循環(huán)與功能建材實(shí)驗(yàn)室，河南 開封 475004）

0 引言

自密實(shí)混凝土（SCC）給施工帶來(lái)極大便利，近年來(lái)在工程中的應(yīng)用逐漸增多。自密實(shí)混凝土是一種具有諸多優(yōu)點(diǎn)的高性能混凝土，應(yīng)用前景非常廣闊，但迄今尚無(wú)一致認(rèn)同的離析程度測(cè)定方法[1]。對(duì)自密實(shí)混凝土離析程度的表征方法，還存在無(wú)法量化、模糊等問(wèn)題，絕大多數(shù)仍以目測(cè)作為唯一手段。自密實(shí)混凝土的離析和泌水問(wèn)題尚未得到重視[2]，目前對(duì)自密實(shí)混凝土離析和泌水的研究較少。而離析和泌水對(duì)混凝土的勻質(zhì)性、強(qiáng)度和耐久性都會(huì)造成影響，也是造成混凝土不均勻收縮的內(nèi)在因素[3]。本文擬通過(guò)測(cè)試拌合物試體中特征點(diǎn)表觀密度及粗骨料含量，用石子分布梯度和拌合物密度梯度等參數(shù)表征自密實(shí)混凝土的離析程度，探索自密實(shí)混凝土中砂漿與粗骨料的離析趨勢(shì)。

1 試驗(yàn)原材料與方法

1.1 原材料

（1）水泥：配制 A 組和 B 組混凝土所用水泥為P·F32.5 水泥，密度 2.96g/cm3；配制 C 組混凝土所用水泥為 P·O42.5 水泥，密度 3.04g/cm3。

（2）粉煤灰：為 Ⅰ 級(jí)粉煤灰，密度 2.30g/cm3。

（3）細(xì)骨料：采用兩種河砂摻配，摻配后表觀密度 2600kg/m3，含泥量 7.7%，細(xì)度模數(shù) 2.45，級(jí)配見圖1(a)。

（4）粗骨料：為 5～20mm 連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度 2740kg/m3，含泥量 0.08%，級(jí)配見圖 1(b)。

（5）外加劑：采用聚羧酸系高性能減水劑（母液），摻量為 0.6%～0.7%，減水率為 25% 左右，引氣量為 2%～3%。

1.2 試驗(yàn)方法

圖1 骨料的級(jí)配曲線

1.2.1 試驗(yàn)方案

考慮到強(qiáng)度等級(jí)較低的混凝土膠凝材料相對(duì)較少，拌合物離析的可能性較大，因此用 P·F32.5 水泥分別配制 C20（A 組）和 C30（B 組）自密實(shí)混凝土，用P·O42.5 水泥配制 C30 自密實(shí)混凝土（C 組）。每組再分別設(shè)計(jì)三個(gè)坍落擴(kuò)展度目標(biāo)值（700mm、650mm 和600mm），共九個(gè)試樣。各試樣的單位用水量、水灰比和減水劑摻量均相同，粉煤灰作為摻合料和補(bǔ)充粉料。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4,5]設(shè)計(jì)具體配合比，見表 1。

表1 自密實(shí)混凝土試驗(yàn)配合比

1.2.2 拌合物表觀密度和石子含量的測(cè)定

提起坍落度筒混凝土流動(dòng)停止后，按圖 2 所示特征點(diǎn)取樣?；炷猎圀w的中心頂部為上點(diǎn)（2 點(diǎn)），中心底部為下點(diǎn)（0' 點(diǎn)），中心下部為中心點(diǎn)（0 點(diǎn)），靠近邊緣的為邊點(diǎn)（1 點(diǎn)）。

圖2 混凝土取樣示意圖

1.2.2.1 各特征點(diǎn)表觀密度的測(cè)定

（1）用 100mL 自制容量筒（內(nèi)徑 50mm、凈高50mm）分別在 2 點(diǎn)和 0' 點(diǎn)取拌合物試樣，稱重并計(jì)算拌合物表觀密度。

（2）用 1L 標(biāo)準(zhǔn)容量筒在中心點(diǎn)（0 點(diǎn)）取 1L 拌合物，在邊點(diǎn)（1a、1b 連同其垂直方向另外兩點(diǎn)共四點(diǎn)各取約 1/4）共取 1L 拌合物，稱重并計(jì)算拌合物表觀密度。

1.2.2.2 中心點(diǎn)及邊點(diǎn)石子含量的測(cè)定

在上步用 1L 標(biāo)準(zhǔn)容量筒測(cè)定拌合物表觀密度后，將試樣過(guò) 5mm 篩，洗凈無(wú)明水后，稱取篩上石子質(zhì)量。石子質(zhì)量與容量筒凈體積之比即得石子含量。

1.3 離析表征參數(shù)

如果把單位距離內(nèi)密度差異定義為密度梯度，則可按式 (1)～式 (3) 定義拌合物徑向密度梯度（γx）、石子徑向分布梯度（γgx）與拌合物豎向密度梯度（γy）。徑向和豎向點(diǎn)間距分別簡(jiǎn)化為混凝土流動(dòng)停止后擴(kuò)展面的半徑（中心到邊緣）和混凝土試體高度（頂點(diǎn)到地面）。徑向梯度方向以擴(kuò)展方向（0 點(diǎn)到 1 點(diǎn)）為正值，豎向梯度方向以坍落方向（2 點(diǎn)到 0' 點(diǎn)）為正值。

式中：

ρ0(ρ0’), ρ2, ρ1——混凝土試體中心點(diǎn)（下點(diǎn)）、中心上點(diǎn)和邊點(diǎn)表觀密度，kg/m3；

mg0,mg1——中心點(diǎn)和邊點(diǎn)石子含量，g/dm3；

Sl, Sf——坍落度和坍落擴(kuò)展度，mm；

γx, γy, γgx——拌合物徑向密度梯度、豎向密度梯度和石子徑向分布梯度，g/dm4。

2 結(jié)果與討論

2.1 自密實(shí)混凝土的基本性能測(cè)試結(jié)果

按照表 1 中配合比試配混凝土，基本性能測(cè)試結(jié)果如表 2 所示。

表2 自密實(shí)混凝土的基本性能測(cè)試結(jié)果

由表 2 數(shù)據(jù)可知，各組自密實(shí)混凝土性能指標(biāo)基本滿足規(guī)范[5]要求。

2.2 自密實(shí)混凝土的離析表征參數(shù)

按圖 2 所示方法取樣，計(jì)算相應(yīng)的表觀密度（ρi）和石子含量（mgi），按式 (1)～式 (3) 計(jì)算各梯度值，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表 3。

表3 各特征點(diǎn)表觀密度、石子含量及其梯度值

表 3 中的梯度數(shù)據(jù)多數(shù)為正值，個(gè)別為負(fù)值。徑向密度梯度 γx為正值時(shí)，說(shuō)明混凝土流動(dòng)停止時(shí)，混凝土試體中心點(diǎn)表觀密度大于邊點(diǎn)；反之，說(shuō)明中心點(diǎn)表觀密度小于邊點(diǎn)。豎向密度梯度 γy為正值時(shí)，說(shuō)明混凝土坍落停止時(shí)，混凝土試體頂層表觀密度大于底層；反之，說(shuō)明頂層表觀密度小于底層。石子徑向分布梯度γgx始終為正值，說(shuō)明混凝土流動(dòng)停止時(shí)，混凝土試體中心點(diǎn)石子含量一直多于邊點(diǎn)，或者說(shuō)邊緣石子含量一直少于中心位置，即石子由中心沿半徑方向的擴(kuò)散速度始終小于砂漿的擴(kuò)展速度。

2.3 自密實(shí)混凝土離析程度的劃分指標(biāo)

對(duì)拌合物徑向密度梯度（γx）、豎向密度梯度（γy）和石子徑向分布梯度（γgx）作正態(tài)分析，可得到三個(gè)梯度值的正態(tài)分布圖。由于自密實(shí)混凝土坍落度很大，流動(dòng)停止后混凝土試體的上點(diǎn)（2 點(diǎn)）和下點(diǎn)（0'）只能用小容量筒（100mL）取樣，拌合物試樣代表性較差，γy計(jì)算結(jié)果與目測(cè)結(jié)果稍有偏差。在邊點(diǎn)（1a、1b 等）取樣時(shí)，個(gè)別試樣由于泌水原因而取樣的可靠性較差，引起 γx計(jì)算結(jié)果與目測(cè)結(jié)果存在偏差。比較而言，石子徑向分布梯度（γgx）較為準(zhǔn)確可靠，并且與目測(cè)結(jié)果一致（如圖 3），因此首先考慮以石子徑向分布梯度（γgx）為劃分自密實(shí)混凝土離析程度的指標(biāo)。

圖3 石子徑向分布梯度統(tǒng)計(jì)分析圖

由圖 3 可知，石子徑向分布梯度（γgx）的均值μ=20.56，均值左右基本對(duì)應(yīng)于目測(cè)離析程度的“輕微離析”；均值減去一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差后 μ-σ=8.53，γgx＜μ-σ 時(shí)基本對(duì)應(yīng)于目測(cè)的“不離析”；均值加上一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差后 μ+σ=32.59，γgx≥μ+σ 時(shí)基本對(duì)應(yīng)于目測(cè)的“嚴(yán)重離析”。為便于應(yīng)用且易于分級(jí)，本文以石子徑向分布梯度每增加 10g/dm4升高一級(jí)，即 γgx＜10g/dm4為“不離析”（0 級(jí)）；10g/dm4≤γgx＜20g/dm4為“輕度離析”（1 級(jí)）；20g/dm4≤γgx＜30g/dm4為“中度離析”（2 級(jí)）；30g/dm4≤γgx＜40g/dm4為“重度離析”（3級(jí)）；γgx≥40g/dm4為“極度離析”（4 級(jí)）。

自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展過(guò)程中，混凝土試體不停地變形，拌合物徑向密度梯度（γx）與石子徑向分布梯度（γgx）存在明顯相關(guān)性（如圖 4）。

圖4 各梯度值間的關(guān)系

由圖 4 可以看出，當(dāng)拌合物離析程度較輕（γgx＜15g/dm4）時(shí)，上層石子含量略多，同時(shí)邊點(diǎn)表觀密度略大于中心點(diǎn)，這是由于拌合物偏粘，石子下落阻力較大，多數(shù)隨砂漿水平移動(dòng)，邊點(diǎn)取樣時(shí)水分取不上來(lái)而對(duì)拌合物表觀密度測(cè)試值影響較大。當(dāng)混凝土存在明顯離析（γgx＞15g/dm4）時(shí)，混凝土粘聚性越差，石子水平移動(dòng)速度越小于砂漿移動(dòng)速度，混凝土試體邊點(diǎn)密度越小于中心點(diǎn)密度；同時(shí)由于粘聚性較差，石子下落阻力較小，上層密度越來(lái)越小、下層密度越來(lái)越大。鑒于此，可以將拌合物徑向密度梯度（γx）作為劃分離析程度的次要指標(biāo)。

2.4 自密實(shí)混凝土離析因素分析

自密實(shí)混凝土拌合物擴(kuò)展面直徑達(dá)到 500mm 的時(shí)間（T500）對(duì)豎向密度梯度（γy）影響較明顯，相關(guān)性較好（如圖 5）。

圖5 豎向密度梯度（γy）與 T500 的關(guān)系

由圖 5 可以看出，T500≈5s 為明顯突變點(diǎn)，當(dāng) T500＜5s 時(shí)，拌合物粘度過(guò)小，石子下降阻力較小，引起上層密度減??；T500略大于 5s 時(shí)，拌合物粘度略有增加，而砂漿擴(kuò)展速度仍然很快，石子下落時(shí)間較短，上層密度相對(duì)較大；隨著 T500進(jìn)一步增加，拌合物越來(lái)越粘，石子趨于隨砂漿整體流動(dòng)，豎向密度梯度逐漸趨于0。

拌合物徑向密度梯度（γx）和石子徑向分布梯度（γgx）與坍落度（Sl）存在一定相關(guān)性（如圖 6），而與坍落擴(kuò)展度（Sf）的關(guān)系不甚明顯。

圖6 徑向梯度（γx 和γgx）與坍落度（Sl）的關(guān)系

由 6 可以看出，隨著坍落度的增加，拌合物徑向密度梯度（γx）和石子徑向分布梯度（γgx）逐漸增加，即影響混凝土坍落度的因素，同時(shí)作用于徑向梯度（γx和γgx），坍落度越大，混凝土中砂漿與粗骨料離析的趨勢(shì)越明顯。

圖5 和圖 6 所示的影響圖素都是表象因素，并不是內(nèi)在因素。在自密實(shí)混凝土試樣配合比設(shè)計(jì)中，由于固定了單位用水量、水粉比和外加劑摻量等參數(shù)，在屏蔽這些參數(shù)影響的條件下，自密實(shí)混凝土離析程度與砂漿表觀密度（ρm）存在一定關(guān)系（如圖 7）。

圖7 砂漿表觀密度（ρm）對(duì)混凝土離析的影響

由圖 7 可以看出，砂漿表觀密度較小時(shí)，拌合物徑向密度梯度（γx）和石子徑向分布梯度（γgx）較大，即混凝土試體中心密度較大（石子含量較多）、靠近邊緣的密度較?。ㄊ雍枯^少）。豎向密度梯度（γy）隨砂漿表觀密度（ρm）的變化趨勢(shì)與徑向梯度不全相同，砂漿密度適中（ρm=2100～2120kg/m3）時(shí)，拌合物均勻性良好，豎向密度梯度（γy）很??；ρm＜2100kg/m3時(shí)，水膠比相對(duì)較大，膠凝材料相對(duì)較少但Ⅰ級(jí)粉煤灰摻量較大，因而漿體流動(dòng)性較大，上層拌合物中的漿體分離趨勢(shì)較強(qiáng)，骨料移動(dòng)較慢，造成拌合物上層密度大于下層密度；ρm＞2120kg/m3時(shí)，水膠比相對(duì)較小，膠凝材料相對(duì)較多，同時(shí)砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù)也較大、粗骨料體積率較小，石子下沉阻力較大，拌合物上層密度也會(huì)大于下層。由于混凝土坍落度大，只得用小容器取樣，試樣代表性差，數(shù)據(jù)有些離散。

3 結(jié)論

針對(duì) C20～C30 自密實(shí)混凝土，基于坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)中特征點(diǎn)拌合物的表觀密度與石子含量，關(guān)于自密實(shí)混凝土中砂漿與粗骨料的離析趨勢(shì)，得出如下初步結(jié)論：

（1）以石子徑向分布梯度（γgx）表征自密實(shí)混凝土的離析程度較為準(zhǔn)確可靠，宜作為主要?jiǎng)澐种笜?biāo)。γgx＜10g/dm4時(shí)劃為“不離析”（0 級(jí)），γgx每增加10g/dm4則依次升高為“輕度離析”（1 級(jí)）、“中度離析”（2 級(jí)）、“重度離析”（3 級(jí)）和“極度離析”（4 級(jí)）。

（2）自密實(shí)混凝土徑向密度梯度（γx）與石子徑向分布梯度（γgx）的相關(guān)性很高，徑向密度梯度（γx）可作為劃分自密實(shí)混凝土離析程度的次要指標(biāo)。

（3）當(dāng)自密實(shí)混凝土明顯離析（γgx＞15g/dm4）時(shí)，拌合物粘聚性越差，石子水平移動(dòng)距離就越落后于砂漿，越靠近邊緣，拌合物表觀密度就越小。

（4）從表象上看，自密實(shí)混凝土拌合物擴(kuò)展面直徑達(dá)到 500mm 的時(shí)間 T500≈5s 為豎向密度梯度（γy）的突變點(diǎn)，T500≤5s 時(shí)，拌合物極易發(fā)生分層；隨著 T500的增加，拌合物越來(lái)越粘，石子趨于隨砂漿整體流動(dòng)，離析趨勢(shì)減弱。因此，配制自密實(shí)混凝土?xí)r，要盡可能使 T500在 6s 以上。

（5）影響混凝土坍落度的因素同時(shí)作用于拌合物徑向密度梯度（γx）和石子徑向分布梯度（γgx），坍落度越大，混凝土中砂漿與粗骨料離析的趨勢(shì)就越明顯。

（6）砂漿表觀密度是影響自密實(shí)混凝土離析的內(nèi)在因素，C20～C30 自密實(shí)混凝土中砂漿適宜的表觀密度大致為 2100～2120kg/m3，此時(shí)拌合物均勻性良好；砂漿表觀密度偏小時(shí)，混凝土擴(kuò)展面中心石子含量較多、拌合物表觀密度較大，靠近邊緣的石子含量較少、拌合物表觀密度較??；砂漿表觀密度偏大時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生離析。