基于平均液層厚度的自密實混凝土流變性能機理研究*

黃銳新，陳嘉健

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，廣東 佛山528000)

自密實混凝土的優(yōu)越性能逐漸被土木行業(yè)所認可，其工作性能尤其重要，在實際施工過程中起著不可或缺的作用。工程上用得最多的測試工作性能的三個評價標準分別是：(1)流動性能；(2)間隙通過性；(3)抗離析性[1-5]。三個評價標準中的流變性能是自密實混凝土工作性能的重中之重，其測試方法也有很多種，但現(xiàn)在國際上還沒有一個特定的測試自密實混凝土工作性能的標準方法，本文使用坍落擴展度及V型流動儀兩個試驗分別從靜態(tài)和動態(tài)兩個角度展開對自密實混凝土的流變性能研究。此外，平均液層厚度被香港關(guān)國雄團隊認為是影響砂漿及水泥漿流動性能的關(guān)鍵影響因素之一，該團隊通過研究用水量、堆積密度和固相顆粒表面積對凈漿、砂漿和混凝土流變性能的影響找出彼此之間的關(guān)系[6-8]。本研究通過20組對比試驗，基于平均液層厚度理論探究自密實混凝土流變性能機理，揭示了平均液層厚度對自密實混凝土流變性能的影響。

1 試驗材料

(1)水泥：海螺牌P·042.5R水泥，密度3143 kg/m3，比表面積365 m2/kg，質(zhì)量符合現(xiàn)行國家標準《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的要求；(2)石子：粒徑5～10 mm與 粒徑10～20 mm 按1∶1混合；(3)砂：佛山當?shù)睾由埃毝饶?shù)為2.6，屬中砂；(4)減水劑：廣東瑞安LS-JS聚羧酸高效減水劑，符合現(xiàn)行國家標準《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(附條文說明)》(GB 50119—2013)，摻雜量按廠家的建議取1.5%；(5)水：自來水。

表1 水泥的性能指標

2 試驗方案

本試驗共配制20組試驗，按不同的水灰比體積比、不同的水泥漿體積比及砂率進行測量，水灰比體積比為1.05和1.20兩大組，水泥漿體積比(水泥、水、減水劑體積之和占混凝土體積比例)為0.34到0.50，以0.04為級差，砂率為0.5和0.6，試塊分別以“S-水灰比體積比-水泥漿體積比-砂率”為編號，各項試驗的詳細配比數(shù)據(jù)見表2。

表2 各組試驗配合比及流變性能

3 填充密度測量及平均液層厚度計算

3.1 填充密度測量方法

填充密度試驗采用水測緊密值法[9]，可以反映自密實混凝土固相顆粒間的填充程度，根據(jù)試驗的固相材料配合比配制試驗組，逐漸加入水后看固相材料可以達到的最大填充率，此即為最大填充密度[10-12]。在此狀態(tài)下，膠凝材料顆粒外層恰好被充分包裹，顆粒之間無空隙。該測試方法考慮到空氣、加水量及減水劑的影響，模擬出固相材料在混凝土中的懸浮狀態(tài)，較以往的干測量法考慮到更多的影響因素，因此更加符合混凝土的實際情況，測量結(jié)果更為準確。記已知容積的容器裝滿試樣時的填充率為P[13]，則基于水測緊密值法可以得到以下式子：

M=mc+ms+mw=PVRcρc+PVRhρh+PVRsρs+PVuwρw

(1)

式中：M為砂漿的總質(zhì)量，V為杯子的容積，mc、ms、mw分別為捶杯試驗中水泥、河砂、加入水的質(zhì)量，Rc、Rs分別為水泥、河砂占固相材料的體積分數(shù)，uw為體積水灰比，ρc、ρh、ρs、ρw分別為水泥、滑石粉、河砂、水的密度。由式(1)可以推出

(2)

式中：Vs為固相材料的總體積。整個試驗需在新拌砂漿5 min內(nèi)完成，溫度控制在(20±20) ℃。

3.2 平均液層厚度計算方法

計算出各個試驗組別的填充密度后，根據(jù)以下公式可以計算出平均液層厚度[14-17]：

(3)

We=Vw-Vh

(4)

(5)

A=McSc+MsSs

(6)

式中：T為平均液層厚度We為試樣中剩余水體積，A為水泥及河砂等固相材料的總比表面積；Vw為試樣的實際用水體積，mL；Vh為顆粒間空隙體積，mL；pmax為固相材料的填充密度，Mc、Ms分別為配合比試驗中所用水泥、砂的實際質(zhì)量，g；Sc、Ss為水泥、河砂的比表面積。

3.3 填充密度與平均液層厚度計算結(jié)果

各組的填充密度及平均液層厚度計算結(jié)果見表3。從表3中的數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：隨著水灰比體積比的增大，平均液層厚度也在逐漸增大。這是因為試驗配合比中液態(tài)水的增加，使得在滿足固相材料之間的空隙填充后，剩余水體積過大，故平均液層厚度一直呈現(xiàn)增大的趨勢，這與實驗中發(fā)生的現(xiàn)象相符合。但要提出的是，過大的水泥漿體積比極易出現(xiàn)離析、泌水等現(xiàn)象，即使其平均液層厚度一直在增加，但其混凝土工作性能中有部分測試無法滿足規(guī)范的要求。

表3 填充密度及平均液層厚度計算結(jié)果

4 平均液層厚度對自密實混凝土工作性能的影響

根據(jù)表3計算得到的平均液層厚度及表2中流變性能相關(guān)數(shù)據(jù)，分析兩者間的相關(guān)性。

平均液層厚度對自密實混凝土擴展度的影響見圖1。由圖1可知平均液層厚度與擴展度之間的相關(guān)系數(shù)已經(jīng)達到了0.707，說明平均液層厚度與坍落擴展度之間存在較強的關(guān)系，可以認為混凝土的坍落擴展度很大程度上是由平均液層厚度決定的。隨著平均液層厚度的增加，坍落擴展度增加得較快，后續(xù)當平均液層厚度繼續(xù)增加時，坍落擴展度的大小趨于平緩。

平均液層厚度對自密實混凝土V型儀流出時間的影響關(guān)系見圖2。由圖2可知，平均液層厚度與V型儀流出時間之間的相關(guān)系數(shù)已經(jīng)達到了0.726。隨著平均液層厚度的增加，V型儀流出時間會下降，表明平均液層厚度與自密實混凝土的動態(tài)流動性能存在較大的關(guān)聯(lián)性，平均液層厚度增大，會增強自密實混凝土的動態(tài)流動性。

圖1 坍落擴展度隨平均液層厚度變化 圖2 V型儀流出時間隨平均液層厚度變化

5 結(jié)論

根據(jù)各項流變性能指標與平均液層厚度變化情況關(guān)系分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)平均液層厚度與自密實混凝土坍落擴展度呈正相關(guān)，與V型流動儀流出時間呈負相關(guān)，兩者的相關(guān)系數(shù)分別為0.707和0.726，表明平均液層厚度與自密實混凝土流動性能之間存在較強的關(guān)系，平均液層厚度增大，自密實混凝土的流動性能也會隨著增強。

(2)提出的平均液層厚度理論，其結(jié)果可以在填充密度測量出來后經(jīng)式(3)計算得到。隨著水泥漿體積比與砂率的變化，平均液層厚度也會呈規(guī)律性變化，觀察計算得到的平均液層厚度與坍落擴展度及V型儀流出時間的相關(guān)程度，可依此判斷自密實混凝土的流變性能等各方面的變化趨勢，以達到設(shè)計、預(yù)測自密實混凝土理想工作性能等目的，在設(shè)計混凝土配合比的時候可加以參考。