泵送混凝土成型后拋石量對強度和結構的影響研究①

□□ 宋旭艷，姜正平，喬 波，周林才，方 韌，郜志海

(1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011；2.蘇州第一建筑集團有限公司，江蘇 蘇州 215123)

引言

目前施工中廣泛采用的泵送混凝土，因為需要滿足其泵送流動度會大量添加粉煤灰等礦物摻合料、提高砂率，而形成不了石子的堆聚骨架。因而在施工中，大量粉料組成的漿體體積穩定性很差，使得泵送混凝土工程非常容易產生早期開裂[1-2]。本文即研究流態混凝土“懸浮結構”在完成其泵送施工后，通過拋石將其轉化為硬化后性能優良穩定的“堆聚結構”，著重研究拋石量對該流態混凝土強度和結構的影響，以期為拋石混凝土的工程應用提供一定的試驗依據。

1 原材料

試驗所用水泥為海螺牌P·Ⅱ 52.5水泥，其密度為3.1 g/cm3，初凝時間為100 min，終凝時間為165 min，比表面積為340 m2/kg。使用的粉煤灰密度為2.0 g/cm3，強度影響系數為0.75。

細骨料為天然河砂，其含泥量為0.4%，細度模數為2.37，屬于Ⅱ區的中砂。粗骨料為級配良好的5～25 mm的碎石。

外加劑為聚羧酸高效減水劑，液體呈淡黃色的透明狀，經測定其固含量為40.7%，當摻量為0.3%時，減水率為29.7%。

2 試驗過程

首先，根據JGJ 55—2016《普通混凝土配合比設計規程》，采用半定量半經驗的設計方法，通過增大用水量、摻加粉煤灰與調整砂率三種方式，設計坍落度為180～220 mm、強度等級為C40的泵送混凝土，混凝土配合比見表1。

表1 C40泵送混凝土配合比 kg/m3

其次，將按表1配比設計的混凝土以普通混凝土的成型方式裝模并振實成型，根據同強度空白對照試塊表面浮漿的多少，預留出5～10 mm的空余，以防止添加拋石后大量水泥漿體被擠出試模。隨后將準備用作拋石的粗骨料以混凝土質量的3%、6%、9%、12%、15%、18%分別置于混凝土試塊表面，使用手持平板振動器邊振動邊將拋石壓入混凝土試塊中。其中，手持平板振動器的振動時間不固定，需持續震動至拋石表面完全被水泥漿體浸沒，且持續振動10 s后試塊表面無氣泡上浮后方可停止振動。拋石摻量較多時，可以分次加入，此時為控制成型時間，可以只需最后一次加入拋石后達到上述要求即可。整個試塊成型過程需盡快完成，自混凝土攪拌起不得超過15 min。成型結束后立即在試件表面覆蓋一層保鮮膜防止水分蒸發，進而進行標準養護至需要齡期取出，測定其各項性能。

另外，為了具有可比性，未拋填粗骨料的基準混凝土根據標準方法裝模并振實成型后，需與拋石混凝土一樣使用手持平板振動器進行表面振實和再次抹面，隨后放入標準養護室進行養護。

3 結果與討論

3.1 拋石量對混凝土力學性能的影響

不同拋石量的混凝土強度試驗結果見表2。表2中結果顯示，隨著拋石量的增加，混凝土強度逐漸上升，當拋石量達到12%時，抗壓強度達到最大值，隨后其抗壓強度開始下降，但其強度仍大于不摻拋石的基準混凝土強度。

表2 混凝土強度試驗結果

從強度結果來看，拋石量對泵送混凝土3 d抗壓強度的影響比較小，7 d后拋石混凝土抗壓強度增長幅度明顯增大，拋石量對28 d的抗壓強度的影響較大，但均呈先增后減趨勢。與基準混凝土相比，當拋石量為3%～9%時，拋石混凝土28 d的抗壓強度增長10%左右；拋石量提高至12%時，混凝土28 d抗壓強度增長幅度最大，達到20.7%；繼續增加拋石量達15%時，28 d抗壓強度增長幅度有所下降，為16.1%；當拋石量為18%時，28 d抗壓強度提高率降為11.1%。

從劈裂抗拉強度結果來看，拋石量為3%～15%時，拋石混凝土的劈裂抗拉強度明顯增大，與基準混凝土相比，拋石混凝土在拋石量為12%時，其劈裂抗拉強度提高率達到最大，為42.8%；繼續增加拋石量到18%時，混凝土劈裂抗拉強度與基準混凝土持平。這可能是因為過多的拋石擠壓了水泥漿體的空間，沒有足夠漿體包裹所有骨料，粘聚性不夠，使其無法很好地完成聯結骨料的使命，導致劈裂抗拉強度大大下降[3]。拉壓比可以有效地反應混凝土的變形性能與韌性，表2中結果顯示，基準混凝土的拉壓比最低，摻加拋石后的混凝土拉壓比明顯增大。綜合各項力學性能結果，建議本文所研究的C40泵送混凝土最佳拋石摻量在12%左右。

3.2 不同拋石量對泵送混凝土結構的影響

泵送混凝土運輸方便，施工快，是目前廣泛應用的混凝土。為了保證其有足夠的流動度往往會大量摻入膠凝材料，這些膠凝材料產生了大量漿體，料漿易泌水，導致石子懸浮在水泥漿體中，無法有效堆聚在一起，使混凝土的強度大大降低。拋石就是為了將泵送混凝土中已經完成其使命的懸浮結構轉化為堆聚結構，一般來說，混凝土成型后，大而重的粗骨料會慢慢向底部聚集，而混凝土表面都是水泥漿體,容易產生泌水，所以通過干燥的拋石來降低混凝土界面過渡區的水灰比，讓表面的水泥漿體也可以包裹骨料，既提高了混凝土強度，又可以防止因水泥漿過多而發生開裂現象[4-7]。

本部分試驗是將摻不同拋石量的混凝土養護至28 d后剖切，觀察拋石粗骨料在混凝土內部的堆聚情況，進而分析不同拋石量對泵送混凝土結構的影響。制備不同拋石量的混凝土試件后，養護至28 d，進行剖切，觀察粗骨料在混凝土內部的堆聚情況。剖切時，沿著制作混凝土試塊時的豎直方向剖切，以便有效觀察粗骨料在拋石混凝土中頂部與底部的具體結構，各試件的剖面結構圖如圖1所示。

觀察圖1可知，當未摻拋石時，混凝土上部幾乎沒有粗骨料的堆聚，只有少量碎石懸浮其中，所以不能形成良好的強度骨架；基準混凝土界面過渡區石子過少、水泥漿體過多，且存在大量的氣泡，石子懸浮在漿體中，體積穩定性很差，無法形成強度等級較高的堆聚結構，硬化體容易開裂[6]。而隨著拋石摻量的增多，混凝土的界面過渡區逐漸被粗骨料嵌鎖堆積，形成了良好的堆聚形態，水泥漿體也肉眼可見地減少，可以充分發揮石子強度高的優勢。但過高的拋石摻量(如18%)，粗骨料則過于密集，擠壓水泥漿體的空間，水泥漿體無法完全包裹石子。綜合比較而言，當拋石摻量為9%～15%時，可以有效地將懸浮結構改變為堆聚結構，改善混凝土的性能。

圖1 不同拋石摻量的混凝土剖面情況

4 工地試驗

從工程應用角度出發，本部分通過在蘇州某工地上成型拋石混凝土平板試驗來進一步探究拋石對泵送混凝土強度和結構的影響。在試驗中，成型混凝土平板的位置選擇采光良好、天氣晴朗時能夠較長時間暴露在日光下的位置。

試驗時直接采用市售的C35泵送混凝土(其配比見表3)分別澆筑成8 m×1 m×0.2 m的基準混凝土平板和拋石混凝土平板，其中用作拋石的粗骨料為5～25 mm的瓜子片，拋石摻量依靠現場施工員的經驗添加，質量為300～350 kg，換算為質量百分比為7.8%～9.1%。拋石混凝土平板澆筑時，模板中未完全澆滿，而是預留出約2 cm的空間用于加入拋石。待泵送混凝土澆筑完畢，將拋石均勻分布在混凝土表面，然后翻攪表層混凝土，使其能夠有效進入混凝土的平板體系中，最后拋石混凝土平板和基準混凝土平板采用同樣的施工工藝振實并且抹面。隨后兩塊混凝土平板均按照工地施工的工藝流程進行澆筑和養護。

表3 工地C35泵送混凝土配合比 kg/m3

在成型后的48 h內，每12 h觀察一次平板表面的開裂情況，記錄10 cm或10 cm以上的裂縫數量，具體結果見表4。

表4 混凝土平板隨齡期(48 h內)發生開裂情況

由表4結果可知，成型12 h內，基準混凝土平板就大量開裂，>10 cm的裂縫達到了13條，而摻入了拋石的混凝土平板則穩定得多，只有兩條10 cm以上的裂縫；由于混凝土平板是在傍晚成型的，所以12 h后兩塊平板都受到了陽光的暴曬，基準混凝土平板又增長5條裂縫，而拋石混凝土平板只增長了2條；到36 h時，基準平板和拋石平板各增加了2條裂縫；在成型時間達到48 h時，基準平板的裂縫依然在增長，反觀拋石混凝土平板，裂縫數量則不再增加。另外，在觀測過程中還發現基準混凝土平板的表面裂縫明顯長于拋石混凝土平板表面的裂縫，且裂縫寬度也較大，而基準混凝土平板中<10 cm的小裂縫也較多，小裂縫的密度也高于拋石混凝土平板。綜合來看，在泵送混凝土澆筑后再拋填粗骨料的方式可以有效地改善流態混凝土的抗裂性能。

待工地施工進度達標后(時間為18 d齡期)，分別對拋石混凝土平板和基準混凝土平板進行鉆芯取樣(試樣為直徑100 mm、高100 mm的圓柱體)，用于強度測定和觀察拋石對平板結構影響。測得基準混凝土平板18 d鉆芯強度為28.8 MPa、拋石混凝土平板18 d鉆芯強度為33.23 MPa，泵送混凝土施工后拋填9%的粗骨料后其強度能提高15%左右。鉆芯試樣破壞前后形貌圖如圖2所示。

圖2 巖心試樣破壞前后對比

觀察鉆芯樣破壞前的截面可以看出：未摻拋石的混凝土試塊中骨料分布較為分散，在試件上半部的骨料分布偏少，骨料與骨料之間存在一定接觸，但未能形成完整的骨架，受壓破壞后的形狀類似“I”字型[8]。摻加拋石的混凝土試件表面(尤其是上半部分)骨料較為密實，細小的骨料填充在大顆骨料之間，形成了緊密的堆聚結構，并且受壓破壞后的形狀與前者完全不同，表現為試塊側面有條狀外殼剝落，試塊內部結構并未受影響。

5 結論

摻入拋石可以提高混凝土強度，不同拋石量的混凝土強度均比基準混凝土高，強度隨拋石量上升呈現先增后減趨勢，當拋石量達到12%時，混凝土28 d抗壓強度達到最大值57.1 MPa，較基準混凝土提高了20.7%；劈裂抗拉強度達到7.10 MPa；此時混凝土的力學性能最好。

摻入拋石可以改變混凝土的結構。摻入拋石后，降低了界面的水灰比，水泥漿體將粗骨料聯結，石子堆聚形成粗骨料嵌鎖型混凝土，改善了泵送混凝土的結構。

在流態的混凝土施工后摻入拋石，有效地改善了其強度與結構，早期(48 h內)開裂現象明顯得到了緩解，同齡期下拋石混凝土平板的鉆芯強度可提高15%以上。