細觀尺度下混凝土的工作性能研究

李國棟，張 立，任正義

(內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院，呼和浩特 010070)

0 引 言

混凝土是指由膠凝材料將集料膠結(jié)成整體的工程復(fù)合材料的統(tǒng)稱，通常是用水泥作膠凝材料，砂和石作集料，與水按一定比例配合，經(jīng)混合攪拌而制得的。現(xiàn)代工程中混凝土是一種重要材料，每年我國混凝土用量超過10億立方米[1]。從細觀層次說，混凝土是由水泥砂漿、粗骨料、水泥砂漿-粗骨料界面組成的多相非均質(zhì)復(fù)合材料[2-3]。粗骨料是混凝土的主要組成材料，構(gòu)成了混凝土的基本骨架結(jié)構(gòu)，其體積約占混凝土總體積的70%左右[4]。

粗骨料的用量、粒徑以及粗骨料級配的密實程度都會對混凝土的工作性能造成影響，而工作性能是評價混凝土的一項重要指標，對混凝土的力學(xué)性能和耐久性造成一定的影響。Yammine等[5]的研究表明粗骨料體積率對混凝土的工作性能影響顯著。Bonen等[6]發(fā)現(xiàn)混凝土中粗骨料的粒徑不僅會影響混凝土的工作性能，而且對新拌混凝土的穩(wěn)定性影響顯著，粗骨料粒徑越大的混凝土越容易發(fā)生骨料的下沉和拌合物的離析。邢心魁等[7]通過PFC2D模擬實驗探討了4種不同粒形的粗集料配制的混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，破壞形態(tài)以及破壞過程中的能量變化。姚立紅等[8]研究發(fā)現(xiàn)水泥凈漿流動性能與混凝土初始擴展度和坍落度成正相關(guān)關(guān)系。Larard[9]研究得出骨料中針片狀顆粒過多會導(dǎo)致比表面積和空隙率增大，水泥漿體的接觸面積增加、混凝土包裹漿體厚度減少、骨料間摩阻力增大，使得其新拌混凝土和易性降低。王應(yīng)等[10]研究了集料中不同土質(zhì)泥摻不同外加劑時對混凝土工作性能影響。李國強等[11]針對混凝土骨料級配、粒徑分形維數(shù)研究得出分形維數(shù)級配公式。現(xiàn)階段，關(guān)于混凝土工作性能的研究已經(jīng)比較成熟，但是現(xiàn)有的研究成果大多是從粗集料、外加劑以及水泥替代材料等方面出發(fā)對混凝土工作性能展開研究，關(guān)于細觀層次對混凝土工作性能影響規(guī)律的研究還較少。

本文從細觀層次出發(fā)設(shè)計了14種混凝土配合比，其中，5種不同粗骨料體積率混凝土(V=0%、20%、40%、60%、80%)，4種不同粗骨料最大粒徑混凝土(D=9.5 mm、19.0 mm、26.5 mm、31.5 mm)，5種不同骨料級配分形維數(shù)混凝土(F=2.2、2.4、2.5、2.6、2.8)，研究了粗骨料體積率、粗骨料最大粒徑、粗骨料級配分形維數(shù)對混凝土工作性能的影響，探討了混凝土的密實性、流動性，以期為工程實踐提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 實 驗

1.1 實驗材料

本研究所使用的膠凝材料是P·O 42.5普通硅酸鹽水泥和Ⅰ型高鈣粉煤灰，均來自內(nèi)蒙古MS水泥廠。細骨料使用粒徑為0.15～4.75 mm范圍內(nèi)的河砂，細度模數(shù)為2.8。粗骨料選用機械破碎花崗巖碎石，精細篩分碎石為4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm、16～19 mm、19～26.5 mm、26.5～31.5 mm六檔，粗骨料經(jīng)過嚴格的挑選、清洗和烘干，并按照配合比要求進行混合。混凝土材料的物理、力學(xué)指標如表1～4所示。

表1 細骨料物理指標Table 1 Physical indexes of fine aggregate

表2 粗骨料物理力學(xué)指標Table 2 Physical and mechanical indexes of coarse aggregate

表3 水泥性能指標Table 3 Performance indexes of cement

表4 粉煤灰質(zhì)量指標Table 4 Quality indexes of fly ash /%

1.2 實驗配合比

為了研究粗骨料用量對混凝土工作性能的影響，試驗中保持所用水泥砂漿中各部分材料的比例以及粗骨料的連續(xù)級配不變，僅改變粗骨料體積率，設(shè)計了粗骨料體積率V=0%、20%、40%、60%、80%的5種混凝土配合比，混凝土中材料用量見表5。

表5 不同粗骨料體積率混凝土材料用量Table 5 Material content of concrete with different volume rate of coarse aggregate

為了研究粗骨料最大粒徑對混凝土工作性能的影響，試驗中保持水泥砂漿中各部分材料的比例和粗骨料的用量不變，僅改變粗骨料的最大粒徑，設(shè)計了粗骨料最大粒徑D=9.5 mm、19.0 mm、26.5 mm、31.5 mm的4種混凝土配合比，材料用量見表6。

表6 不同粗骨料最大粒徑混凝土材料用量Table 6 Material content of concrete with different maximum particle size of coarse aggregate

圖1 不同分形維數(shù)級配曲線Fig.1 Different fractal dimension grading curves

粗骨料級配的分形維數(shù)表征了不同粒徑骨料之間的搭配情況，Turcotte[12]根據(jù)無窮破碎體理論推導(dǎo)了骨料級配的分形維數(shù)的計算公式(1)，分形維數(shù)越大，小粒徑粗骨料的用量越多，大粒徑粗骨料的用量越少；當骨料級配分形維數(shù)達到2.5時，粗骨料級配曲線與換算后的Fuller-級配曲線[13-14]完全一致，此時的骨料級配最密實，不同分形維數(shù)骨料的級配曲線見圖1。

(1)

式中，P(x)為各檔骨料的通過百分率；F為粗骨料級配的分形維數(shù)；xmin=4.75 mm和xmax=26.5 mm分別為粗骨料的最小粒徑和最大粒徑。

為了研究骨料級配的密實程度對混凝土工作性能的影響，試驗中保持水泥砂漿中各部分材料的比例和粗骨料的用量不變，僅改變粗骨料級配的分形維數(shù)，設(shè)計粗骨料級配的分形維數(shù)F=2.2、2.4、2.5、2.6、2.8的5種混凝土配合比，混凝土材料用量如表7所示，根據(jù)公式(1)計算的粗骨料用量見表8。

表7 不同粗骨料級配分形維數(shù)混凝土材料用量Table 7 Material content of concrete with different gradation fractal dimension of coarse aggregate /(kg/m3)

1.3 實驗方法

在本研究中，為了避免粗骨料表面塵土粉末對混凝土用水量的影響，在實驗前對粗骨料進行嚴格的篩分和清洗，剔除粗骨料中的針片狀骨料，選取球形或近似球形的粗骨料作為實驗用料。為了研究粗骨料體積率、粗骨料最大粒徑、粗骨料級配分形維數(shù)對高性能混凝土工作性能的影響，依據(jù)《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GB 50119—2013[15]，使用減水率為25%的聚羧酸高效減水劑，選擇同摻法和后摻法相結(jié)合的方法添加減水劑，后摻法是混凝土拌合過程中用醫(yī)用注射器注射減水劑調(diào)配用量，通過多次試驗將混凝土坍落度在(180±20) mm范圍內(nèi)確定減水劑的用量，同時記錄了從開始提起坍落度筒到混凝土坍落度不再發(fā)生變化的坍落時間以及混凝土的坍落擴展度，同時每種混凝土配合比澆筑3個平行試件。

表8 不同粗骨料級配分形維數(shù)混凝土粗骨料用量Table 8 Coarse aggregate content of concrete with different gradation fractal dimension of coarse aggregate

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥凈漿包裹層厚度

水泥凈漿是由許多分散水泥顆粒組成，水泥顆粒易與水反應(yīng)產(chǎn)生水化產(chǎn)物，產(chǎn)物中往往攜帶正、負電荷。水泥顆粒的粒徑較小，但活性極高，極易吸附水化產(chǎn)物中的電荷，因此，在漿體中，水泥顆粒與水化產(chǎn)物中的電荷互相絮凝，形成絮凝結(jié)構(gòu)，與集料之間相互粘結(jié)形成水泥漿厚度包裹層[16]。水泥凈漿在新拌混凝土中充當潤滑劑，促使集料相互包裹黏結(jié)，對于改善新拌混凝土的流動性能具有重要作用。同時，新拌混凝土中骨料的運動依賴于骨料表面自由漿體的包裹，混凝土中水泥凈漿在砂表面的包裹層厚度H計算如公式(2)～(3)所示[17]。

(2)

(3)

式中：Vs表示混凝土中砂的體積；Va表示混凝土中粗骨料的體積；δs表示混凝土中砂的堆積空隙率；ξ表示粗骨料的形狀系數(shù)，論文選用近似球形的骨料作為實驗材料，假設(shè)形狀系數(shù)ξ=1；S表示集料的比表面積，通過公式(3)～(4)計算得到。

圖2 不同粗骨料體積率混凝土水泥凈漿厚度Fig.2 Thickness of concrete cement paste with different volume rate of coarse aggregate

(4)

(5)

式中，Si表示第i個粒徑骨料的比表面積；Di表示第i個粒徑骨料的平均粒徑；ki表示第i個粒徑骨料的質(zhì)量分數(shù)。

如圖2～圖4中所示，當骨料級配一定時，隨著粗骨料體積率的增大，混凝土中砂表面的水泥凈漿包裹層厚度不斷增大，因為粗骨料體積率越大，相同體積內(nèi)骨料用量越多，砂的用量越少，集料的比表面積減小，表現(xiàn)在水泥凈漿包裹層厚度不斷增大；粗骨料體積率相同時，混凝土中砂表面的水泥凈漿包裹層厚度隨著骨料最大粒徑的增大而增大，因為當骨料用量一定時，骨料的最大粒徑越大，骨料的比表面積越小，所以砂表面的水泥凈漿包裹層厚度不斷增大；當粗骨料體積率一定時，隨著粗骨料級配分形維數(shù)的增大，砂表面的水泥凈漿包裹層厚度逐漸減少，主要原因是粗骨料級配分形維數(shù)越大，小粒徑粗骨料的用量越多，粗骨料的比表面積增大，砂表面的水泥凈漿包裹層厚度逐漸增大，粗骨料級配分形維數(shù)對砂表面的水泥凈漿包裹層厚度影響很小，最大砂表面的水泥凈漿包裹層厚度與最小砂表面的水泥凈漿包裹層厚度差值不足1 μm。

圖3 不同粗骨料最大粒徑混凝土水泥凈漿厚度
Fig.3 Thickness of concrete cement paste with different maximum particle size of coarse aggregate

圖4 不同粗骨料級配分形維數(shù)混凝土水泥凈漿厚度
Fig.4 Thickness of concrete cement paste with different gradation fractal dimension of coarse aggregate

2.2 減水劑用量

不同粗骨料體積率、粗骨料最大粒徑以及粗骨料級配分形維數(shù)對應(yīng)的新拌混凝土減水劑用量如圖5所示。由圖可知，當骨料級配相同時，新拌混凝土坍落度達到(180±20) mm時的減水劑用量隨著粗骨料體積率的增大而減少。同時，減水劑用量與粗骨料體積率可以用二次函數(shù)擬合，擬合相關(guān)系數(shù)為0.99，這是因為，隨著粗骨料體積率的增大，相同體積混凝土中粗骨料用量增加，混凝土中砂表面的水泥凈漿包裹層厚度增大，自由漿體的潤滑作用導(dǎo)致混凝土在使用較少的減水劑時就可以達到設(shè)計的坍落度。

當粗骨料體積率一定時，粗骨料最大粒徑越大，新拌混凝土坍落度達到(180±20) mm時的減水劑用量越少。同時，減水劑用量與粗骨料最大粒徑之間呈線性負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.98。與粗骨料體積率相同，粗骨料最大粒徑對混凝土中砂表面的水泥凈漿包裹層厚度影響較大，自由漿體越多，混凝土流動性能越好。圖5(c)表明新拌混凝土坍落度達到(180±20) mm時的減水劑用量與粗骨料級配分形維數(shù)符合二次拋物線關(guān)系，當粗骨料級配分形維數(shù)為2.5時減水劑用量最大。粗骨料級配分形維數(shù)對混凝土中自由漿體厚度影響較小，粗骨料級配分形維數(shù)表征的是不同粒徑粗骨料的搭配情況，在粗骨料級配分形維數(shù)為2.5時，粗骨料級配最密實，在流動過程中粗骨料之間的摩擦作用最強，因此要達到設(shè)計的坍落度就需要摻加更多的減水劑。

圖5 減水劑用量
Fig.5 Dosage of water reducer

2.3 坍擴比與坍落時間

混凝土坍落度和坍落擴展度的比值簡稱(坍擴比)。新拌混凝土坍落度的測試是量化混凝土屈服剪切應(yīng)力和塑性粘度的標準，坍落拓展度指標量化了混凝土在自重下克服屈服應(yīng)力、粘度和摩擦后的流動狀態(tài)。

不同粗骨料體積率坍擴比、坍落時間分析如圖6、圖7所示。混凝土的坍擴比隨著粗骨料體積率的增大而減小，坍擴比實際上是反映了混凝土拌合物的粘度，當粗骨料體積率較小時，單位體積混凝土中粗骨料的體積分數(shù)較小，拌合物中以砂漿為主，粗骨料對拌合物工作性能的影響較小，此時混凝土中砂表面的水泥凈漿包裹層較薄，混凝土的稠度較大，坍擴比較大，粗骨料體積率的增大加劇粗骨料對拌合物工作性能的影響，混凝土中砂表面的水泥凈漿包裹層厚度增大，混凝土的稠度減小，坍擴比減小，隨著粗骨料體積率的增大，砂漿對粗骨料的包裹程度下降，受重力影響混凝土拌合物的坍落速度變快，坍落時間變小。

圖6 不同粗骨料體積率混凝土坍擴比
Fig.6 Concrete slump and expansion ratio with different volume rate of coarse aggregate

圖7 不同粗骨料體積率混凝土坍落時間
Fig.7 Concrete slump time with different volume rate of coarse aggregate

不同粗骨料最大粒徑混凝土拌合物的坍擴比和坍落時間分析如圖8、圖9所示。當粗骨料體積率一定時，隨著粗骨料最大粒徑的不斷增大，混凝土拌合物的坍擴比和坍落時間均逐漸減小。隨著粗骨料最大粒徑的增大，混凝土中自由漿體厚度增大，拌合物的流動性增強；粗骨料最大粒徑越大，單顆粗骨料的質(zhì)量越大，對混凝土坍落速度的影響越大，混凝土坍落時間越短。

圖8 不同粗骨料最大粒徑混凝土坍擴比
Fig.8 Concrete slump and expansion ratio with different maximum particle size of coarse aggregate

圖9 不同粗骨料最大粒徑混凝土坍落時間
Fig.9 Concrete slump time with different maximum particle size of coarse aggregate

圖10和圖11分別是不同粗骨料級配分形維數(shù)混凝土拌合物的坍擴比和坍落時間實驗結(jié)果。隨著粗骨料級配分形維數(shù)的增大，混凝土拌合物的坍擴比和坍落時間先增大后減小，且均在分形維數(shù)為2.5時達到最大值，因為當粗骨料級配分形維數(shù)等于2.5時粗骨料的級配最密實，拌合物在坍落過程中受骨料之間的相互作用影響，混凝土的坍落擴展度最小，坍落時間最長，但是整體來說粗骨料級配分形維數(shù)對混凝土拌合物的坍擴比和坍落時間影響較小。

圖10 不同粗骨料級配分形維數(shù)混凝土坍擴比
Fig.10 Concrete slump and expansion ratio with different gradation fractal dimension of coarse aggregate

圖11 不同粗骨料級配分形維數(shù)混凝土坍落時間
Fig.11 Concrete slump time with different gradation fractal dimension of coarse aggregate

2.4 混凝土流動性、密實性

新拌混凝土中添加減水劑可以改善自身的工作性能，因為減水劑不僅可以降低水泥體系中的屈服應(yīng)力，而且可以改善水泥漿體的流動性能，在水泥漿體中摻入減水劑，水泥凈漿中的電荷能夠吸附到水泥顆粒表面，這是因為減水劑主鏈帶有負電荷，能與水泥顆粒上帶正電荷的水化產(chǎn)物相結(jié)合，從而致使水泥顆粒完整化學(xué)鍵受損，間接導(dǎo)致絮凝結(jié)構(gòu)破壞，并且釋放出絮凝結(jié)構(gòu)中的水，使混凝土結(jié)構(gòu)中自由水含量增加，導(dǎo)致絮凝結(jié)構(gòu)變小，從而起到分散混凝土的結(jié)果[16]。隨著減水劑用量增多，絮凝結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生破壞而減少，從而導(dǎo)致凈漿厚度越來越小、致使混凝土結(jié)構(gòu)中自由水越來越多，由于混凝土中含有更多大量的水分，導(dǎo)致混凝土坍落度、坍落拓展度也會變大，流動性變好，從而達到改善混凝土工作性能的目的。

從細觀尺度上說，混凝土的密實性能取決于骨料之間相互結(jié)合能力的大小，混凝土中水泥顆粒與附近的電荷載反應(yīng)產(chǎn)生水化物形成水泥砂漿，水泥凈漿能夠促進集料之間相互包裹形成一層薄膜，增加其結(jié)合能力，從而可以從骨料用量、骨料之間的搭配來實現(xiàn)對混凝土密實性的判定。由于本試驗添加減水劑的緣故，會影響水泥砂漿厚度進而會影響其密實性能，所以通過分析容重大小來探討其密實性，隨著粗骨料體積率的增加，單位體積內(nèi)粗骨料的用量逐漸增加，水泥和砂子的用量越來越少，因為粗骨料的密度大于水泥和砂子的密度，粗骨料用量越多，單位體積內(nèi)混凝土質(zhì)量就越大，所以混凝土容重會隨著粗骨料體積率增大而增大。圖12為不同級配下容重的大小，當骨料最大粒徑為15～20 mm，粗骨料體積率為80%時,骨料容重最大；當骨料級配分形維數(shù)為2.5時，容重最大，粗骨料級配曲線與換算后的Fuller-級配曲線[12-13]完全一致，此時的骨料級配最密實。

圖12 不同級配下的容重圖
Fig.12 Bulk density diagram with different levels

3 結(jié) 論

(1)混凝土中砂表面的水泥凈漿包裹層厚度與粗骨料體積率、最大粒徑成線性正相關(guān)關(guān)系，與粗骨料級配分形維數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系。

(2)保持混凝土坍落度(180±20) mm，減水劑用量與不同粗骨料體積率符合二次函數(shù)規(guī)律；粗骨料最大粒徑與減水劑用量呈線性負相關(guān)關(guān)系；粗骨料級配分形維數(shù)與減水劑用量存在開口向下的二次函數(shù)關(guān)系，當粗骨料級配分形維數(shù)等于2.5時，減水劑用量最多。

(3)隨著粗骨料體積率、粗骨料最大粒徑變大，混凝土拌合物的坍擴比和坍落時間逐漸越小，流動性能變好；隨著粗骨料級配分形維數(shù)變大，坍擴比和坍落時間與其存在開口向下的函數(shù)關(guān)系，且都在粗骨料級配分形維數(shù)為2.5時取得最大值，此時流動性趨于最佳。

(4)當粗骨料體積率為80%、最大粒徑最大為15～20 mm、級配分形維數(shù)為2.5時，混凝土容重最大，骨料級配最密實。