嵌鎖密實水泥混凝土及其工作性

崔曉騰 馬強巴

水泥混凝土是當代用量最大、用途最廣、最重要的建筑材料之一，廣泛應用于工業與民用建筑、交通、水利、軍事及海洋工程等領域。水泥混凝土作為一種由粗細集料、水泥、水、外加劑等組成的多相復合材料，不同相的性質及其相互作用均影響混凝土的性質。本研究以充分發揮粗集料作用為出發點，從水泥混凝土多相分散系的角度，在粗集料形成嵌鎖骨架結構的基礎上，提出嵌鎖密實水泥混凝土，引入集料填充比和水泥凈漿填充比，表征粗集料、細集料和水泥凈漿在混凝土中的作用;通過水泥混凝土坍落度試驗，分析水灰比、砂率、水泥凈漿填充比等對嵌鎖密實水泥混凝土工作性的影響，為混凝土配合比設計與應用提供依據。

1 嵌鎖密實水泥混凝土

水泥混凝土是一種多相復合材料，不同相的性質及其相互作用均影響混凝土的性質，綜合“中心質假說”、架構混凝土等思想，從宏觀、細觀和微觀多相分散系的角度，把水泥混凝土分解為混凝土、砂漿和水泥凈漿三個體系。從水泥混凝土多相分散的角度，提出水泥混凝土粗集料的嵌鎖骨架結構和嵌鎖密實水泥混凝土。

1.1 粗集料嵌鎖骨架結構

為了表征粗集料的級配組成結構與集料顆粒之間的關系，引入集料填充體積比(簡稱集料填充比)參數，定義為填充顆粒的振實體積與骨架顆粒振實剩余空隙體積的比值，即:

其中，Tij為集料填充比，%;Vi為填充顆粒振實體積，L;Vj為骨架顆粒振實體積，L;voj為骨架顆粒振實空隙率，%。

1.2 嵌鎖密實水泥混凝土

嵌鎖密實水泥混凝土定義為:在粗集料嵌鎖骨架結構的基礎上，利用砂及其空隙填充主骨架的剩余空隙，使集料混合后的空隙率最小，且比表面積也不大;進一步用水泥凈漿填充砂石混合料的剩余空隙，裹覆砂顆粒表面，并與砂組成水泥砂漿裹覆粗集料顆粒表面，形成充分密實，滿足強度要求，且具有一定流動性的混凝土。嵌鎖密實水泥混凝土中，砂的作用主要是填充粗集料骨架的剩余空隙，并與水泥凈漿一起裹覆粗集料顆粒表面，其用量應是:充分填充粗集料骨架空隙，但不影響或盡可能少影響粗集料骨架結構，使砂石混合料的空隙率最小;預留一定的富余，用于與水泥凈漿一起裹覆粗集料顆粒表面，保證顆粒粘結力和提高混凝土流動性。配合比設計中仍采用砂率表征。

2 水灰比對嵌鎖密實水泥混凝土工作性的影響

水灰比與混凝土坍落度的關系如圖1，圖2所示，圖中(0.30，1.75)系指砂率0.30、水泥凈漿填充比1.75，其他類似。

由試驗結果可知，在一定的砂率和水泥凈漿填充比下，混凝土坍落度均隨著水灰比的增大而近似線性增大，變化趨勢并不受砂率和水泥凈漿填充比的影響。相同砂率與水泥凈漿填充比下，水灰比越大，水泥凈漿越稀，混凝土的流動性越好，這與已有相關研究結論一致。同時，相同砂率下，坍落度的變化斜率隨著水泥凈漿填充比的增大而增大，或者說同一水灰比下，水泥凈漿填充比大的新拌混凝土的坍落度大。

3 砂率對嵌鎖密實水泥混凝土工作性的影響

總體而言，砂率與坍落度的關系受水灰比和水泥凈漿填充比的影響較大。首先，隨著水灰比的增大，坍落度隨砂率的變化趨勢由上凸拋物線形逐漸過渡為波動單調增大。其次，相同水灰比和相同砂率下，坍落度隨水泥凈漿填充比的提高而增大，這與前面分析相同，但當水灰比較大(如水灰比為0.51，0.57)時，這種關系波動較大。當水灰比相對較小(如0.42，0.45)，水泥凈漿填充比固定的情況下，隨著砂率的提高，開始時砂主要起填充作用，坍落度逐漸增大，但當砂率提高到一定程度后，集料的總表面積增大，吸水作用明顯，且集料總表面積裹覆的水泥凈漿增多，在不增大水泥凈漿填充比的情況下，會使混凝土變得干澀，坍落度將隨砂率的提高而減小。砂率存在一個坍落度達到最大的最佳值，約為0.34～0.35，這與嚴家推薦的合理砂率值接近。此時，若增大水泥凈漿填充比，則混凝土坍落度會繼續增大，如水灰比為0.45、水泥凈漿填充比為2.1時。

4 水泥凈漿填充比對嵌鎖密實水泥混凝土工作性的影響

水泥凈漿填充比與坍落度的關系如圖3，圖4所示。

由圖 3，圖4可見，相同砂率和水灰比下，混凝土的坍落度均隨水泥凈漿填充比的提高而近似線性增大。

5 嵌鎖密實水泥混凝土坍落度計算

前述分析得出，嵌鎖密實水泥混凝土工作性主要依賴于水灰比和水泥凈漿填充比。考慮到在固定砂率下，坍落度與水灰比、水泥凈漿填充比均有良好的線性關系，利用式(2)線性模型對坍落度、水灰比、水泥凈漿填充比進行回歸，結果見表1。

其中，SL為坍落度，mm;W/C為水灰比;Tc為水泥凈漿填充比;a，b，c均為回歸系數。

表1 水灰比、水泥凈漿填充比與坍落度回歸結果

為了驗證回歸關系式的可靠性，將砂率在0.30～0.37之間的159組混凝土坍落度實測值與回歸公式計算值對比分析得出，滿足水泥混凝土坍落度允許波動范圍15 mm要求的約占90.6%，表明回歸公式可以滿足工程應用要求。

6 結語

1)以充分發揮粗集料作用為出發點，從多相分散系角度，提出了水泥混凝土粗集料的嵌鎖骨架結構和嵌鎖密實水泥混凝土，并引入集料填充體積比和水泥凈漿填充比參數，明確了粗集料、砂和水泥凈漿在混凝土中的作用。2)坍落度試驗分析得出，水灰比、砂率、水泥凈漿填充比對嵌鎖密實水泥混凝土工作性有明顯影響，且相同砂率下，坍落度與水灰比、水泥凈漿填充比有良好的線性關系;回歸得出了嵌鎖密實水泥混凝土坍落度計算公式，對比分析表明，可以滿足工程應用要求。

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