優(yōu)化級(jí)配的混合砂細(xì)石混凝土在試驗(yàn)梁中的應(yīng)用

陳懷飛

(江蘇瑞沃建設(shè)集團(tuán)有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225600)

細(xì)石混凝土一般指最大骨料粒徑≤15 mm 的混凝土,目前廣泛應(yīng)用在各種墊層、二次結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、橋梁支座墊石,支撐墊混凝土面層、伸縮縫、路面、機(jī)場(chǎng)跑道快速養(yǎng)護(hù)修補(bǔ)、預(yù)制混凝土制品缺角及裂縫修補(bǔ)等方面。細(xì)石混凝土以其骨料粒徑較小、流動(dòng)性相對(duì)較好的優(yōu)點(diǎn),被以上的鋼筋密集或澆筑層較薄的混凝土結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用。隨著我國(guó)天然河砂資源逐漸枯竭,機(jī)制砂得到大量應(yīng)用,但機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)偏大、棱角明顯、石粉含量偏高,拌制成混凝土容易出現(xiàn)混凝土性能欠佳,影響混凝土質(zhì)量的情況,所以目前市場(chǎng)上主要用天然砂摻配機(jī)制砂使用,以混合砂的形式改善混凝土性能。

研究背景為江蘇瑞沃建設(shè)集團(tuán)有限公司裝配式基地與東南大學(xué)交通學(xué)院合作的裝配式橋梁相關(guān)課題,設(shè)計(jì)了一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化骨料級(jí)配的高強(qiáng)度細(xì)石混凝土,應(yīng)用于裝配式橋梁中的波形鋼腹板試驗(yàn)箱梁,以解決其關(guān)于強(qiáng)度、流動(dòng)性和骨料通過(guò)性的要求。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 原材料主要參數(shù)

本次試驗(yàn)的主要應(yīng)用對(duì)象為波形鋼腹板試驗(yàn)箱梁,根據(jù)其強(qiáng)度為C50的設(shè)計(jì)要求,試驗(yàn)選擇使用P·Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥,這樣可以用較低的水泥用量達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度,保證混凝土的工作性。考慮其通過(guò)性、保護(hù)層厚度較小的特點(diǎn),粗骨料粒徑選取5～16 mm連續(xù)級(jí)配碎石,且為了方便骨料級(jí)配的摻配調(diào)整,細(xì)骨料采用1.18～4.75 mm的機(jī)制砂和0.075～1.18 mm的特細(xì)砂兩檔配置,能夠保證級(jí)配連續(xù)、可調(diào)整。粉煤灰、活性礦渣粉在本次試驗(yàn)中作為膠凝材料摻合料,既可以替代水泥,又可以增強(qiáng)混凝土的黏聚性和保水性,保證混凝土后期強(qiáng)度。減水劑采用西卡高效減水劑,在推薦摻量情況下具有>16%的減水率,選擇采用11%左右相對(duì)較低的固含量降低了減水劑的敏感性,可以更好地控制混凝土工作性。具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用混凝土原材料規(guī)格參數(shù)

1.2 各級(jí)骨料

試驗(yàn)共采用三檔骨料,將骨料按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)進(jìn)行篩分。考慮到方便最大密度理論的計(jì)算,篩分結(jié)果以各級(jí)篩孔通過(guò)率為數(shù)據(jù)結(jié)果,具體篩分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

表2 各級(jí)骨料篩分?jǐn)?shù)據(jù)

1.3 基于最大密度理論的級(jí)配試算

(1)最大密度理論原理

鄭東輝[1]提到富勒(W.B.Fuller)在20世紀(jì)初便對(duì)級(jí)配曲線(xiàn)進(jìn)行試驗(yàn)研究,試驗(yàn)采用1 m3箱子,將不同粒徑的集料堆積進(jìn)去進(jìn)行篩分試驗(yàn),記錄每一次的質(zhì)量通過(guò)率和篩孔尺寸之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)當(dāng)二者呈現(xiàn)拋物線(xiàn)關(guān)系時(shí),礦質(zhì)混合料組合具有最大密度。

有學(xué)者認(rèn)為:由于混凝土為多元多相水泥基復(fù)合材料,根據(jù)這一特點(diǎn),最大密度理論提出應(yīng)由水泥基膠材漿體體積、空氣體積和砂、石體積組成的配合比設(shè)計(jì)原則[2-3]。砂、石用量按保證最大堆積密度的設(shè)計(jì)方法確定,如公式(1)所示。

(1)

式中:Pi為孔徑為di的篩子的通過(guò)率,%;di為骨料粒徑,mm;D為所有骨料最大粒徑,mm;c為根據(jù)稠度和設(shè)計(jì)坍落度確定的指數(shù)。

根據(jù)傅沛興[3]的理論,最大密度原理又隨著混凝土稠度坍落度的不同,采用不同的指數(shù)。公式(1)在試配坍落度>160 mm的混凝土?xí)r,c值取1/3,根據(jù)該理論,試驗(yàn)選取表3的合成級(jí)配曲線(xiàn)為目標(biāo)曲線(xiàn)值,采用各級(jí)上下10%的范圍作為區(qū)間。

表3 根據(jù)最大密度理論計(jì)算的目標(biāo)級(jí)配區(qū)間

(2)級(jí)配試算

骨料級(jí)配由試算法確定,三檔骨料的摻配合成曲線(xiàn)應(yīng)滿(mǎn)足由公式(1)計(jì)算的最大密度曲線(xiàn)確定的目標(biāo)區(qū)間要求,由試算法并經(jīng)大量試驗(yàn),當(dāng)試驗(yàn)采用的m粗骨料∶m細(xì)骨料1∶m細(xì)骨料2=35%∶38%∶27%時(shí)滿(mǎn)足目標(biāo)級(jí)配區(qū)間。試配之后的曲線(xiàn)在區(qū)間的情況如圖1所示。由圖2可以看出各級(jí)骨料的分計(jì)篩余情況,合成前粗骨料主要集中在4.75～9.5 mm篩孔檔位,細(xì)骨料1分布在0.15～4.75 mm篩孔檔位,細(xì)骨料2主要分布在0.075～1.18 mm篩孔檔位之間,合成級(jí)配則各檔位均有分布,在相對(duì)較粗的4.75 mm篩孔處和相對(duì)較細(xì)的0.15 mm篩孔處出現(xiàn)波峰,即這兩處的分計(jì)質(zhì)量較大。

圖1 合成級(jí)配

圖2 分計(jì)篩余結(jié)果

此時(shí),合成級(jí)配中細(xì)骨料1和細(xì)骨料2按照計(jì)算比例摻配的累計(jì)篩余數(shù)據(jù)如表4所示。按最大密度理論中坍落度>160 mm公式計(jì)算的細(xì)骨料合成級(jí)配與《建筑用砂》(GB/T 14684—2022)中推薦的Ⅱ區(qū)間有所區(qū)別,主要在于0.3 mm篩孔及以下的集料分計(jì)篩余大于規(guī)范推薦,可以從圖3看出,0.3 mm 篩孔及0.15 mm篩孔累計(jì)篩余百分率均低于規(guī)范推薦的區(qū)間,0.15 mm以下細(xì)骨料偏多。從實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,設(shè)計(jì)坍落度越大的混凝土用水量越多,漿骨比偏大,細(xì)集料的細(xì)料偏多可以更好地保水,保證混凝土的黏聚性。

圖3 細(xì)集料累計(jì)篩分?jǐn)?shù)據(jù)

表4 細(xì)集料合成篩分?jǐn)?shù)據(jù)

1.4 混凝土配合比試驗(yàn)

(1)確定試拌配合比

由試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的工程案例,波形鋼腹板試驗(yàn)梁的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為50 MPa。后期試驗(yàn)需破壞梁體,試驗(yàn)加載裝置能夠提供的試驗(yàn)力值有限,為保證梁體能夠順利破壞,混凝土28 d強(qiáng)度無(wú)需過(guò)度富余,強(qiáng)度保證28 d時(shí)在50～55 MPa之間,所以試驗(yàn)確定以水膠比0.34為基準(zhǔn),上下各0.01范圍浮動(dòng)。為最大限度保證混凝土的黏聚性、保水性、和易性,配合比中摻入粉煤灰和礦渣粉作為摻合料,替代等量水泥,摻量各為膠凝材料總質(zhì)量的15%。外加劑為減水劑,摻量為膠凝材料的1.5%。

經(jīng)計(jì)算,優(yōu)化級(jí)配的混合砂細(xì)石混凝土試驗(yàn)配合比如表5所示,分別為C1組水膠比0.33; C2組水膠比0.34;C3組水膠比0.35。用水量按經(jīng)驗(yàn)值取160 kg。

表5 混凝土配合比

(2)混凝土性能試驗(yàn)

由表5中確定的試驗(yàn)配合比,試拌了相應(yīng)組的混凝土,分別檢測(cè)其出機(jī)坍落度、擴(kuò)展度、和易性,并制作了試塊,試驗(yàn)了7 d和28 d強(qiáng)度,出機(jī)擴(kuò)展度測(cè)試如圖4所示,混凝土擴(kuò)展較為均勻,展開(kāi)平整,混凝土中的骨料能夠均勻分散開(kāi)。

圖4 擴(kuò)展度試驗(yàn)

試拌的3組混凝土均按照最大密度曲線(xiàn)進(jìn)行骨料級(jí)配配比,不同的水膠比情況下,未進(jìn)行砂率的增減。各組的混凝土狀態(tài)較為接近,均有550 mm以上的擴(kuò)展度和240 mm以上的坍落度,和易性較好。試驗(yàn)的3組混凝土28 d強(qiáng)度均能夠達(dá)到50 MPa以上,具體試拌性能參數(shù)結(jié)果如表6及圖5所示,由圖5可見(jiàn),混凝土強(qiáng)度隨水膠比增大而平穩(wěn)降低,擴(kuò)展度隨水膠比增大而平穩(wěn)增大。

圖5 試拌混凝土性能

表6 試拌混凝土性能結(jié)果

2 工程應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

2.1 施工配比的確定和工程應(yīng)用

波形鋼腹板箱梁是一種新式設(shè)計(jì)的PC箱梁,其顯著特點(diǎn)是采用波形鋼板替代傳統(tǒng)的混凝土腹板,這樣能夠在保證梁體彎剪扭承載力的同時(shí)降低梁體重量,可以做到更大的跨度,更節(jié)約環(huán)保,外形如圖6所示。試驗(yàn)梁的內(nèi)部鋼筋主要為頂板、底板的主筋箍筋和端頭部分的構(gòu)造筋。因?yàn)槭窃囼?yàn)梁,尺寸比例有所縮小,頂板部分鋼筋如圖7所示,保護(hù)層厚度較小。

圖6 波形鋼腹板箱梁簡(jiǎn)圖

圖7 波形鋼腹板箱梁鋼筋簡(jiǎn)圖(單位:mm)

根據(jù)試驗(yàn)配合比所應(yīng)用的試驗(yàn)箱梁相關(guān)需求綜合考慮,C1組混凝土配合比符合使用要求。結(jié)合有關(guān)資料、圖紙和試驗(yàn)進(jìn)一步試配,確定施工配合比如表7所示。從2022年7月波形鋼腹板試驗(yàn)箱梁底板澆筑,到2022年8月波形鋼腹板試驗(yàn)箱梁頂板及端板澆筑完成,攪拌站共向該項(xiàng)目供應(yīng)了22 m3混凝土,混凝土到場(chǎng)性能均較穩(wěn)定,流動(dòng)性較好,填充效果好。到達(dá)澆筑現(xiàn)場(chǎng)的混凝土坍落度為250～260 mm,擴(kuò)展度檢測(cè)值為560～600 mm,測(cè)試數(shù)據(jù)能夠達(dá)到試驗(yàn)拌和狀態(tài)。混凝土澆筑前、中及養(yǎng)護(hù)后如圖8所示,梁體表面平整密實(shí),無(wú)明顯氣泡、水紋和裂縫。

圖8 優(yōu)化級(jí)配的混合砂細(xì)石混凝土施工

表7 生產(chǎn)配合比

2.2 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

優(yōu)化級(jí)配的混合砂細(xì)石混凝土的應(yīng)用效果較好。在施工過(guò)程中,由于混凝土骨料粒徑較小,流動(dòng)性、黏聚性較好,在波形鋼腹板箱梁的頂板和底板澆筑中能夠較好地流動(dòng)擴(kuò)散。因?yàn)椴ㄐ武摳拱逑淞簽樵囼?yàn)梁,全梁尺寸較小,為縮小模型,不考慮其耐久性,所以設(shè)計(jì)的保護(hù)層厚度小,最薄處保護(hù)層厚度不足1 cm,即便在這樣的情況下,澆筑后經(jīng)外觀(guān)檢測(cè),無(wú)漏筋、漏漿、蜂窩麻面的情況。

按最大密度理論優(yōu)化級(jí)配的混合砂混凝土,通過(guò)堆積試驗(yàn)找到混凝土中各骨料的最大單位重量以尋求最小空隙率,這樣較容易獲得骨料間最佳比例。而顆粒結(jié)構(gòu)堆積越致密,孔隙率越小,接觸點(diǎn)越多,理論上能夠獲得更高的強(qiáng)度。骨料填隙效果好,則在相同情況下能夠以更少的漿體保證混凝土的流動(dòng)性。在本次應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn),較同等級(jí)的細(xì)石混凝土,經(jīng)優(yōu)化級(jí)配后,細(xì)石混凝土的流動(dòng)性明顯增強(qiáng),擴(kuò)展度大。

另一方面,在應(yīng)用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了兩點(diǎn)相對(duì)欠缺的地方:(1)從集料級(jí)配篩分的數(shù)據(jù)可以看出,按公式(1)在>160 mm坍落度取值的情況下計(jì)算的級(jí)配中細(xì)料偏多,這樣可以保證在設(shè)計(jì)坍落度較大的情況下有較好的包裹性。在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn),這樣的級(jí)配需要相對(duì)普通級(jí)配更大的減水劑摻量以保證流動(dòng)性,且混凝土較黏,優(yōu)化級(jí)配的細(xì)石混凝土澆筑應(yīng)用環(huán)境為室內(nèi),此級(jí)配混凝土如需經(jīng)過(guò)運(yùn)輸或泵送,外加劑中可能需要增加緩凝組分。(2)由于該級(jí)配的配置,試驗(yàn)中的混凝土在同樣水膠比的情況下,相對(duì)于按照規(guī)范推薦的0～16 mm連續(xù)級(jí)配骨料混凝土,強(qiáng)度偏小,類(lèi)似的應(yīng)用情況需注意增加富余系數(shù)。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)研究了最大密度理論優(yōu)化級(jí)配的混凝土的應(yīng)用效果,經(jīng)過(guò)一系列的試配和應(yīng)用驗(yàn)證,總結(jié)了以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)目前建筑市場(chǎng)用砂以混合砂為主,主要為機(jī)制砂摻配河砂或江砂,單級(jí)配的機(jī)制砂棱角性明顯,攪拌成為混凝土?xí)r流動(dòng)性較差。經(jīng)摻特細(xì)的江砂混合、級(jí)配優(yōu)化后,混凝土流動(dòng)性能夠滿(mǎn)足施工要求。

(2)試驗(yàn)的骨料粒徑為0～16 mm連續(xù)級(jí)配,連續(xù)級(jí)配混凝土經(jīng)過(guò)級(jí)配優(yōu)化后,混凝土擴(kuò)展度可以達(dá)到試驗(yàn)中的500 mm以上,流動(dòng)性較好,通過(guò)性強(qiáng),滿(mǎn)足大流動(dòng)性混凝土的要求。

(3)混凝土骨料應(yīng)根據(jù)澆筑物的實(shí)際需求選擇相應(yīng)的最大粒徑,試驗(yàn)將漿體和骨料分開(kāi),在滿(mǎn)足澆筑物需求的情況下優(yōu)化骨料級(jí)配,在相應(yīng)的水膠比下試驗(yàn)其性能,最終選擇滿(mǎn)足要求的配合比。