水膠比對(duì)高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

高 云，杜春苗，李 棟，趙 平

(1.濰坊科技學(xué)院，山東省高校設(shè)施園藝實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊262700；2.濰坊科技學(xué)院，建筑工程學(xué)院，山東 濰坊 262700；3.青島科技大學(xué) 材料學(xué)院，山東 青島 266042)

混凝土是一種水泥基復(fù)合材料，它是以水泥為膠結(jié)劑，結(jié)合各種集料、外加劑等而形成的水硬性膠凝材料．混凝土具有原材料豐富，成本低，強(qiáng)度高，耐久性好，可塑性良好的優(yōu)點(diǎn)，是土木工程中用途最廣、用量最大的一種建筑材料[1-2]．混凝土配合比就是根據(jù)施工要求與工程需求，選擇所需的各種原材料，在保證混凝土工作性能和經(jīng)濟(jì)性的條件下，確定各種材料比例組成以及相應(yīng)的材料用量．良好的配合比是獲得高強(qiáng)度耐用混凝土的必備條件[3]．目前，雖然混凝土配合比設(shè)計(jì)已經(jīng)有很大的發(fā)展，創(chuàng)建了相應(yīng)的國標(biāo)和行標(biāo)，以及地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但在不同的建設(shè)工地中，每個(gè)工地的環(huán)境不同，各地所產(chǎn)的原材料也不同，導(dǎo)致了混凝土配合比設(shè)計(jì)不能完全按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的公式和方法進(jìn)行計(jì)算配制．

迄今為止，針對(duì)高強(qiáng)度混凝土配合比的研究依然不夠充分，對(duì)水膠比影響的研究成果還比較缺乏，很多工廠在配制混凝土的時(shí)候主要依賴經(jīng)驗(yàn)添加各種原料、輔料[4]．從社會(huì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的角度來看，在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，中國仍處于大建設(shè)時(shí)期，混凝土將仍然是應(yīng)用最廣、用量最大的建筑材料．隨著對(duì)節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展要求的不斷提高，對(duì)混凝土性能的要求也越來越高．鑒于此，本文對(duì)高強(qiáng)度混凝土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了不同水膠比的混凝土，測(cè)試其坍落度、抗壓強(qiáng)度等各項(xiàng)性能指標(biāo)，掌握水膠比對(duì)混凝土7 d、28 d齡期強(qiáng)度的影響規(guī)律，研究水膠比對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響，進(jìn)而確定最經(jīng)濟(jì)、高效的施工方案，選擇滿足工程要求的配料比進(jìn)行施工，實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)混凝土在工程實(shí)踐中的應(yīng)用具有重要意義．

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

混凝土用原材料主要包括水、水泥、砂、碎石、礦粉、粉煤灰和外加劑等．本實(shí)驗(yàn)各原材料用量如表1所示，其中摻合料是指礦粉和粉煤灰總量，外加劑主要是高效減水劑．

表1 高強(qiáng)度混凝土各原材料用量和配比Tab.1 Content and proportion of raw materials in high strength concrete

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將各原材料按照設(shè)計(jì)的配合比稱量好后，先將水泥、石英砂、碎石、礦粉、粉煤灰倒入攪拌機(jī)中，干拌5分鐘，使膠凝材料和石英砂得到全面接觸并達(dá)到宏觀上均勻分布，然后將水與高效減水劑混合，均勻加入攪拌機(jī)中，攪拌10 min后出料．然后將活性高強(qiáng)度混凝土材料一次裝入鋼模，裝料時(shí)用抹刀沿鋼模內(nèi)壁略加振搗，并使拌和物高出鋼模上口，振動(dòng)成型，持續(xù)到混凝土表面出漿為止，用抹刀抹平，然后將模具做好標(biāo)記放入養(yǎng)護(hù)室．試塊澆筑完畢應(yīng)立即用濕潤后的木屑覆蓋，以防止表面起皮、開裂，最后將試件放入標(biāo)養(yǎng)室，36 h后拆模．采用邊長為150 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)．將試件表面和上下承壓板擦干凈，試件安放在試驗(yàn)機(jī)的下壓板上，其承壓面與成型時(shí)的頂面垂直，試件的中心與試驗(yàn)機(jī)的下壓板中心對(duì)準(zhǔn)，開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)．當(dāng)上壓板與試件接近時(shí)，調(diào)整球座，使接觸均衡．連續(xù)均勻施加載荷，當(dāng)試件接近破壞并開始急劇變形時(shí)，調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門，直至破壞，記錄下破壞載荷，混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示．實(shí)驗(yàn)測(cè)量混凝土7 d和28 d齡期的強(qiáng)度值(R7和R28)．

坍落度的測(cè)試是用一個(gè)上口100 mm、下口200 mm、高300 mm喇叭狀的塌落度桶，分三次填裝混凝土，每次填裝后用搗錘沿著桶壁均勻地由外向內(nèi)擊25下，搗實(shí)后抹平．然后拔起桶，混凝土因自重產(chǎn)生塌落現(xiàn)象，用桶高(300 mm)減去塌落后混凝土最高點(diǎn)的高度，其差值即為坍落度．

2 結(jié)果與分析

2.1 高強(qiáng)度混凝土性能及分析

本次試驗(yàn)配制的混凝土級(jí)別為C50、C60混凝土，其抗壓強(qiáng)度和坍落度等工作性能如表2所示．所制備的兩類混凝土抗壓強(qiáng)度均大于50 MPa，屬于高強(qiáng)度混凝土范疇．兩種混凝土的坍落度在175～180 mm之間，表明其和易性較好．

表2 實(shí)驗(yàn)用高強(qiáng)度混凝土性能Tab.2 Performance of high strength concrete for experiment

通過對(duì)C50和C60混凝土強(qiáng)度進(jìn)行分析可知，兩類混凝土7 d強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的比值均大于1；而28 d強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的比值均大于1.15，如圖2所示．兩類混凝土均超過了國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50107-2010《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》)所規(guī)定的混凝土強(qiáng)度值，據(jù)此判斷所獲得的混凝土屬于高強(qiáng)度混凝土，具有優(yōu)異的性能．

圖2 配制的兩種高強(qiáng)度混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的比值Fig.2 The ratio of the measured strength to the standard strength of the two prepared high-strength concrete

由圖2可知，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制備的C50和C60混凝土獲得了良好的工作性能，其高性能主要得益于以下原因：(1)混凝土中采用了超細(xì)的摻合料．所采用的Ⅰ級(jí)粉煤灰，含有大量的硅鋁氧化物，可與水泥的水化產(chǎn)物進(jìn)行水化反應(yīng)．又由于粒度超細(xì)，參與二次水化的比表面積大，不僅可以改善混凝土的流動(dòng)性，減少水泥用量，而且可以降低孔隙率，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使孔隙的分布更加合理，進(jìn)而大大提高混凝土的性能；(2)采用了優(yōu)質(zhì)的S95級(jí)礦粉，粒度小、比表面積大，礦粉28 d的活性指數(shù)高于95%，可以發(fā)揮優(yōu)異的“火山灰效應(yīng)”[5]，使混凝土的強(qiáng)度提高；(3)采用了優(yōu)質(zhì)的骨料，骨料材質(zhì)良好，顆粒形狀規(guī)則，抗壓強(qiáng)度高．摻入骨料后粉體顆粒量增加，可形成更多微粒核心作為水泥水化附著物[6]，提高了水泥水化率，并且骨料的摻入降低了混凝土泌水量，強(qiáng)化了骨料 - 水泥漿過渡區(qū)域，提高了機(jī)械咬合作用和化學(xué)黏結(jié)作用，很好的提升了混凝土的性能；(4)添加高效減水劑，可以有效減少混凝土的單位用水量，降低水泥用量．通過坍落度實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用高效減水劑之后，雖然大大降低用水量，但是混凝土的坍落度仍然保持在175～180 mm(表2)，具有良好的和易性．

2.2 水膠比對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律

水膠比影響混凝土的流變性能、水泥漿凝聚結(jié)構(gòu)以及其硬化后的密實(shí)度[7]，因而在組成材料給定的情況下，水膠比是決定混凝土強(qiáng)度、耐久性和其他一系列物理力學(xué)性能的主要參數(shù)．從圖3可以看出，高強(qiáng)度混凝土齡期為7 d的抗壓強(qiáng)度與水膠比呈線性關(guān)系，隨著水膠比的減小，抗壓強(qiáng)度逐漸增大．當(dāng)水膠比為0.35時(shí)，混凝土的強(qiáng)度為53.0 MPa，當(dāng)水膠比為0.29時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到64.2 MPa，相比增加了11.2 MPa，增幅為21%．對(duì)圖3進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，根據(jù)擬合曲線可知，7 d混凝土強(qiáng)度與水膠比大致符合以下關(guān)系式：

(1)

圖3 高強(qiáng)度混凝土水膠比與7 d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between water-binder ratio of high strength concrete and compressive strength for 7 days

本實(shí)驗(yàn)選擇28 d強(qiáng)度值作為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值．從圖4中可以看出，混凝土齡期為28 d的抗壓強(qiáng)度與水膠比呈線性關(guān)系，隨著水膠比的減小，強(qiáng)度逐漸增大．當(dāng)水膠比為0.35時(shí)，混凝土的強(qiáng)度為59.6 MPa，當(dāng)水膠比為0.29時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到75.9 MPa，相比增加了16.3 MPa，增幅為27%．對(duì)圖4進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)混凝土齡期為28 d的抗壓強(qiáng)度與水膠比符合以下關(guān)系：

(2)

圖4 高強(qiáng)度混凝土水膠比與28 d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 Relationship between water-binder ratio and 28-day compressive strength of high strength concrete

由圖(3)～(4)發(fā)現(xiàn)，隨著水膠比的降低，齡期為7 d和28 d的混凝土抗壓強(qiáng)度均大幅度提升．水膠比的大小直接影響到混凝土的孔隙率、密度和力學(xué)性能．隨著水膠比的降低，混凝土強(qiáng)度有著較顯著的提升．混凝土強(qiáng)度主要是由水泥水化生成的膠凝性產(chǎn)物決定的，且水泥硬化初期的反應(yīng)產(chǎn)物數(shù)量主要取決于與水反應(yīng)的水泥顆粒的表面積．在混凝土凝結(jié)硬化過程中，如若水膠比過高，一方面，基體內(nèi)部的水化反應(yīng)需水量較少，過量水的摻入直接導(dǎo)致基體強(qiáng)度下降[8]；另一方面，過量的自由水會(huì)在孔隙水壓力的作用下發(fā)生遷移、泌水，從而產(chǎn)生一定量的微小毛細(xì)孔，這會(huì)增大混凝土的孔隙率，使混凝土密實(shí)性變差[9]，從而降低了混凝土的強(qiáng)度．另外，混凝土是含有孔隙的不均質(zhì)體，砂子(和小粒徑石子)會(huì)進(jìn)入孔隙中，砂子表面形成的水膜會(huì)引起混凝土的沉降收縮和水泥漿水化收縮，從而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，甚至將會(huì)引起微裂紋、出現(xiàn)干縮裂縫[10]．這不僅會(huì)減少荷載時(shí)有效受力面積，而且在孔隙周圍以及水泥及砂子的界面上也會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中[11]，降低混凝土的抗壓強(qiáng)度．所以，在混凝土設(shè)計(jì)過程中，為保證混凝土的強(qiáng)度要盡可能的減小水膠比．但是，水膠比減小、混凝土強(qiáng)度增大后，其和易性會(huì)降低，而且水膠比過低，混合料的粘度很大，在振搗過程中其內(nèi)部的空氣難以排出，將會(huì)較大程度影響密實(shí)度，影響使用效果，因此混凝土的設(shè)計(jì)需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用合理確定水膠比．

2.3 水膠比對(duì)混凝土強(qiáng)度增量的影響

混凝土的強(qiáng)度增長過程就是凝膠材料中的化學(xué)成分(硅酸鹽、鋁酸鹽等)水化反應(yīng)的過程．通過計(jì)算分析，隨著水膠比的增大，混凝土養(yǎng)護(hù)7 d后的強(qiáng)度增大趨勢(shì)逐漸放緩，水膠比與強(qiáng)度增長呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，如圖5所示．當(dāng)水膠比為0.29時(shí)，混凝土強(qiáng)度增量(ΔR=R28-R7)為11.7 MPa，而當(dāng)水膠比為0.35時(shí)，強(qiáng)度增量僅為6.6 MPa．隨著水膠比增加，強(qiáng)度增量呈直線下降．

圖5 水膠比與高強(qiáng)度混凝土7 d后強(qiáng)度增量的關(guān)系Fig.5 Relationship between water-binder ratio and strength increment of high strength concrete after 7 days

實(shí)驗(yàn)配制的高強(qiáng)度混凝土7 d齡期之后的強(qiáng)度增長率((R28-R7)/R7)表示每單位水膠比混凝土強(qiáng)度增長的幅度．圖6展示了混凝土水膠比與強(qiáng)度增長率的關(guān)系，當(dāng)水膠比為0.29時(shí)，強(qiáng)度增長率為18.2%，而當(dāng)水膠比為0.35時(shí)，強(qiáng)度增長率僅為12.5%，兩者之間呈直線下降趨勢(shì)，與圖5中相似，但數(shù)據(jù)離散性較大．

圖6 高強(qiáng)度混凝土水膠比與7 d后強(qiáng)度增長率的關(guān)系Fig.6 The relationship between cement ratio of high-strength concrete and the growth rate of strength after 7 days

本實(shí)驗(yàn)中，在C50和C60混凝土中分別添加了1.14%和1.2%的高效減水劑(表1)．摻入減水劑后，減水劑的憎水基團(tuán)定向吸附于水泥顆粒表面，而親水基團(tuán)指向水溶液，構(gòu)成單分子或多分子層吸附膜[12]．由于表面活性劑的定向吸附，使水泥膠粒表面帶有相同符號(hào)的電荷，在同性相斥的作用下，不但能使水泥—水體系處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，而且能使水泥在加水初期所形成的絮凝狀結(jié)構(gòu)分散解體，將絮凝結(jié)構(gòu)內(nèi)的水釋放出來[13]，使得反應(yīng)更加充分，故7 d齡期后混凝土抗壓強(qiáng)度以較大的幅度增加．當(dāng)水膠比過大時(shí)，混凝土本身含水量較高，減水劑又將水泥水化生成的絮凝結(jié)構(gòu)中的水釋放出來，體系中將會(huì)存在過量的水，從而大大增加水泥結(jié)構(gòu)中的孔隙率．水膠比增大也會(huì)使內(nèi)部二次水化不完全，水化產(chǎn)物的減少導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織稀疏，使得混凝土強(qiáng)度增加的幅度下降[14]．水泥熟料中含有的游離CaO/MgO遇水后熟化極緩慢，熟化所產(chǎn)生的體積膨脹延續(xù)很長時(shí)間，會(huì)破壞水泥結(jié)構(gòu)，使混凝土強(qiáng)度增幅下降．這種現(xiàn)象隨水含量增大，將變得更嚴(yán)重，故隨著水膠比的增大，7 d后強(qiáng)度的增量及相對(duì)增長率呈下降趨勢(shì)(圖5～6)．另外，水膠比對(duì)混凝土中的自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響也嚴(yán)重影響混凝土強(qiáng)度的增長．混凝土中的自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨水膠比的增大而增大，隨著水膠比的增大，氯離子擴(kuò)散程度越大，擴(kuò)散速度越快，混凝土的抗腐蝕能力下降[15]，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度、強(qiáng)度增量及增長率降低．其原因主要是水膠比大的混凝土本身原料中含有大量的水分，而這些水分蒸發(fā)后將會(huì)在混凝土中留下許多毛細(xì)孔隙，致使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致密，因而氯離子在混凝土中的擴(kuò)散更加方便，傳輸速率也更大．氯離子侵入混凝土結(jié)構(gòu)使得內(nèi)部應(yīng)力增大[16]，使得混凝土產(chǎn)生微裂紋，抗壓強(qiáng)度降低，強(qiáng)度的增量及相對(duì)增長率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)．

2.4 摻合料對(duì)高強(qiáng)度混凝土性能的影響

本文配制的C50混凝土礦物摻合料的加入量為20%，C60混凝土中礦物摻合料的加入量為15%(表1)．雖然C50中粉煤灰的摻加量高于C60，但其強(qiáng)度仍然遠(yuǎn)高于同級(jí)別混凝土的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度．實(shí)驗(yàn)所采用的粉煤灰顆粒粒形圓整、表面很光滑、質(zhì)地十分致密，提高水泥的致密度、抗?jié)B性，改善水泥粒子的填充性，并且粉煤灰的微集料效應(yīng)改善了水泥水化環(huán)境，提高了混凝土均勻性．粉煤灰的加入彌補(bǔ)了水泥漿與骨料結(jié)合面不良的缺陷，增大了混凝土的強(qiáng)度．C50混凝土與C60混凝土相比，粉煤灰取代部分水泥后，水泥的水化產(chǎn)物相對(duì)減少，而粉煤灰早期水化較慢，未能有效彌補(bǔ)減少的水泥水化產(chǎn)物，造成界面聯(lián)結(jié)薄弱[17]，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不足．由于摻合料的相對(duì)密度小于水泥，因此所形成的漿體體積大，使得混凝土的流動(dòng)性增加，坍落度達(dá)到175～180 mm．

粉煤灰中含有以酸性氧化物為主的玻璃體，該玻璃體可以與水泥水化的產(chǎn)物(Ca(OH)2)發(fā)生“火山灰反應(yīng)”[18]．粉煤灰中含有大量的SiO2和Al2O3，水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2作為堿性激發(fā)劑能夠促進(jìn)粉煤灰的水化．Ca(OH)2與粉煤灰之間存在著一個(gè)水膜層，受擴(kuò)散控制的溶解反應(yīng)造成粉煤灰微珠表面溶解，反應(yīng)生成物沉淀在顆粒的表面上．后期Ca2+繼續(xù)通過表層和沉淀的水化產(chǎn)物層向心部擴(kuò)散，通過擴(kuò)散作用穿過水膜層，與粉煤灰顆粒生成較多的C-S-H(水化硅酸鈣凝膠)及C-A-H等水化產(chǎn)物[19]，此水化產(chǎn)物在顆粒表面進(jìn)行沉積，之后水膜層繼續(xù)被填實(shí)，并與水泥水化產(chǎn)物聯(lián)結(jié)，其中C-A-H可以和氯離子反應(yīng)生成Friedel鹽[20]，提高化學(xué)固化量，而C-S-H凝膠能夠吸附較多的氯離子，提高物理吸附量，從而混凝土內(nèi)部粘結(jié)強(qiáng)度增大，這將提高混凝土強(qiáng)度．

本實(shí)驗(yàn)采用的礦粉有非常出色的“潛在活性”，在不摻加激發(fā)劑的條件下，水泥中的石膏和Ca(OH)2能夠激發(fā)礦粉的活性，并且水化產(chǎn)物能夠在基體內(nèi)獲得更好的配列[21]．礦粉內(nèi)的主要化學(xué)成分是Ca(OH)2、SiO2和Al2O3，這些成分將參與二次水化反應(yīng)，在反應(yīng)過程中吸收大量的CH晶體，使混凝土中尤其是界面過渡區(qū)的CH晶粒變小、變少．由于CH被大量吸收反應(yīng)，水化反應(yīng)速度加快，水泥石與骨料界面粘結(jié)強(qiáng)度及水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)得到改善，提高了混凝土的密實(shí)性，硬化混凝土，從而提高了混凝土的強(qiáng)度．

3 結(jié)語

本文根據(jù)某公路施工要求實(shí)際設(shè)計(jì)并制備了不同配合比的高強(qiáng)度混凝土，研究了配合比對(duì)混凝土工作性能的影響，分析了水膠比與抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度增量的關(guān)系規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

(1)采用52.5 MPa級(jí)優(yōu)質(zhì)水泥、砂、碎石、超細(xì)摻合料等原材料，添加少量高效減水劑，成功制備性能優(yōu)良的高強(qiáng)度混凝土，C50級(jí)別混凝土的強(qiáng)度可達(dá)65.1 MPa，C60級(jí)別可達(dá)75.9 MPa；

(3)隨著水膠比增加，混凝土7 d后抗壓強(qiáng)度增量和相對(duì)增長率均減小，呈直線下降趨勢(shì)．