砂率對固定當量粉體體積機制砂自密實混凝土工作性能的影響

陳鐵衛，趙 舜，李固華，周 靜，曹 波

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 611756)

砂率對固定當量粉體體積機制砂自密實混凝土工作性能的影響

陳鐵衛，趙 舜，李固華，周 靜，曹 波

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 611756)

采取當量粉體體積法設計機制砂自密實混凝土試驗配合比，首先通過砂漿稠度試驗確定各粉體的當量系數并試配出合理的當量粉體體積，然后在固定當量粉體體積的條件下，研究砂率變化對自密實混凝土工作性能的影響。通過坍落擴展度試驗、J環試驗和L型儀試驗測試機制砂自密實混凝土拌合物的填充性、間隙通過性和穩定性等工作性能。試驗結果表明:砂率在47% ～59%時，機制砂自密實混凝土拌合物的自密實性總體上隨砂率增加先增強后減弱;砂率在53% ～56%時存在最優砂率，使得固定當量粉體體積的機制砂自密實混凝土的自密實性最佳。

機制砂 當量粉體體積 自密實混凝土 自密實性

自密實混凝土是一種特殊的高性能混凝土，能僅依靠自重而無需機械振搗作用密實均勻地填充于模板空間，因此其對混凝土拌合物的和易性要求很高。在改善混凝土和易性時，日本偏重于采用增加粉體、減少骨料用量的方法，但是這種方法使得混凝土收縮增加，抗裂性能降低。歐洲在粗骨料用量一定的條件下，更注重于選用合理的砂率來改善混凝土和易性。但是相同配合比下，混凝土中不同品種的粉體對拌合物和易性影響很大。已有研究發現［1］，在相同的粉體體積下，達到相同的稠度粉煤灰的需水量只有硅酸鹽水泥的83.6%，而偏高齡土為186.9%，膨潤土為409.6%，可見不同粉體性能差別很大。這也是自密實混凝土配合比難以確定的重要原因。

目前，天然砂已難以滿足基礎建設對其用量的需求［2］，故很多工程采用了機制砂來替代天然砂［3］。由于機制砂與天然砂在細度模數、級配等性質上的差異，在自密實混凝土中使用機制砂需要進一步的研究。國內已有不少自密實混凝土的試驗研究，如徐杰等［4］研究了砂率對自密實混凝土工作性能的影響;何盛東等［5］研究了不同替代率下機制砂混凝土劈裂抗拉強度的變化規律。但是在這些試驗研究中，由于粉體性能不同或相同質量的粉體體積不同，混凝土砂率的影響試驗沒有排除粉體的干擾，結果偏差大。故本文以機制砂自密實混凝土為研究對象，采用李固華教授提出的當量粉體體積法配制機制砂混凝土［6-7］，在固定當量粉體體積的條件下研究砂率對自密實混凝土性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水泥為都江堰牌的拉法基P．O42.5普通硅酸鹽水泥;礦物摻合料為遂寧熱電廠生產的優質Ⅱ級粉煤灰和硅灰，并加入石灰石粉;減水劑為四川巨星新型材料有限公司生產的巨鑫牌JX-GBNHY3型高性能減水劑，減水率達到30%，含氣量3%;粗骨料為5～25 mm連續級配碎石;細骨料為機制砂，其基本性能指標見表1。

表1 機制砂各項性能指標

1.2 采用當量粉體體積法的配合比設計

依據機制砂自密實混凝土的自密實性，采用當量粉體體積法設計配合比。借鑒《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)中粉煤灰需水量比的測定方法，通過砂漿稠度試驗測得各粉體當量系數(表2)。然后，設定所配自密實混凝土的自密實性等級為I級［8］，計算并試配出能滿足其等級要求的當量粉體體積為197 L/m3，得到基準配合比。以基準配合比為基礎，在固定當量粉體體積的條件下，改變砂率，砂率分別取47%，50%，53%，56%，59%的試驗配合比見表3。

表2 粉體的當量系數

表3 固定當量粉體體積時的試驗配合比

1.3 試驗方案

采用坍落擴展度試驗、J環試驗和L型儀試驗測試 A1，A2，A3，A4，A5五組自密實混凝土拌合物的填充性、間隙通過性和穩定性。

1)坍落擴展度試驗

在溫度(15±2)℃，相對濕度(70±5)%的條件下，根據《普通混凝土拌合物試驗方法標準》(GB 50080—2002)，10 s內垂直平穩地提起坍落度筒，記錄從坍落度筒提起開始至坍落擴展至直徑500 mm時所經歷的時間t500，待擴展完成后測定各組新拌混凝土的坍落擴展度。其中，坍落擴展度用于評判新拌混凝土的填充性(表4);t500反映新拌混凝土的擴展速率，與拌合物黏度有關。

表4 自密實混凝土拌合物的填充性分類

參照美國ASTM標準［9］，采用視覺穩定性指數方法，觀察坍落擴展后的拌合物表觀情況，判斷混凝土拌合物是否具有良好的穩定性。視覺穩定性指數(VSI)分類見表5。

2)J環試驗

按《自密實混凝土應用技術規程》(JGJ/T 283—2012)進行J環試驗，測試拌合物的間隙通過性。在坍落度筒周圍固定一個J環，模擬拌合物需通過的模板內鋼筋。然后提起坍落度筒，待拌合物流動停止后，測量J環中心位置拌合物頂面至 J環頂面的高度差，然后沿J環外緣過圓心兩垂直方向分別測量4個位置混凝土拌合物頂面至J環頂面的高度差，從而計算各組J環阻塞高差BJ。阻塞高差越小，阻塞風險就越小，間隙通過性就越強。J環試驗阻塞風險分類見表6。

表5 視覺穩定性指數分類

表6 J環試驗阻塞風險分類

3)L型儀試驗

參考《自密實混凝土應用技術規程》(JGJ/T 283—2012)中的規定，將混凝土拌合物裝入 L型儀中，然后開啟滑動閘板，待拌合物靜止流動后，測量豎向方形柱內混凝土拌合物高度H1以及水平槽內離方形柱較遠一端混凝土拌合物的高度 H2，計算通過率PR。通過率PR可反映一定間距的鋼筋對混凝土拌合物的阻塞作用，當PR≥0.8時，該混凝土拌合物具有較好的間隙通過性。

2 試驗結果與分析

2.1 砂率對自密實性的影響

各組試驗的結果匯總于表7。

由表7可知，砂率在47% ～53%時，坍落擴展度隨砂率增加而增加，此時填充性等級為Ⅱ級;而砂率在53% ～56%時，坍落擴展度變化不大，而當砂率增加到59%時，坍落擴展度下降，填充性等級降為Ⅰ級，因此在53%～56%應存在一個最大坍落擴展度。隨著砂率的增加，坍落擴展時間t500減小，表明拌合物的擴展速率在增大。對于大型工程結構的澆注施工或是預制構件施工，增大拌合物擴展速率可提高生產效率。

表7 各組試驗的結果匯總

分析表7中阻塞高差 BJ發現:砂率在47% ～56%時，阻塞高差逐漸減小，間隙通過性不斷增強，且減小幅度在變小，砂率56%時的阻塞高差最小，且與砂率為53%時的阻塞高差相差不大;砂率＞56%時，阻塞高差隨砂率增加而增加，且增加幅度較大，此時間隙通過性隨砂率增加而減小。結合L型儀試驗中通過率PR的變化趨勢可見，間隙通過性隨砂率增加先增強后減弱。當砂率在53% ～56%時，混凝土拌合物間隙通過性最強。

根據表7中各組的穩定性等級VSI和表5可知，A1出現輕微的砂漿光環和骨料堆積現象，VSI=2，穩定性差;A2，A5無明顯離析但有輕微泌水，VSI=1，穩定性一般;A3，A4無明顯離析或泌水，VSI=0，穩定性好。這說明砂率在47%～59%時，機制砂自密實混凝土的抗離析性隨砂率增加先增強后減弱。砂率在53% ～56%時，抗離析性變化較小，且達到最好。

2.2 機理分析

在當量粉體體積不變的條件下，隨著砂率的增大，機制砂自密實混凝土拌合物的填充性、間隙通過性和抗離析性總體上呈先增強后減弱的趨勢。將混凝土體系視為由砂漿和粗骨料組成的兩相復合材料，并將砂漿看成由細骨料(砂子)和漿體兩相組成的復合材料［10］，對該試驗結果進行分析。

機制砂的粒形一般圓形度較好［11］，故在混凝土中存在明顯的雙重效應，一是圓形顆粒的滾動減水效應;二是比表面積大，需水量高。

當用水量一定，且當量粉體體積固定時，若砂率較小，則起滾動減水作用的顆粒減少，粗骨料間的空隙增大，此時漿體會先填充粗骨料間的空隙，缺少足夠的漿體來包裹粗骨料進行潤滑。因此，當砂率較小時，自密實混凝土的填充性較差，且由于部分粗骨料缺少漿體包圍而離析，抗離析性與間隙通過性較差。若砂率過大，則細骨料的總比表面積增大，所需漿體與水均增多，但由于固定當量粉體體積且用水量不變，因此混凝土拌合物內部摩擦力增強，填充性、抗離析性和間隙通過性均降低。根據試驗結果可知，砂率在53% ～56%時存在最優砂率，使得機制砂自密實混凝土自密實性最佳。

3 結論

1)當量粉體體積固定不變時，本試驗配制的機制砂自密實混凝土拌合物在砂率為53%～56%時存在最佳自密實性。超出這一范圍，機制砂自密實混凝土拌合物性能降低甚至不滿足要求。

2)合理的當量粉體體積是自密實混凝土配制的必要條件。在這一條件下，仍存在最佳砂率。在實際施工中應綜合考慮工程對自密實性等級的要求，先計算并試配出合理的當量粉體體積，再通過多組試驗選取最優機制砂率配制機制砂自密實混凝土。

［1］于春輝．低強度高性能機制砂混凝土和易性的研究［D］．成都:西南交通大學，2013．

［2］HE Jiayin，LI Guhua．The Influence of Sand Ratio on Concrete Performance in the Case of Fixed Powder Paste［C］//Applied Mechanics and Materials．Switzerland:Trans Tech Publications，2014:1276-1281．

［3］徐大禎．高性能機制砂混凝土耐久性的研究［D］．成都:西南交通大學，2013．

［4］徐杰，葉燕華，朱鐵梅．砂率對自密實混凝土工作性能的影響［J］．混凝土，2013(4):101-103．

［5］何盛東，栗蕾，李廣慧，等．機制砂混凝土劈裂抗拉強度的試驗研究［J］．混凝土，2014(11):50-52．

［6］顧海朋，魏群，李固華，等．當量粉體體積對自密實混凝土工作性能的影響［J］．工業建筑，2014，44(增 1):920-922．

［7］徐大禎，李固華，魏群，等．粉體體積對機制砂低強度混凝土和易性的影響［J］．鐵道科學與工程學報，2013，10(6):69-73．

［8］中華人民共和國住房和城鄉建設部．JGJ/T 283—2012自密實混凝土應用技術規程［S］．北京:中國建筑工業出版社，2012．

［9］American Society for Testing and Materials．C1611 Standard Test Method for Slump Flow of Self-Consolidating Concrete［S］．Philadelphia:ASTM International，2009．

［10］龍廣成，謝友均．自密實混凝土［M］．北京:科學出版社，2013．

［11］劉秀美．機制砂作混凝土細骨料的研究［D］．濟南:濟南大學，2013．

Influence of sand ratio on working performance of self-compaction concrete with manufactured sand in condition of fixed
powder equivalent volume

CHEN Tiewei，ZHAO Shun，LI Guhua，ZHOU Jing，CAO Bo

(School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 611756，China)

The paper applies the power equivalent volume method in the design of experimentally proportional ratio for self-compaction concrete of machine-made sand．It starts with identifing the equivalent coefficient of different powders via mortar consistency test，and pilots the powder equivalent volume accordingly． Afterwards with the volume stands as a fixed value，the paper studies the influence of sand coarse aggregate ratio to the working performance of self-compaction concrete with machine-made sand．It conducts slump-divergence test，J-ring test，L-shaped instrument test to study the fillibility，permeability and stability of the self-compaction concrete mixture．The results indicate that as the sand ratio increases within a range of 47%to 59%，the self-compaction performance of the mixture improves and then declines．It needs to be noted that the optimal ratio stands within 53%to 56% ，during which the self-compaction performance of the concrete with machine-made sand of fixed and powder equivalent volume has been proven to be the most preferable．

Machine-made sand;Powder equivalent volume;Self-compaction concrete;Self-compaction performance

TU528.041

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．38

1003-1995(2015)07-0134-04

2015-02-10;

2015-04-10

四川省交通科技項目(2011D-04-2)

陳鐵衛(1994— )，男，成都崇州人。

(責任審編 葛全紅)