自密實砂漿配合比設計及工作性能

張云國,李夢楠,薛向鋒

(大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)

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自密實砂漿配合比設計及工作性能

張云國,李夢楠,薛向鋒

(大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)

分別考慮了水膠比、粉煤灰摻量、砂率、減水劑用量的變化，用全計算法設計了13種配合比的自密實砂漿，應用歐洲自密實混凝土規范EFNARC建議的方法對自密實砂漿進行了流動擴展度、V型漏斗試驗，分析材料摻量對工作性能的影響規律，據此可以快速確定自密實砂漿的配合比參數.結果表明，在選定水泥標號條件下，自密實砂漿配合比參數范圍的選擇有限.

自密實砂漿；工作性能；流動擴展度；配合比設計

0 引言

近年來，自密實混凝土在工程上的應用越來越廣泛，國內外學者開展了較多的關于自密實混凝土性能的研究[1-2].有的把纖維添加到自密實混凝土中形成纖維自密實混凝土，也有的用輕骨料替代普通骨料得到自密實輕骨料混凝土[3]，這些混凝土的配合比設計方法及工作性能一直是國內外研究中主要關注的問題.作為自密實混凝土重要基體材料，自密實砂漿的性能對自密實混凝土工作性能的影響非常大，同時它也是一種特殊形式的自密實混凝土，廣泛應用于工程狹窄部位的填充、自流平地面及工程修復當中[4].日本學者Okamura最早提出自密實混凝土概念時，就提出了一種先配制自密實砂漿，再按照固定粗骨料體積進行自密實混凝土配合比設計的方法[5].自密實砂漿的工作性能對自密實混凝土的工作性能有著重要的影響[6].本文從自密實砂漿的組成材料著手，采用歐洲規范EFNARC建議的試驗方法[7]，分析各組成材料對自密實砂漿工作性能的影響規律，為自密實砂漿的工程應用及自密實混凝土配合比設計方法提供更多依據.

1 試驗

1.1 試驗原材料

試驗中采用的水泥為大連小野田水泥廠生產的P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，其基本性能指標如下：初凝時間為148 min，終凝時間為192 min，3 d抗壓強度為27.5 MPa，28 d抗壓強度為53.6 MPa，安定性為合格.粉煤灰的加入可減少水泥的用量，降低水化熱，提高混凝土的抗離析性，因此，配制高性能混凝土或者砂漿時通常要加入粉煤灰，以改善混凝土的性能.本次研究采用的是大連本地產Ⅰ級粉煤灰，物理性能如下：密度為2.3 g/cm3，燒失量為0.62%，需水量比為94%，含水量為0.1%，三氧化硫為0.78%.減水劑的加入可以大大提高砂漿的流動性，降低用水量.由于聚羧酸類的減水劑減水率高，與水泥的兼容性好，所配制出的混凝土拌合物的保水性和體積穩定性也較好，本次試驗采用的減水劑為巴斯夫化學建材(北京)有限公司生產的聚羧酸減水劑，減水劑物理性能見表1.

表1 高效減水劑物理性能

配制自密實砂漿對砂的要求較高，砂的粗細直接影響自密實砂漿的工作性能.如果選用粗砂，會降低自密實砂漿的粘聚性，容易離析；如果選用細砂，表面積增大，會導致用水量增加，會對自密實混凝土的強度和彈性模量產生不利影響.因此，在配制自密實砂漿時宜選用細度模數較大的偏粗中砂，從而降低自密實砂漿的用水量，保證拌合物的流動性.試驗中采用大連本地河砂，表觀密度2 650 kg/m3，細度模數2.75.

1.2 砂漿配合比設計方法

砂漿配合比設計采用全計算配合比設計方法的觀點[8]，假設：①自密實砂漿的各個組成材料具有體積可加性；②干砂漿的空隙由水來填充；③砂漿由水泥、砂、礦物摻和料和空隙組成.

按照上述假定，單位體積砂漿的構成如式(1)所示：

式中:Vw、Vc、Vf、Vs、Va分別為水、水泥、粉煤灰、砂及空隙的體積.

換算成質量與密度的關系得：

水膠比C可根據經驗確定，由于自密實砂漿或者混凝土水膠比通常較小，強度容易達到設計要求，工作性能是配合比設計的主要控制指標，因此，水膠比通常可以在0.3～0.4之間選擇，然后通過試配確定.干砂體積Vs可依據砂和膠凝材料二相材料最大壓實度法確定，也可以通過經驗確定，通常干砂在砂漿中體積率可以在0.40～0.44之間選擇.根據上述水膠比表達式和粉煤灰取代水泥量關系可以確定水及粉煤灰用量.減水劑用量需要根據減水劑的特性和減水效率綜合確定.

為了研究砂漿在不同配合比參數條件下工作性能的變化規律，研究中考慮了水膠比的變化、砂率的變化、粉煤灰摻量的變化及減水劑摻量的變化.水膠比的變化取0.34、0.35、0.36和0.38；砂率變化取0.4、0.41、0.42和0.43；粉煤灰取代率分別為20%、25%、30%、35%和40%；減水劑變化取膠凝材料質量的0.55%、0.6%和0.65%.分別考慮上述變化，設計砂漿配合比如表2所示.

表2 砂漿配合比設計參數

1.3 砂漿工作性能試驗方法

自密實砂漿的試配過程中，每種配合比類別的砂漿每次試驗配制2L，這樣可以大大降低試配的工作量，同時也可以節約材料.將稱好的砂、水泥、粉煤灰依次倒入砂漿攪拌機容器中，慢速攪拌60s，使得三種原材料充分混合，然后加入水和減水劑，30s后調至快攪的檔位，再攪拌60s.自密實砂漿工作性能的判定采用歐洲自密實混凝土規范(EFNARC)[7]關于自密實砂漿工作性能建議的流動擴展度試驗和V-型漏斗試驗方法綜合判定，V-型漏斗試驗裝置如圖1所示.

圖1 砂漿V-型漏斗試驗裝置

2 結果與討論

2.1 試驗結果及分析

目前砂漿工作性能的試驗研究方法多數采用歐洲規范EFNARC的流動擴展度和V-型漏斗試驗，前者主要評價砂漿的流動性，而后者主要評價砂漿的粘聚性，二者是評價自密實砂漿或者混凝土工作性能的重要指標，其關于自密實砂漿的流動擴展度建議值為(240±20)mm，通過V-型槽的時間Tv為7～11s.對于砂漿擴展到直徑250mm所用的時間T250國際上并沒有統一的標準，只作為評價砂漿流動性能的參考指標，T250越小表明砂漿的流動性能越好.因此，研究中采用該三項指標結合觀察對自密實砂漿的工作性能進行綜合分析.對設計的13種配合比的砂漿進行流動擴展度及V-型漏斗試驗，結果見表3～表6所示，同時繪制不同分組的砂漿流動擴展度及V-型漏斗試驗結果，見圖2.

由表3可以看出，隨著水膠比的增加，砂漿的流動擴展度增加，T250及通過V-型漏斗的時間Tv逐漸減小，這是因為隨著水膠比的增大，用水量增加，砂漿拌合物粘聚性減小，導致流動擴展度增加，綜合上述實驗結果分析水膠比為0.36的M-3較好，減小或增大水膠比會導致粘稠流動性不滿足要求或者出現離析現象.

表3 不同水膠比條件下砂漿工作性能結果

由表4可以看出，隨著砂率的增加，自密實砂漿的流動擴展度呈減小趨勢，T250及Tv時間逐漸增大，說明砂漿的流動性能變差，其原因是隨著用砂量的增加，砂的表面積增加，膠凝材料用量不變情況下，包裹砂表面的膠凝材料變少，導致顆粒之間的摩擦力增大，同樣水膠比條件下砂漿會變得粘稠，因此出現流動擴展度變小，通過V-型漏斗時間增加.可以看出，砂率為0.41的M-3工作性能較好.

表4 不同砂率條件下砂漿工作性能結果

表5 不同粉煤灰摻量條件下砂漿工作性能結果

由表5可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，流動擴展度呈增加趨勢，而通過V-型漏斗時間呈先減小后增大的趨勢，說明粉煤灰用量增加，砂漿流動性增大，而粘聚性先減小后增加，由于粉煤灰采用的是內摻法，用等量的粉煤灰取代水泥，粉煤灰的顆粒更細，水化速度慢，初始階段水化反應需水量小，使得砂漿混合物的均勻性和保水性得到改善，降低了砂漿流動所需要克服的剪切屈服應力，流動性增加；但粉煤用量較大時，較大的顆粒表面積需要吸收更多的水分，超過了水泥和粉煤灰水化反應需水量的差值，砂漿就會變得粘稠，通過V-型漏斗的時間就會增加.可以看出，粉煤灰摻量為30%和35%的M-3和M-10工作性能較好.

由表6可以看出，隨著減水劑用量的增加，砂漿的流動擴展度增大，T250及Tv減小，說明砂漿流動性增大，粘性變小，由于減水劑的減水作用，降低了顆粒之間的吸附力，使得砂漿流動需要克服的剪切屈服強度及粘聚性降低，因而流動擴展度增大，流動時間變短，隨著減水劑摻量的增加，砂漿離析風險增加.可以看出，減水劑摻量為0.6%的M-3工作性能較好.

表6 不同減水劑摻量條件下砂漿工作性能結果

2.2 自密實砂漿配合比參數討論

圖2給出了各組配合比參數變化條件下自密實砂漿的流動擴展度和Tv的變化規律，圖中虛線表示EFNARC建議的自密實砂漿工作性能滿足條件.根據試驗結果滿足虛線區域要求的范圍，結合試驗現象的觀察綜合判斷確定各個參數的取值.根據上述結果的分析及觀察的砂漿粘稠或者離析情況，滿足V-型漏斗條件的有M-3、M-5、M-10、M-11和M-13，滿足流動擴展度在(240±20)mm范圍的只有M-12，但其不滿足Tv條件.但M-3、M-5、M-10、M-11和M-13流動擴展度均大于260mm，只要不離析對自密實砂漿是有利的，試驗中發現M-5、M-11和M-13出現了不同程度的輕離析現象，M-3和M-10良好，前者粉煤灰摻量為30%，后者為35%，其他配合比參數相同，分別是水膠比0.36，砂率0.41，減水劑0.6%.可見，在采用全計算法確定自密實砂漿配合比時的相關參數可以參照該參數，當材料特性有所差別時，通過試配略加調整即可滿足要求.采用該方法得到的自密實砂漿，減水劑用量很低，只有0.6%，對降低離析風險和工程造價十分有利.

(a)流動擴展度

(b)通過V-型漏斗時間

3 結論

(1)提出了采用全計算結合經驗參數取值的方法配制自密實砂漿，該方法簡便易行，效率高；

(2)得到了水膠比、砂率、粉煤灰、減水劑摻量對自密實砂漿工作性能的影響規律，認為水膠比在0.36左右、砂率在0.41左右、粉煤灰摻量在30%～35%范圍、減水劑在0.6%左右，容易得到工作性能良好的自密實砂漿；

(3)當選定了水泥標號后，滿足工作性能要求的砂漿水膠比相對固定，若要改變砂漿或者混凝土的強度等級，通過調整水膠比不易實現，可以考慮調整水泥標號.

[1]畢巧巍,李夢夢. 纖維對高強自密實混凝土工作性能的影響[J].大連交通大學學報,2014,35(2)：53-56.

[2]丁一寧,董香軍,王岳華.混雜纖維自密實混凝土的強度和抗彎韌性[J].建筑材料學報,2005,8(3)：294-298.

[3]何廷樹,王振軍,伍勇華，等.自密實輕骨料混凝土工作性能的研究[J].西安科技大學學報,2004,24(4)：422-425.

[5]OKAMURA H,OZAWA K.Mix-design for self-compacting concrete[S].Concrete of JSCE,1993，25:107-120.

[6]趙慶新,杜艷廷,李春雨，等.自密實砂漿工作性測試方法研究[J].武漢理工大學學報,2009,31(7)：9-11,30.

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[8]European Project Group.Specification and guidelines for self-compacting concrete[S].UK ：EFNARC,2002：14-17.

Design Method and Workability Study of Self-Compacting Mortar

ZHANG Yunguo,LI Mengnan,XUE Xiangfeng

(School of Civil & Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Considering the changes of water to binder ratio,fly ash content, sand percentage and usage of high range water reducer,13 types of self-compacting mortars are designed using full calculation method.The workability of the designed mortars is studied through slump flow and v-funnel test suggested by EFNARC.The mix proportion of the self-compacting mortar can be quickly decided based on the effect rules of the parameters on the workability.It is indicated by the results that the mix proportion parameter scope is limited if the cement grade is decided.

self-compacting mortar;workability;slump flow;mix proportion design

1673-9590(2015)03-0060-05

2014-11-25

遼寧省教育廳高等學校科學研究計劃資助項目(L2012169)

張云國(1978-),男，講師,博士，主要從事高性能混凝土性能方面研究E-mail:zyg-ncwu@163.com.

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