自密實輕骨料混凝土抗離析性控制與試驗方法

張 云 國, 吳 智 敏, 張 小 云, 吳 熙

(大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧大連 116024)

0 引 言

自密實輕骨料混凝土(SCLC)是在自密實混凝土和輕骨料混凝土的基礎上發展起來的一種新型高性能混凝土,它兼有自密實混凝土和輕骨料混凝土的特性,不但密度較普通混凝土小,而且能夠在自重作用下自動在模板中填充密實,可大大提高混凝土結構的質量和施工速度.

輕骨料混凝土自20世紀50年代在我國開始應用以來,由于它具有較高的效率(強度和密度比值),被廣泛應用于大跨度的橋梁結構當中,同時輕骨料混凝土較普通混凝土具有較高的隔熱和耐久性等良好性能.自密實混凝土是在20世紀80年代末由日本學者Okamura發明的,最早應用于水下混凝土的澆筑,由于它具有不需要振搗便可以成型的特點,目前在日本、歐洲和北美等地得到了廣泛的應用,是混凝土發展過程中一次重要的革新.自密實輕骨料混凝土就是在此基礎上,結合自密實混凝土和輕骨料混凝土發展起來的一種新型高性能混凝土,在混凝土發展過程中又邁出了重要的一步.對于普通骨料自密實混凝土,由于骨料密度大于基體膠凝材料的密度,在攪拌、運輸或者澆筑過程中容易引發骨料下沉造成混凝土離析現象;而對于振搗成型的輕骨料混凝土,由于輕骨料的密度小于基體膠凝材料的密度,受機械振搗的“攪融作用”,輕骨料容易發生上浮現象[1,2],從而導致混凝土離析情況的出現.自密實輕骨料混凝土不需要振搗成型,可以克服由于振搗而引起的骨料上浮現象.但其為了提高自身的流動性能及混凝土的強度,通常采用較多的水泥、粉煤灰及磨細礦粉等材料,同時加入了一定量的高效減水劑,流動性的增加對混凝土抗離析性可能會產生不利的影響,因此,自密實輕骨料混凝土應該具有適中的流動性和抗離析性.所以,在保證具有良好流動性的前提下,自密實輕骨料混凝土在配合比設計過程中的抗離析性能是一項非常重要的指標.

1 骨料在膠凝基體中的狀態分析

1.1 骨料靜態控制

對于新拌普通骨料自密實混凝土,由于骨料密度大于膠凝基體的密度,骨料容易出現下沉現象;而對于自密實輕骨料混凝土,骨料密度小于膠凝基體的密度,骨料容易發生上浮情況.如果混凝土不發生離析、骨料不出現下沉或上浮現象,骨料應該在上浮力、重力及基體提供的回復力的作用下維持靜態平衡.其中回復力的大小和浮力與重力的差值相等,并隨之變化,其最大值與水泥漿基體的屈服應力成正比關系,此時,普通骨料維持靜力平衡狀態,如圖1所示.

圖1 骨料受力分析Fig.1 Forces analysis of aggregate

假定骨料顆粒為圓球形,對骨料進行受力分析,骨料受到的合力為

因此,有

式中:fg=gρpVp,fb=gρmVp,分別為骨料受到的重力和浮力;ρp和ρm分別是骨料顆粒和膠凝基體材料的密度.膠凝基體提供的回復力與水泥漿體的屈服應力成正比[3],其最大值為

Ap為顆粒正截面面積,τy為膠凝基體材料的屈服應力.

可見,對于普通骨料,ρp>ρm,此時重力與浮力的合力方向向下,骨料有下沉趨勢,膠凝基體為骨料提供向上的回復力;對于輕骨料,ρp<ρm,此時重力與浮力的合力向上,骨料有上浮的趨勢,水泥基體為骨料提供向下的回復力.無論是普通骨料還是輕骨料,如果顆粒在膠凝基體中維持靜態平衡狀態,則必須有 gΔ ρ Vp ≤ τyAp,即 τy ≥,其中 rp為骨料顆粒半徑,即

可見對自密實混凝土,膠凝基體的屈服應力τy越大、骨料與基體的密度差 Δ ρ越小,并且骨料顆粒越小,則骨料顆粒越不容易出現下沉或者上浮的分離現象,因此在混凝土設計時充分考慮到這幾個因素就可以最大程度地避免混凝土骨料分層的離析現象.

1.2 骨料動態控制

能夠在靜態狀態下保持穩定的混凝土,在澆筑過程中由于外界的干擾,并出現局部屈服應力變小的情況,混凝土會在一個很小的剪切速率下流動,混凝土給骨料提供的回復力維持不變,骨料的運動可以看做是速度很小的勻速運動,此時,混凝土對骨料的回復力為[3]

聯合式(2)和式(5)有

式中:v為顆粒運動速度;CD為拖曳系數,其大小與顆粒在某一特定速度的雷諾數有關[3],

η為膠凝基體的粘性系數,定義為剪切應力和剪切率的比值,如式(8)所示:

為了避免骨料離析現象的發生,必須保證骨料的運動速度足夠小,由式(6)可見,更小的骨料和膠凝基體間的密度差以及更小的骨料粒徑對提高混凝土的抗離析性能都是有利的.

通過以上對骨料在靜態和動態情況下分析可知,影響輕骨料上浮的主要因素有骨料的顆粒粒徑、骨料密度與膠凝基體密度的差值、膠凝基體的粘性以及膠凝基體材料的剪切屈服應力,它們都可以通過原材料的選擇來加以控制.但對于基體的剪切屈服應力除了配合比的影響外,外界的干擾也有著非常重要的影響,比如澆筑振搗的“攪融作用”會減小膠凝基體的屈服應力.文獻[1、4]在研究振動對新拌砂漿或者混凝土屈服應力的影響時發現,振動作用可以大大減小屈服應力甚至可以使得屈服應力小得忽略不計.因此,從式(4)可以看出,對于振搗成型的輕骨料混凝土,輕骨料上浮的情況很容易發生.采用自密實混凝土技術,便可以很好地解決由于振搗而引起的屈服應力降低而造成的輕骨料上浮情況.本文就是基于這個思路,通過采用自密實輕骨料混凝土來改善高性能輕骨料混凝土骨料易上浮導致的混凝土質量下降的問題.

2 自密實輕骨料混凝土的配制

根據以上理論分析,在進行自密實輕骨料混凝土配制時,為了保證混凝土既有較大的流動性,又有良好的抗離析性,不出現普通輕骨料混凝土輕骨料容易上浮的問題,在配合比設計前充分考慮材料特性對混凝土性能的影響.實驗中選擇了密度適中、粒徑較小、表面粗糙的800級碎石型膨脹頁巖陶粒,來減小骨料與膠凝基體材料間的密度差,增加骨料與基體材料間的粘聚力,陶粒的基本性能如表1所示;同時選用Ⅰ級粉煤灰作為添加材料,來增加混凝土的黏稠性;水泥采用大連本地產普通硅酸鹽42.5R水泥;砂子采用普通河砂;用Sika 3301聚羧酸系高效減水劑(HRWR)來調節混凝土的流動性.本文在自密實輕骨料混凝土配合比設計時采用日本預拌混凝土協會推薦的普通自密實混凝土固定砂石體積法[5]結合全計算法[6]進行設計,同時考慮輕骨料的吸水特性.根據上文的理論分析,調節影響自密實輕骨料混凝土流動和抗離析性的主要因素進行多次調整試驗,得到優化的SCLC1和SCLC2配合比,如表2所示.所配制的自密實輕骨料混凝土28 d立方體抗壓強度為42.6 MPa和50.1 MPa,密度分別為1879 kg/m3和1920 kg/m3,滿足輕骨料混凝土密度低于1950 kg/m3的要求.

表1 頁巖陶粒的物理性能和級配Tab.1 Physical properties and grading of expand shale aggregate

表2 自密實輕骨料混凝土配合比Tab.2 Mix proportions for SCLC

表3列出了所配制的自密實輕骨料混凝土流動擴展度(包括 T500)、V形漏斗、L槽和U槽的試驗結果,體現了本文設計的自密實輕骨料混凝土的流動性、變形性和填充性能狀況.通過與歐洲規范EFNARC關于自密實混凝土工作性能建議值的對比[7],發現所配制的自密實輕骨料混凝土均有很好的自密實性能,達到了EFNARC建議的Ⅰ級密實等級的標準,高度滿足自密實混凝土自動密實的要求.

表3 新拌混凝土的工作性能Tab.3 Workability of fresh SCLC

3 自密實輕骨料混凝土抗離析性能試驗

自密實輕骨料混凝土抗離析性能研究的主要問題是輕骨料的上浮及骨料與膠凝基體材料的分離.前文已經通過理論分析研究了影響輕骨料上浮的主要因素,為自密實輕骨料混凝土的材料選擇和配合比設計提供了參考依據.目前國內外對于自密實混凝土抗離析性能的鑒別多數采用了觀察的方法,這種方法簡單實用,但可靠性相對差一些,不能夠量化地判定混凝土的抗離析性能,也不能準確判定輕骨料的上浮情況.本文將通過濕篩試驗、粗骨料分層試驗及對斷面的切片試驗來全面地分析自密實輕骨料混凝土的抗離析性能.

3.1 濕篩試驗

濕篩試驗最早在法國開始應用,目前在歐洲應用比較多[8].具體是將新拌的10 L混凝土置于帶有蓋子的桶中穩定15 min后,將桶中上部5 kg混凝土通過500 mm高度倒入孔徑為5 mm的沖壓方孔篩,篩規格應該滿足ISO 3301-2的要求,待2 min后,測量透過篩子的砂漿的質量占總的混凝土質量的百分比,比值越小,說明混凝土的抗離析性能越好.通過這種方法來分析骨料與砂漿的分離及泌水情況簡單易行,試驗如圖2所示.

EFNARC建議篩分離系數不宜超過15%.本文采用這種篩分試驗測得SCLC1和SCLC2兩種混凝土的篩分離系數分別為4.4%和5.6%.并且通過試驗觀察,沒有發現桶內混凝土表面有泌水及離析現象,說明所配制的混凝土具有較好的抗離析性能.從試驗結果可以看出,SCLC1的抗離析性能要比SCLC2的好,這是因為后者的水膠比較小,為了提高流動性和變形性使用了更多的減水劑,降低了混凝土的抗離析性能.因此,減水劑用量的增加,會降低混凝土的抗離析性能.

圖2 濕篩試驗Fig.2 Wet sieve segregation test

3.2 粗骨料分層試驗

粗骨料分層試驗的目的是評價自密實輕骨料混凝土輕骨料在混凝土中的分布情況.試驗中采用的分層度試驗裝置為直徑200 mm,高度660 mm的鋼制圓柱筒,沿高度分成長165 mm的4段,試驗裝置見圖3.

圖3 分層度筒Fig.3 Segregation column

文獻[9]采用的裝置直徑為100 mm,分為3層,上下層高100 mm,中間層高195 mm;文獻[10]采用的分層度筒直徑為200 mm,上中下3層高度均為100 mm.盡管后者采用了更大直徑的分層度筒,減小了筒壁對混凝土粗骨料分層的約束,但是它每一層的高度均較小,而且二者都只分了3層,上下底面的邊界對混凝土骨料分層的影響較大.本文采用的分層度筒無論是高度還是直徑尺寸都比較大,能夠更真實地反映輕骨料的分布情況,減小了試驗裝置邊界約束的影響.

評價方法是,將新拌的自密實輕骨料混凝土倒入分層度筒中,待30 min骨料分布穩定之后,由上至下依次取下每段混凝土,用孔徑為5 mm的篩子將輕骨料清洗分離,待表面干燥后稱量每部分粗骨料的質量.用每一層骨料質量占總質量的百分比及其變異系數作為評價輕骨料上浮的參數.變異系數Iseg的計算方法如下式所示:

圖4給出了SCLC1和SCLC2兩種自密實輕骨料混凝土骨料分布率R沿筒高的變化曲線.如果骨料分布絕對均勻,則每一段的骨料質量分布率應該為25%.從圖中可以看出,SCLC1粗骨料分布率最大值為25.4%,最小值為23.9%,分布比較均勻;SCLC2粗骨料分布率最大值為26.5%,最小值為24.1%,分別出現在最上層和倒數第2層.盡管SCLC2混凝土最上層粗骨料分布略多,但無論哪一種混凝土粗骨料的分布率均在25%左右波動,通過該試驗及試件截面骨料分布(如圖5所示)驗證了所設計的自密實輕骨料混凝土輕骨料并沒有出現明顯的分層現象,能夠保證混凝土質量.本文測得SCLC1和SCLC2兩種混凝土的分離系數分別為2.9%和4.2%,說明后者的骨料上浮情況較前者嚴重一些.

圖4 骨料分布率沿鋼筒高變化Fig.4 Variation of aggregate content along circular steel column

圖5 試件截面骨料分布Fig.5 Distribution of coarse aggregates on two cross-sections

4 結 論

(1)骨料與膠凝材料基體的密度差越小、膠凝材料基體塑性狀態下的屈服應力越大、骨料顆粒越小,新拌混凝土骨料越不容易發生分離現象,結合普通自密實混凝土配合比設計方法,可以作為設計和試配自密實輕骨料混凝土的依據.

(2)采用濕篩試驗、分層試驗,可以量化地判定自密實輕骨料混凝土的抗離析性能.

(3)采用自密實混凝土技術配制的自密實輕骨料混凝土,可以很好地克服由于振搗引起的新拌輕骨料混凝土膠凝基體屈服應力降低而發生的骨料上浮現象.

[1]TATTERSALL G H,BAKER P H.The effect of vibration on therheologicalproperties offresh concrete[J].Magazine of Concrete Research,1988,40(13):79-89

[2]DE LARRARD F,HU C,SEDRAN T,et al.A new rheometer for soft-to-fluid fresh concrete[J].ACI Materials Journal,1997,94(3):234-243

[3]SAAK A W,JENNINGS H M,SHAH S P.New methodology for designing of self-compacting concrete[J].ACI Materials Journal,2001,98(6):429-439

[4]BUI V K,AKKAYA Y,SHAH S P.Rheological modelfor self-consolidating concrete[J].ACI Materials Journal,2002,99(6):549-558

[5]Japanese Ready-Mixed Concrete Association.Manual of Producing High Fluidity (Self-Compacting)Concrete [S].Tokyo:Japanese Ready-Mixed Concrete Association,1998

[6]陳建奎,王棟民.高性能混凝土(HPC)設計新法 ——全計算新法[J].硅酸鹽學報,2000,28(2):194-198

[7]EFNARC. The European Guidelines for Self-CompactingConcrete[S].Surrey:EFNARC,2005

[8]BARTOS P J M.Testing-SCC toward new European for fresh SCC[C]//YU Zhi-wu,SHI Cai-jun.1st International Symposium on Design,Performance and Use of Self-Consolidating Concrete.Bagneux:RILEM Publications S A R L,2005:25-44

[9]宋培晶.高強輕骨料混凝土收縮、徐變與工作性[D].北京:清華大學,2003

[10]李渝軍,丁建彤.泵送高強輕骨料混凝土的抗離析性能[J].混凝土,2005,3:42-45