骨料粒徑及砂率對自密實混凝土力學性能的影響

宗琦 顏鑫 方躍 王夢想 汪海波

摘 要：為了研究骨料粒徑及砂率對自密實混凝土力學性能的影響，采用控制變量法，開展了以骨料粒徑、砂率及養護齡期為變量的抗壓強度及抗折強度試驗研究。結果表明自密實混凝土的抗壓強度隨養護齡期的增長逐漸增大，前期強度增長速率快，7d抗壓強度為28d抗壓強度的56.1%～83.1%;抗壓強度及抗折強度隨細度模數的增大逐漸增大，隨砂率的增大逐漸減小，隨粒徑為5～10mm粗骨料含量的減少，10～20mm粗骨料含量的增多，7d、14d抗壓強度不斷減小，28d抗壓強度及抗折強度先減小后增大;粗骨料粒徑對折壓比有顯著影響，細度模數次之，砂率的影響較小。擬合得到了不同骨料粒徑及砂率的自密實混凝土抗折強度與抗壓強度關系式。

關鍵詞：自密實混凝土;骨料粒徑;砂率;齡期;力學性能

中圖分類號： TU528? 文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2021）01-0001-06

收稿日期：2020-08-26

基金項目：安徽省自然科學基金資助項目（2008085ME163）;安徽省博士后基金資助項目（2018B282）

作者簡介：宗琦（1962-），男，安徽淮北人，教授，博士，研究方向：爆破工程、地下工程。

Influence of Aggregate Size and Sand Ratio on Mechanical Properties of Self Compacting Concrete

ZONG Qi，YAN Xin，FANG Yue，WANG Mengxiang，WANG Haibo

（School of Civil Engineering and Architecture， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui? 232001， China）

Abstract： In order to study the influence of aggregate size and sand ratio on the mechanical properties of self compacting concrete， an experimental study on the compressive strength and flexural strength of self compacting concrete was carried out with the control variable method. The results showed that the compressive strength of self compacting concrete increased with the curing age， and the early strength increased rapidly. The 7d compressive strength was 56.1%～83.1% of that at 28d， the compressive strength and flexural strength gradually increasing with the increase of fineness modulus and decreasing with the increase of sand ratio. With the decrease of 5～10mm sized coarse aggregate content and the increase of 10～20mm sized coarse aggregate content， the 7d and 14d compressive strength decreased continuously， while the 28d compressive strength and flexural strength first decreased and then increased. The particle size of coarse aggregate had a significant effect on the flexural compression ratio， the fineness modulus did less， and the sand ratio still less. Therefore the relationship between flexural strength and compressive strength of self compacting concrete with different aggregate size and sand ratio was obtained by fitting.

Key words：self compacting concrete; aggregate size; sand ratio; age; mechanical property

自密實混凝土是指無需振搗器械即可澆筑成型且不會出現蜂窩和孔洞的高流態混凝土，又稱為免振搗混凝土[1]368，于1988年由日本學者Okamura成功研制，隨后在日本、歐美等發達國家得到推廣使用[2]。相較于傳統振搗混凝土，自密實混凝土節約了人力和設備、大大提高了施工的效率和質量、改善了工作噪音水平、提高了結構耐久性[3]，近年來廣泛應用于橋梁隧道[4-5]、民用建筑[6]、高速鐵路[7]和水工設施[8]等領域。

國內外學者對自密實混凝土的力學性能進行了大量研究，文獻[9]探討了骨料最大粒徑對自密實輕集料混凝土的影響，發現自密實混凝土的抗壓強度隨骨料最大粒徑的增大而逐漸減小;文獻[10]對不同骨料體積含量的自密實混凝土力學性能進行了研究，結果表明骨料體積含量從30%增大到60%，自密實混凝土的抗壓強度呈先減后增的趨勢;文獻[11]認為砂骨比較高的混凝土通常具有較低的抗壓強度;文獻[12]探究了砂率及粗骨料級配對自密實混凝土力學性能的影響，發現自密實混凝土28d抗壓強度隨砂率的增大呈先增后減的趨勢，對骨料級配進行優化可顯著提高混凝土的抗壓強度;文獻[13]通過試驗研究了高強自密實混凝土的抗壓強度與水泥摻量的具體關系;文獻[14]研究發現粗骨料的顆粒級配及形狀指數對自密實混凝土7d抗壓強度的影響比28d抗壓強度大;文獻[15]認為不同粒徑分布的粗骨料混合對自密實混凝土各齡期的抗壓強度影響較小。

由前人的研究結果可知，關于骨料粒徑及砂率對自密實混凝土性能的影響研究主要集中在工作性能上，對其力學性能的研究較少。因此，本文在水膠比一定的情況下，采用控制變量法研究不同變量（骨料粒徑、砂率及養護齡期）下自密實混凝土的抗壓強度、抗折強度及折壓比，探討力學性能相關性，為自密實混凝土的設計及施工提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

水泥：P·O42.5硅酸鹽水泥; 粉煤灰：I級粉煤灰， 產自淮南電廠; 礦粉： S95級礦粉; 減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率≥25%;粗骨料：粒徑為5～20mm的碎石;細骨料：淮河中粗砂;拌合水：實驗室用水。

1.2 試驗配合比

參考CECS 203-2006《自密實混凝土應用技術規程》[16]推薦的配合比設計方法，試配調整優化后得到具體的配合比，如表1所示。

1.3 試件制備與試驗方法

根據配合比將粒徑為5～10mm和10～20mm的碎石分別按照1∶0、1∶1和0∶1的質量比配合; 細骨料烘干后采用孔徑梯度分別為0.15mm、 0.3mm、0.6mm、 1.18mm、? 2.36mm和4.75mm的振動篩，? 按照公式（1）配置細度模數分別為2.72、 3.03和3.38的砂子。

Mx=（A2+A3+A4+A5+A6）-5A1100-A1（1）

式中：Mx為砂子的細度模數;A1、A2、A3、A4、A5、A6分別為4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm和0.15m篩的累計篩余百分率。

攪拌機中依次加入粗細骨料、水泥和礦物摻合料，干拌約1.5min后加入摻有減水劑的水，繼續攪拌2min后倒出測量混凝土的工作性能，符合規范要求后裝模、抹平表面并覆蓋薄膜防止水分散失。試件在室溫下靜置48h后拆模、編號，隨后放入標準養護室分別養護7d、14d和28d，達到試驗齡期后進行力學性能測試。7組立方體試塊（100mm×100mm×100mm）及7組棱柱體試塊（100mm×100mm×400mm）分別用來測定自密實混凝土不同齡期（7d、 14d、 28d）的抗壓強度和28d齡期的抗折強度， 共計126個。 根據GB/T 50081-2002《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[17]， 抗壓試驗加載速度為0.6MPa/s， 抗折試驗加載速度為0.1mm/min。

2 試驗結果及分析

2.1 立方體抗壓強度

將試驗獲取的破壞荷載取平均值后代入公式（2），計算不同骨料粒徑及砂率的自密實混凝土7d、14d和28d的立方體抗壓強度fcu，結果如圖1～圖3所示。

fcu=0.95FA（2）

式中：fcu為混凝土立方體抗壓強度，MPa;F為試件破壞荷載，N;A為試件承壓面積，mm2;0.95為尺寸換算系數，無量綱。

粗骨料粒徑與抗壓強度的關系如圖1所示。

由圖1可知CA-1∶0、CA-1∶1 和CA-0∶1的抗壓強度隨齡期的增長呈逐漸增大的趨勢，1～7d抗壓強度增速較快，7～28d增速減緩，這是因為加入的聚羧酸減水劑加快了水泥的早期水化速率，促進了混凝土早期強度的發展。CA-0∶1的7d、14d和28d抗壓強度均為最大，分別為51.5MPa、57.0MPa和65.6MPa。在7d和14d時，CA-0∶1的強度最小，在28d時，CA-1∶1的強度最小。造成CA-0∶1的7d和14d抗壓強度小于CA-1∶1，而28d抗壓強度大于CA-1∶1的原因可能是，在水化早期粉煤灰和礦粉由于活性較低未參與水化反應，對混凝土的早期抗壓強度貢獻不大。CA-0∶1中粒徑為10～20mm的粗骨料含量較CA-1∶1多，骨料本身存在缺陷的幾率增大，因此CA-0∶1由于自身的骨料缺陷導致7d及14d抗壓強度小于CA-1∶1;在水化后期時，粉煤灰及礦粉參與二次水化反應，生成的大量水化硅酸鈣凝膠填充在骨料間隙中，同時未水化的礦物摻合料充當微細骨料填充在混凝土內部的孔隙中，大大改善了界面過渡區的品質，提高了界面過渡區的密實性并提高了抗壓強度，彌補了骨料因自身缺陷所導致的混凝土抗壓強度的降低[18]。而CA-1：1由于級配良好，相對于CA-0∶1而言孔隙更少，也更為密實，從而CA-1∶1從14d到28d由于二次水化反應填充孔隙進而改善界面過渡區的可能性也較低，即CA-0∶1從14d到28d的性能提升是較小的。

與CA-1∶0相比，CA-1∶1和CA-0∶1的7d抗壓強度分別降低了21.2%和38.3%;14d抗壓強度分別降低了17.5%和27.4%;28d抗壓強度分別降低了19.8%和13.6%。究其原因，大粒徑骨料由于自重較大，在混凝土拌合過程中的下沉速度快于小粒徑骨料，使得混凝土內部分布不均勻，在受力傳遞時易產生應力集中;骨料表面水膜聚水的傾向隨粗骨料粒徑的增大呈增大趨勢，導致大粒徑骨料周圍的局部水膠比高于砂漿本體，水分蒸發后，會在粗骨料下界面產生界面縫[1]32。

砂細度模數與抗壓強度的關系如圖2所示。 由圖2可知， 隨著砂細度模數的增大， Mx-2.72、Mx-3.03和Mx-3.38的抗壓強度不斷增大，增長趨勢為先慢后快。細度模數從2.72增長到3.03，自密實混凝土的7d、14d和28d立方體抗壓強度分別增長了2MPa、2.2MPa和2.9MPa;而細度模數從3.03增長到3.38，分別增長了9.1MPa、7.9MPa和7.7MPa。Mx-3.38的7d、14d和28d抗壓強度均最大，分別為51.7MPa、57.1MPa和62.2MPa。

砂率與抗壓強度的關系如圖3所示。由圖3可知，隨著砂率的增大，SP-0.40、SP-0.45和SP-0.50 的7d、14d和28d抗壓強度均逐漸減小，下降趨勢為先快后慢。SP-0.40的7d、14d和28d抗壓強度均最大，分別為47.1MPa、53.8MPa和61.7MPa。與SP-0.40相比，SP-0.45、SP-0.50的7d抗壓強度分別降低了13.8%和25.9%;14d抗壓強度分別降低了12.7%和19.9%;28d抗壓強度分別降低了14.7%和19.8%。究其原因，細度模數的減小和砂率的增大導致骨料的總表面積增大，需要足夠多的水泥漿用以包裹并填充骨料，而膠凝材料的量一定，導致水泥漿量不足以有效包裹骨料并填充其空隙，造成骨料的粘結力下降，降低了混凝土強度。

2.2 抗折強度

將試驗獲取的折斷破壞荷載取平均值后代入公式（3），計算不同骨料粒徑及砂率的自密實混凝土28d抗折強度ff，結果如表2所示。

ff=0.85Flb×h2（3）

式中：ff為混凝土抗折強度，MPa;F為試件破壞荷載，N;l，b，h分別為支座間距、試件的截面寬度和高度，mm;0.95為尺寸換算系數，無量綱;本試驗中l=400mm、b=100mm、h=100mm。

由表2可以看出，與自密實混凝土的抗壓強度相比，其抗折強度要小得多，僅為抗壓強度的1/14～1/12，且隨抗壓強度的增大緩慢增大。隨著粒徑為5～10mm的粗骨料減少，10～20mm的粗骨料增多，抗折強度先減后增，與其抗壓強度發展規律一致。CA-1∶0的抗折強度最大，為5.4MPa，與CA-1∶1相比，CA-1∶0、CA-0∶1的抗折強度分別提高了45.9%和18.9%。分析認為，混凝土抗折強度的大小取決于過渡界面的粘結強度，即由膠凝材料與骨料間的粘結力決定。CA-1∶0由于骨料粒徑小，比表面積大，增大了與水泥漿的粘結面積，提高了粘結強度，宏觀上表現為抗折強度的增大;大粒徑骨料的界面過渡區較小粒徑骨料更薄弱，受載前就存在數量更多且尺度更大的微裂縫[1]43。從某種意義上來說，微裂縫削弱了水泥漿體與骨料的粘結力，導致混凝土抗折強度的降低。

由表2還可以看出， Mx-2.72、 Mx-3.03及 Mx-3.38的抗折強度均隨細度模數的增加而增大。其中Mx-3.38的抗折強度最大，為4.8MPa，細度模數從2.72增大到3.38，抗折強度的增幅最高為29.7%，最低為10.8%。隨著砂率的增大，自密實混凝土的抗折強度逐漸減小，SP-0.40的抗折強度最大，為4.2MPa。砂率從0.40增長到0.50，自密實混凝土的抗折強度的降幅最高為18.9%，最低為13.5%。細度模數及砂率對自密實混凝土抗折強度的影響原因與其抗壓強度相同，由于篇幅原因不再贅述。由表2中數據計算可得出不同骨料粒徑及砂率的自密實混凝土最大抗折強度與其最小抗折強度之差分別為2MPa、1.1MPa和0.7MPa，可以認為細度模數及砂率的改變對自密實混凝土抗折強度的影響程度較小。

2.3 折壓比

折壓比（抗折強度與立方體抗壓強度之比）是評價混凝土抗裂性能的重要指標，折壓比越大，混凝土脆性越小，韌性越大，抗裂性能越好。表2給出了不同骨料粒徑及砂率的自密實混凝土28d條件下的折壓比。由表2可以看出，隨著粒徑為5～10mm的粗骨料減少，10～20mm的粗骨料增多，折壓比先減后增，即混凝土的韌性和抗裂性能先減后增。與CA-1∶1相比，CA-1∶0和CA-0∶1的折壓比分別增大了17.2%和11.4%。因此在自密實混凝土應用中，可以通過減小粗骨料的粒徑來滿足工程實踐對混凝土韌性和抗裂性能的要求，同時混凝土還具有足夠的抗壓強度及抗折強度。隨著細度模數的增長，折壓比逐漸增大，與Mx-2.72相比，Mx-3.03和 Mx-3.38的折壓比分別增大了5.7%和10%。隨著砂率的增大，折壓比逐漸增大，這與其抗壓強度和抗折強度發展規律相反。砂率從0.40增大到0.50，折壓比分別增長了5%和4.5%，折壓比提高幅度不明顯，可以認為砂率的改變對自密實混凝土折壓比的影響較小。

根據試驗所測自密實混凝土抗折強度與抗壓強度值散點的分布情況，以抗壓強度fcu為橫坐標，抗折強度ff為縱坐標，利用origin9.0軟件采用y=axb模型進行回歸分析，得到自密實混凝土抗折強度ff與抗壓強度fcu的關系，如圖4所示。

將自密實混凝土28d立方體抗壓強度值代入圖4中的擬合方程，分別計算不同骨料粒徑及砂率的自密實混凝土抗折強度，并與試驗實測值比較，結果如表3所示。由表3中數據計算后可以得出不同骨料粒徑及砂率的自密實混凝土抗折強度試驗值與計算值比值的均值分別為1.002、1.045和0.999;均方差分別為0.055、0.017和0.005，計算值與試驗實測值相關性高。因此，可用圖4中的擬合方程表示不同骨料粒徑及砂率的自密實混凝土抗折強度ff與立方體抗壓強度fcu的關系。

3 結論

（1）自密實混凝土的抗壓強度隨細度模數的增大不斷增大，增長速率先慢后快;隨砂率的增大不斷減小，降低速率為先快后慢;隨粒徑為5～10mm的粗骨料減少，10～20mm的粗骨料含量的增多，自密實混凝土7d、14d抗壓強度不斷減小，28d抗壓強度先減小后增大。

（2）自密實混凝土的抗折強度及折壓比隨粒徑為5～10mm的粗骨料減少，10～20mm的粗骨料含量的增多而先減小后增大;隨細度模數的增大不斷增大;隨砂率的增大抗折強度不斷減小，而折壓比不斷增大。從折壓比的提高幅度而言，砂率的改變對折壓比的影響較小。

（3）擬合得到了不同骨料粒徑及砂率的自密實混凝土抗折強度和立方體抗壓強度的換算關系式，可為自密實混凝土的設計與施工提供參考。

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（責任編輯：丁 寒）