機制砂自密實混凝土配合比參數研究*

吳定略 曹亮宏 朱偉勝 盧自立 沈衛國 吉曉莉 葉雍欣

(1.廣東省長大公路工程股份有限公司 廣州 510620; 2.湖北利民建設工程咨詢有限公司 襄陽 441100；3.武漢理工大學材料科學與工程學院 武漢 430070；4.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070；5.武漢理工-加州伯克利混凝土科學與技術聯合實驗室 武漢 430070)

自密實混凝土出現以來，諸多學者對自密實混凝土配合比設計進行了研究。Brouwers等[1]采用堆積理論，將固體組分作為整體考慮其級配組成，采用改進的Andrease & Andersen PSD模型研究了不同細度的砂對混凝土性能的影響，并形成了一種新的設計理念；WU Q.等[2]提出了一種基于水泥凈漿流變性能的自密實混凝土配合比設計方法；中國臺灣學者SU Nan[3]提出了Packing Factor(PF)的概念，并以PF為基礎，設計出了一種簡便的低水泥用量中等強度的SCC配合比設計新方法。

目前機制砂在自密實混凝土的應用也取得了較大的成功：SHEN等[4]將拋填骨料工藝應用到自密實混凝土中，從改進施工工藝的角度制備出了高粗集料含量的生態自密實混凝土；周明凱等[5]研究了C50機制砂混凝土在預置T梁中的應用；菅瑞海[6]研究了機制砂高強混凝土的性能。Prakash Nanthagopalan等[7]利用機制砂成功配制出了不同中低強度等級(C25～C60)的自密實混凝土；蔣正武等[8]通過優化混凝土配合比基本參數、復摻外加劑和復摻大摻量礦物摻和料等技術手段，配制出了強度等級達到C50以上的大摻量礦物摻和料機制砂自密實混凝土。

但目前的自密實混凝土配合比設計方法普遍存在膠凝材料用量富余過大的問題，不僅浪費資源還影響混凝土結構的耐久性。本文研究了機制砂配制自密實混凝土時粗集料堆疊率和體積砂率對自密實混凝土工作性和強度的影響，采用文萊膠做流變性改性劑，改善機制砂混凝土抗離析泌水能力，制備了具有良好技術經濟性的機制砂自密實混凝土。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗原料

水泥采用P·O 42.5水泥；粉煤灰(FA)采用一級粉煤灰；天然砂為中粗江砂，其細度模數為2.80，含泥量<1%，表觀密度為2 650 kg/m3；機制砂細度模數為3.24，表觀密度為2 560 kg/m3，泥塊含量<1%，亞甲藍MB值指標為0.5%；粗集料采用粒級為4.75～9.5 mm和9.5～25 mm的2檔碎石，壓碎值指標為12.4%，實測表觀密度為2 710 kg/m3；減水劑采用SP-CR8聚羧酸高效減水劑，減水率約為28%。采用文萊膠改善機制砂自密實混凝土的泌水和離析。水泥和粉煤灰物理性能分別見表1和表2，化學組成見表3。

表1 水泥物理性能

表2 粉煤灰物理性能

表3 水泥及粉煤灰的化學組成 %

1.2 試驗方法

混凝土拌和物性能采用坍落度、坍落擴展度和T5003個指標進行綜合評價。坍落度測試參照GB/T 50080-2000 《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》 進行。在進行坍落度測試時，同時測定混凝土拌和物在水平面上兩垂直方向的擴展值，并記下提起坍落度筒開始至混凝土拌和物擴散至平均擴展值為500 mm時所需時間T500。7 d，28 d混凝土抗壓強度測試參照GB/T 50081-2002 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》 進行，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

1.3 試驗配比

具體的混凝土配合比方案見表4。

表4 機制砂自密實混凝土配合比

2 試驗結果與討論

2.1 堆疊率和體積砂率對機制砂自密實混凝土工作性能的影響

經驗表明，體積砂率宜控制在0.42～0.44，當體積砂率超過0.42時，拌和物會發生堵塞現象，堵塞概率隨體積砂率的增加而增加；當砂漿的體積砂率超過0.44時，堵塞概率為100%；雖然體積砂率小于0.42時不會產生堵塞，但漿體量變多從而增加收縮，影響構筑物的長期耐久性能[9]，但粗集料堆疊率為0.5，0.6，0.65下的3組試驗結果都表明，在不同堆疊率的情況下，體積砂率超過0.44時仍可以配制出滿足工作性能要求的自密實混凝土。當PR=0.65時，拌和物中漿體明顯變少，不足以裹覆骨料和攜帶其運動，特別是當體積砂率超過0.45時，自密實混凝土拌和已經難以滿足工作性能的要求，故此時只研究了體積砂率在0.42～0.45范圍內的變化。表5給出了PR=0.65時體積砂率對自密實混凝土拌和物工作性能的影響。

表5 PR=0.65時體積砂率對自密實混凝土拌和物工作性能的影響

試驗結果表明：3組不同堆疊率的機制砂自密實混凝土拌和物的坍落度和擴展度隨體積砂率的變化趨勢相同。

圖1顯示了PR=0.5時，體積砂率對混凝土坍落度和擴展度的影響。

圖1 PR=0.5時體積砂率對擴展度和坍落度的影響

由圖1可見，在相同堆疊率的情況下，隨著體積砂率的升高，坍落度逐漸降低，擴展度呈現先升高后降低的趨勢，而且在體積砂率為0.48時出現明顯的變化，當低于0.48時，隨著體積砂率的升高，坍落度和擴展度隨體積砂率的變化相對緩慢，混凝土工作性良好；當體積砂率高于0.48時，隨著體積砂率的升高，坍落度和擴展度迅速降低，混凝土的工作性也逐漸變差，影響混凝土成型時的自密實性。這主要是因為，體積砂率超過0.48時，繼續升高導致拌和物中漿體體積明顯減小，對集料的包裹性逐漸變差，不能運載集料顆粒一起流動，所以坍落度和擴展度減小。

PR=0.5，0.6時體積砂率對T500的影響見圖2。

圖2 PR=0.5，0.6時體積砂率對T500的影響

由圖2可知，各組機制砂自密實混凝土拌和物T500的值均在5～20 s的范圍內；堆疊率相同時，隨著體積砂率的增大，T500總趨勢是先降低后升高；堆疊率對T500達到最小值時對應的體積砂率也有影響，PR=0.5時，T500在體積砂率為0.48時達到最小值，PR=0.6時，T500在體積砂率為0.49時達到最小值。可見，當堆疊率PR≤0.65時，選用合適的體積砂率可以配制出工作性能良好的機制砂自密實混凝土。

2.2 體積砂率對機制砂自密實混凝土強度的影響

PR=0.5，0.6，0.65時，體積砂率對混凝土強度的影響見圖3。

圖3 PR=0.5，0.6，0.65時，體積砂率對混凝土強度的影響

在相同堆疊率的情況下，隨著體積砂率的提高，混凝土強度逐漸降低，這主要是因為在同樣堆疊率的情況下，體積砂率的提高導致拌和物中漿體體積變小，對集料的包裹性能變差，拌和物流動時屈服應力增大，導致混凝土工作性能變差，影響了混凝土的自密實性能，成型時混凝土內部缺陷增加，因此強度越來越低。此外，混凝土達到相應工作性能時水粉比(W/P)增加，所需拌和用水量增加，這可能是由于機制砂中石粉含量高，導致混凝土固體顆粒體系總的比表面積增大，需要更多的自由水來潤滑體系，這也是混凝土強度隨著體積砂率的提高而降低的原因之一。

2.3 機制砂與河砂自密實混凝土堆疊率最大值的比較

試驗中發現，當堆疊率超過0.65 時，拌和物中漿體太少，無法運載集料顆粒產生流動，配制出的混凝土達不到自密實的效果。這主要是由于較高的堆疊率意味著較高的粗集料含量，即使在體積砂率達到下臨界值0.42時，漿體仍不足以包裹集料顆粒，所以采用該機制砂配制自密實混凝土時，粗集料堆疊率的上限為0.65，表6為PR=0.7時，河砂自密實混凝土工作性能。

表6 PR=0.7時河砂自密實混凝土工作性能

由表6可知，當PR=0.7，體積砂率為0.5，漿體體積更少時，河砂自密實混凝土仍然具有較好的工作性。

可見采用河砂配制自密實混凝土時，粗集料堆疊率的上限值超過機制砂自密實混凝土。這主要是因為機制砂與河砂相比，表面粗糙、棱角多。在相同條件下，機制砂自密實混凝土拌和在流動過程中產生的內摩擦力大于河砂自密實混凝土，所以，當堆疊率相同時，機制砂自密實混凝土的流動性要小于河砂自密實混凝土。此外，機制砂的級配較差，這也是導致機制砂自密實混凝土拌和物的工作性能劣于河砂自密實混凝土的另一因素。當堆疊率和砂率較小時，這種缺陷可由漿體來補足。

3 結論

1) 當粗集料堆疊率PR≤0.65時，采用機制砂可以配制出工作性能和強度都滿足要求的自密實混凝土。

2)PR相同時，體積砂率超過0.44時，仍可以配制出滿足要求的機制砂自密實混凝土；PR=0.5，0.6時，體積砂率超過0.48時，機制砂自密實混凝土的工作性能明顯變差；PR=0.65時，最大體積砂率為0.45。

3) 相同堆疊率的情況下，機制砂自密實混凝土的強度隨體積砂率的升高而降低。

4) 利用機制砂配制自密實混凝土時，粗集料堆疊率的最大值為0.65，低于利用河砂配制自密實混凝土時粗集料堆疊率的最大值0.7。