鄒天豪,周新剛,曲祖功

(煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺 264005)

礦物摻和料的使用對改善混凝土的性能,實(shí)現(xiàn)混凝土的生態(tài)、綠色、可持續(xù)發(fā)展有重要意義。礦物摻和料改善混凝土性能的機(jī)理與摻和料的化學(xué)成分、粒度分布及粒徑特征有關(guān),粒度分布與粒徑特征會影響膠材的密實(shí)度[1]。根據(jù)最大密實(shí)度理論,混凝土的密實(shí)度與水膠比、骨料堆積密度及膠材的堆積密度有關(guān)[2]。為研究材料密實(shí)度問題,陸續(xù)有學(xué)者提出了一些計算顆粒堆積密實(shí)度的數(shù)學(xué)模型。FURNAS[3]在 1930年提出了主要針對圓形顆粒,且在小顆粒填充大顆粒,但不影響大顆粒體系假設(shè)下的計算模型;1976 年 TOUFAR等[4]提出了計算兩種混合顆粒粒徑比在 0.22～1.0之間的密實(shí)度計算模型;LARRARD[5]在總結(jié)已有堆積密實(shí)度計算理論的基礎(chǔ)上,提出了虛擬堆積密實(shí)度的概念,建立了基于壓實(shí)指數(shù)與實(shí)際堆積密實(shí)度關(guān)系的CPM模型;FENNIS[6]進(jìn)一步考慮了顆粒間相互作用對堆積密實(shí)度的影響,提出了CIPM模型。雖然堆積密實(shí)度的分析計算模型已有研究,但考慮外加劑作用、膠材粒徑分布及其級配效應(yīng)的膠凝體系堆積密實(shí)度研究較少。礦粉、粉煤灰等礦物摻和料在預(yù)拌混凝土生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用,但其摻量主要依靠經(jīng)驗(yàn)。為合理確定礦物摻和料的種類及摻量,本文對膠材的密實(shí)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并研究了減水劑的影響。

1 膠材粒度分布分析

1.1 顆粒粒度分布分析

本研究中選用的水泥為PO42.5水泥,摻和料分別為S95礦粉和I級粉煤灰。水泥及摻和料的物理性能見表1。在研究膠材堆積密實(shí)度前,首先采用粒度分析儀測量各種材料的粒度分布,然后研究不同摻和料混摻的粒度分布。3種材料的粒度分布實(shí)測結(jié)果見圖1,粒度分布區(qū)間見表2。

表1 水泥、粉煤灰和礦粉的物理性能

圖1 粉體粒度分布

表2 膠材粒徑區(qū)間分布

結(jié)合圖1和表2可知,水泥和礦粉粒徑分布趨勢基本相同,但在小顆粒的分布上有明顯差異,0～10 μm粒徑區(qū)間兩者相差9.6%左右。水泥、礦粉和粉煤灰粒度分布差異較大。

1.2 復(fù)合膠材粒度分布分析

分別采用單摻礦粉、單摻粉煤灰和雙摻礦粉粉煤灰3種方式,按不同摻加比例,計算復(fù)合膠材體系的粒度分布,分析計算結(jié)果見圖2—5。圖2為水泥、礦粉及其各種比例復(fù)合的粒度分布曲線,由于所用水泥及礦粉的粒度分布曲線基本一致,因此復(fù)合并沒有改變其粒度分布。而當(dāng)兩種材料的粒徑分布有明顯差異時,如本文的I級粉煤灰和水泥,摻和后其復(fù)合體系的粒徑分布就會發(fā)生顯著變化(圖3)。復(fù)合膠材體系中,小顆粒會填充大顆粒的空隙,大小顆粒之間的填充效應(yīng)才會顯現(xiàn),使空隙率降低、密實(shí)度增加。

圖2 單摻礦粉復(fù)合膠凝材料粒度分布

圖3 單摻粉煤灰復(fù)合膠凝材料粒度分布

圖4、圖5為粉煤灰和礦粉雙摻時的粒度分布圖。圖4中粉煤灰的摻量較小,圖5則較大,而所用粉煤灰的粒度分布與礦粉及水泥有較大差別,因此隨著粉煤灰摻量的變化,復(fù)合膠材的粒度分布有明顯變化。

圖4 雙摻復(fù)合膠凝材料粒度分布(低摻量粉煤灰)

圖5 雙摻復(fù)合膠凝材料粒度分布

2 復(fù)合膠材堆積密實(shí)度試驗(yàn)

由表1可見,3種膠材在干燥松散堆積狀態(tài)下,其堆積密度較小,空隙率較大。當(dāng)膠材加水?dāng)嚢栊纬蓾{體后,其膠材的密實(shí)度和密度會增加。干燥狀態(tài)下膠材的松散堆積密實(shí)度不能代表漿體中的密實(shí)度狀態(tài)。因此,研究粉料從干燥狀態(tài)到漿體狀態(tài)時的密實(shí)度更為重要。

為研究不同摻量礦物摻和料在漿體狀態(tài)下對復(fù)合膠材密實(shí)度的影響,試驗(yàn)實(shí)測了單摻礦粉、單摻粉煤灰和雙摻礦粉粉煤灰三種情況下復(fù)合膠材體系的密實(shí)度。通過實(shí)測不同復(fù)合膠材體系的堆積密實(shí)度,研究礦物摻和料種類、摻量及外加劑對堆積密實(shí)度的影響極其影響規(guī)律。密實(shí)度實(shí)測試驗(yàn)采用法國路橋試驗(yàn)中心(LCPC)推薦的最小需水量法[7]。試驗(yàn)過程如下:采用凈漿攪拌機(jī),首先倒入部分水,然后將 350 g待測粉體倒入攪拌鍋,慢速攪拌 1 min,然后高速攪拌 1 min,暫停后清理粘在葉片、鍋邊緣和底部的拌和物,再以高速攪拌,攪拌過程中不斷用滴管向鍋內(nèi)滴水并觀察,直至拌和物從初始的潮濕固體變成平坦、均勻、連續(xù)的漿體時停止,并測定和記錄所用水量,可根據(jù)公式(1)計算粉體密實(shí)度。

(1)

式中:αR為粉體顆粒密實(shí)度,Mw為水質(zhì)量(kg),MB為粉體質(zhì)量(kg),ρ為粉體密度(kg/m3),其中復(fù)合粉體顆粒的密度可采用實(shí)測或用式(2)計算。

ρ=α1ρ1+α2ρ2,

(2)

式中:α1為平均粒徑較小顆粒體積分?jǐn)?shù),α2為平均粒徑較大顆粒體積分?jǐn)?shù),ρ1為平均粒徑較小顆粒密度,ρ2為平均粒徑較大顆粒密度。

2.1 減水劑對復(fù)合膠材體系密實(shí)度的影響

為研究減水劑對于膠材體系密實(shí)度的影響,選取水泥及不同摻量的膠凝材料進(jìn)行試驗(yàn)。由圖6—8可知,隨著減水劑的增加,不同膠材的密實(shí)度都顯著增加,且都在減水劑折固含量0.4%達(dá)到最大密實(shí)度。因?yàn)闇p水劑能夠抑制粉體顆粒水化團(tuán)聚,使粉體顆粒在未水化的初始狀態(tài)達(dá)到緊密堆積[8]。說明增加減水劑摻量可以提高膠材密實(shí)度,達(dá)到最大密實(shí)度時,減水劑的飽和摻量為折固含量0.4%左右。

圖6 不同減水劑下水泥密實(shí)度

圖7 不同減水劑下?lián)?0%礦粉密實(shí)度

圖8 不同減水劑下?lián)?0%粉煤灰密實(shí)度

圖9和圖10為復(fù)合膠材隨減水劑摻量的變化曲線。減水劑對于不同膠材的影響趨勢相同,但影響幅度卻有明顯差別。從圖11和圖12可知,當(dāng)減水劑從0增加到折固含量0.15%左右時,單摻粉煤灰和純水泥的密實(shí)度增幅都在8%左右,而單摻礦粉的密實(shí)度增幅卻較小,當(dāng)摻量為50%時,增幅只有5.5%。說明在低減水劑摻量下,減水劑的分散效果對于礦粉的影響較低。而隨著減水劑的增加,不同摻量下復(fù)合膠材的密實(shí)度增加量逐漸接近,當(dāng)減水劑在折固含量0.4%達(dá)到飽和摻量,此時復(fù)合膠材的密實(shí)度增量都在13%左右。

圖9 不同減水劑下單摻礦粉密實(shí)度

圖12 不同減水劑下單摻粉煤灰密實(shí)度增量

2.2 摻和料對復(fù)合膠材體系密實(shí)度的影響

膠材的種類和摻量不同,密實(shí)度也會不同。由圖13和圖14可知,在固定減水劑摻量時,隨著粉煤灰摻量的增加密實(shí)度增加,但粉煤灰摻量超過30%,密實(shí)度不再增加反而有下降趨勢。

圖13 減水劑折固含量為0不同粉煤灰摻量下密實(shí)度變化

圖14 減水劑折固含量為0.3%不同粉煤灰摻量下密實(shí)度變化

由前所述,本研究中所用粉煤灰的粒徑分布與水泥和礦粉有較大不同,小粒徑的比例較大,增加粉煤灰摻量可以改善膠凝體系的粒度分布。且粉煤灰的粒型為圓球狀,比水泥顆粒的粒型更加均勻,使得小顆粒能夠有效填充大顆?？障?提高密實(shí)度。當(dāng)粉煤灰摻量超過30%,密實(shí)度不增反降,說明該摻量下小顆粒數(shù)量已經(jīng)超過了需要填充的顆?？障丁?/p>

由圖15和圖16可知,在固定減水劑摻量時,隨著礦粉摻量的增加密實(shí)度降低,礦粉摻量超過40%,密實(shí)度不再降低。水泥與礦粉的粒形都是多面體,其粒徑分布相似,但細(xì)顆粒的含量相對水泥較多(表2),其互相填充的效應(yīng)較差。隨著單摻礦粉的增加卻明顯降低膠凝體系密實(shí)度,說明礦粉的粒型相比水泥更加不規(guī)則[9]。

圖15 減水劑折固含量為0不同礦粉摻量下密實(shí)度變化

圖16 減水劑折固含量為0.3%不同礦粉摻量下密實(shí)度變化

圖17和圖18為減水劑飽和摻量下,各復(fù)合膠材的密實(shí)度。由圖見,單摻礦粉降低膠凝體系密實(shí)度,單摻粉煤灰提高膠凝體系密實(shí)度;雙摻情況下,粉煤灰摻量30%和礦粉摻量10%時,密實(shí)度最大,能達(dá)到0.641 2,比純水泥高5%左右。說明雙摻的膠凝體系粒度范圍更廣,更容易使小顆粒填充大顆?？障丁?/p>

圖17 不同礦粉摻量下密實(shí)度變化

圖18 不同粉煤灰摻量下密實(shí)度變化

3 堆積密實(shí)度計算及參數(shù)取值

3.1 CIPM模型計算理論

CIPM 模型是目前發(fā)展較為成熟、考慮顆粒間相互作用較為充分、應(yīng)用范圍較為廣泛的顆粒堆積密實(shí)度計算理論,CIPM模型計算堆積密實(shí)度的公式如下[10]。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:αR為膠材密實(shí)度,αRi為i粒級顆粒的實(shí)際堆積密實(shí)度，βVi為i粒級顆粒的虛擬堆積密實(shí)度，βVti為i粒級顆粒在受其他粒級顆粒影響下的虛擬堆積密實(shí)度，di為i粒級顆粒的平均粒徑，dj為j粒級顆粒的平均粒徑，dc為25μm大小的顆粒粒子，Ri為i粒級顆粒的體積分?jǐn)?shù)，Rj為粒級顆粒的體積分?jǐn)?shù)，CLe為松散效應(yīng)系數(shù)，CWe為壁效應(yīng)系數(shù)，Leij為j級顆粒對i級顆粒影響下的松散效應(yīng)系數(shù)，Weij為j級顆粒對i級顆粒影響下的壁效應(yīng)系數(shù)，K為堆積狀態(tài)特征值,一般取值6.7[10]。根據(jù)公式(5)可計算αR膠材密實(shí)度。

CIPM模型計算的準(zhǔn)確性,主要取決于上述參數(shù)。文獻(xiàn)建議[11],CLe為松散效應(yīng)系數(shù)CWe為壁效應(yīng)系數(shù)的取值分別為1.6和0.8。按照公式(3)—(7)及文獻(xiàn)中的參數(shù)分析計算,復(fù)合膠材試驗(yàn)值及計算值見圖19和圖20。由圖可見,計算值與試驗(yàn)值的曲線變化趨勢基本相同,差別在于具體數(shù)值。在各種情況下,計算值都高于試驗(yàn)值,說明計算公式中的參數(shù)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

圖19 不同礦粉摻量下密實(shí)度變化

圖20 不同粉煤灰摻量下密實(shí)度變化

3.2 參數(shù)取值校核

由公式(3)—(7)可見,CIPM模型計算精度主要取決該模型對應(yīng)的相互作用系數(shù)的參數(shù)取值CLe和CWe。為獲得CLe和CWe值,利用最小二乘法對相互作用系數(shù)修正。

(8)

式中：D為最小二乘誤差，M1(i)為不同比例粉體材料密實(shí)度理論模型計算值，M0(i)為不同比例粉體材料密實(shí)度試驗(yàn)值，n為每組試驗(yàn)個數(shù)。

通過分析,DCS=0.017 2,DCFA=0.028 4時,CIPM模型計算值與減水劑折固含量0.4%的密實(shí)度試驗(yàn)值最為接近,如圖21和圖22所示。此時CIPM模型對應(yīng)的相互作用系數(shù)CLe=1.5,CWe=1.0。

圖21 不同礦粉摻量下密實(shí)度變化

圖22 不同粉煤灰摻量下密實(shí)度變化

由圖23和圖24可知,當(dāng)減水劑摻量不同時,該效應(yīng)系數(shù)的CIPM計算值與試驗(yàn)值的偏差較大。減水劑折固含量0.3%試驗(yàn)值與計算值誤差在1.5%左右,減水劑折固含量0.15%試驗(yàn)值與計算值誤差在5%左右,不摻減水劑試驗(yàn)值與計算值誤差在13%左右。因?yàn)樗缮⑿?yīng)系數(shù)和壁效應(yīng)系數(shù)與材料特性以及顆粒表面力相關(guān)[11],當(dāng)材料不變,隨著減水劑的增加顆粒間的相互作用力發(fā)生變化。對于選定的減水劑摻量,選擇對應(yīng)的松散效應(yīng)系數(shù)和壁效應(yīng)系數(shù)才能保證CIPM模型的計算精度。

圖23 不同減水劑下試驗(yàn)值與計算值

圖24 不同減水劑下試驗(yàn)值與計算值

4 結(jié) 論

膠凝體系的密實(shí)度不僅與摻和料的摻量和比例有關(guān),也與膠材的粒度分布有很大關(guān)系。本文所用材料中,水泥和礦粉粒度分布趨勢基本相同,礦粉顆粒比水泥顆粒的粒型更加不規(guī)則,所以增加礦粉摻量降低膠凝體系的密實(shí)度。粉煤灰粒度分布與水泥有明顯差異,且粒型比水泥更均勻?yàn)閳A球狀,增加粉煤灰的摻量能夠改善膠凝體系密實(shí)度。減水劑能夠提高顆粒之間的分散作用,增強(qiáng)了小顆粒填充大顆粒的效果,從而增加了密實(shí)度。CIPM計算值與顆粒粒度分布和減水劑摻量有關(guān),當(dāng)選用不同摻和料比例和減水劑摻量時,CIPM模型的效應(yīng)系數(shù)都會發(fā)生改變,用實(shí)測值進(jìn)行修正就可以得到適應(yīng)性效應(yīng)系數(shù),從而提高了計算精度。

試驗(yàn)研究表明,本文使用的I級粉煤灰、S95礦粉,當(dāng)其摻量別為30%和10%時,聚羧酸減水劑的折固用量達(dá)到0.4%左右,漿體的密實(shí)度最大。