干硬性混凝土配合比及力學性能研究

徐少成 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

干硬性混凝土是指水灰比較小，維勃稠度較大的混凝土。與普通混凝土相比，干硬性混凝土具有流動性小、水化熱低、硬化速度快、早期強度高、降低工程造價和縮短工期等特點[1]。干硬性混凝土坍落度不大于10mm，維勃稠度在10s～30s范圍內。干硬性混凝土適合混凝土道路工程，也常用在預制混凝土制品及構件、混凝土空心砌塊、路面板、路面磚等工程。其具有工廠生產線批量生產，立即脫模養護硬化的特性。工程實踐證明，干硬性混凝土憑借其優勢越來越得到廣泛的應用。

干硬性混凝土的工作性、力學性能與試驗過程中的砂率、水灰比、成型壓力以及養護條件均存在較強的相關性。要確定干硬性混凝土的配合比，首先要確定水灰比，控制水灰比的大小是保證混凝土耐久性的重要手段[2]。骨料中摻加石粉能夠顯著降低混凝土的經濟成本，但是石粉中還常摻雜少量泥粉，易對混凝土各項性能產生損害。文獻[3]探討了大理石粉、石粉及粉煤灰取代天然砂及水泥在混凝土中的應用。粉煤灰和石材廢料作為建筑材料在混凝土中的應用可以節約水泥進而節省成本。文獻[4]研究干硬性混凝土制品的成型工藝參數，干硬性混凝土的強度受振動特性、振動壓力、振動時間影響顯著。因此，將干硬性混凝土作為研究對象，對干硬性混凝土的物理特征、強度特性進行詳細的室內試驗研究，具有重要的理論及實踐意義。

2 原材料及試驗

2.1 原材料

①水泥。本實驗所用水泥為巢湖海螺42.5級，其有關的技術指標如表1所示。有關的化學組成如表2所示。

②天然砂。由合肥某建材有限公司提供，主要性能指標：最大粒徑為5mm，細度模數為1.69，屬于細砂，表觀密度為2632.5kg/m3，堆 積 密 度 為 1235.1kg/m3，含泥量為1.5%，級配符合要求。

③石粉原料。石粉采用石灰石質石粉，主要成分為CaCO3，比表面積為1183m2/kg，石粉的表觀密度為2623.41kg/m3，堆 積 密 度 為 1411.6kg/m3。

④石子。石子由合肥某建材有限公司提供，其粒徑在2mm～15mm連續級配，石子的表觀密度為2481.5 kg/m3，堆積密度為1289.3 kg/m3。

⑤減水劑。本次所用的減水劑為聚羧酸高效減水劑，白色粉末狀固體，固含量≥95%，pH值為7.0，合肥市某建材有限公司生產。

硅酸鹽水泥的各項指標 表1

普通硅酸鹽水泥的化學組成 表2

⑥拌合用水為實驗室自來水。

2.2 試驗方法

實驗擬配置抗壓強度為C25的干硬性混凝土，實驗室制備試件的過程如下：首先將粗細骨料和水泥在攪拌機中攪拌5min，加入合適量的水攪拌5min；然后在加入減水劑攪拌2min，將混合好的料放在實驗機上邊的模具上，用實驗機壓制振動成型。將壓制好的試塊在養護室養護到不同的齡期后，用取芯機在預制塊上取芯，試件的尺寸為：底面直徑為100mm，高為100mm的圓柱體。然后在1000kN電液式壓力試驗機上做抗壓實驗，加載時采用應力控制，應力控制取0.2MPa/s。每組做三個試樣，以三個試塊抗壓強度均值作為該組實驗結果，若其中最大或最小值與中值的差大于中值的15%，則取中間值作為混凝土抗壓強度值，若最大值、最小值兩者和中值差距大于中值的15%，則該值試驗無效，重新試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 砂率對干硬性混凝土強度的影響

由于干硬性混凝土預制塊對石子的最大粒徑有限制，以及為了降低混凝土的建設成本，本實驗采用了石粉作為部分骨料，所以實驗過程中砂率會較小。砂率是砂子占骨料總量的比率，砂率會引起骨料的總表面和孔隙率發生很大的變化，對干硬性混凝土抗壓強度有很大的影響。砂率對干硬性混凝土抗壓強度的影響如圖1所示，從圖1中能夠看出砂率為25%時，干硬性混凝土的抗壓性能最高，分別比砂率為22%和34%高出8.5MPa、10.4MPa。當砂率較低時，拌合物中顯得粗骨料過多而砂子過少，形成的砂漿量并不足以包裹石子表面，并不能填滿石子間空隙，拌合物缺漿，混凝土流動性下降，試件成型后的內部空隙較多，不密實，故試件強度較低。砂率過大時，骨料的總表面積和孔隙率均增大，當混凝土中水的含量保持一定時，拌合物就會顯得干稠，流動性降低，若要保持一定的維勃稠度，則需要增加用水量，就要多耗水泥。在水泥漿用量一定的條件下，骨料表面包裹的漿量變薄，粘結力降低，潤滑作用下降，不易形成理想的骨料之間的嵌鎖型結果，從而降低密實度，影響混凝土強度的發展[5]。

圖1 砂率對干硬性混凝土抗壓強度的影響

3.2 水灰比對干硬性混凝土強度的影響

干硬性混凝土用壓力實驗機進行振動壓制成型，所以需要的水量往往不多。不同水灰比的干硬性混凝土試件的強度測試結果如圖2所示，從圖2中能夠看出干硬性混凝土的抗壓強度隨著水灰比的增加隨之下降，符合混凝土強度發展的一般規律。水灰比為0.28時比水灰比為0.34的試樣抗壓強度增大10.3MPa。在混凝土中加入多余的水分會導致水泥漿的濃度降低，固化粘結能力下降，自由水在混凝土試塊凝結硬化中蒸發形成毛細孔，混凝土硬化后的孔隙率大，密度小，導致抗壓強度下降。因此實驗過程中要控制混凝土的用水量。但是用水量不能過少，否則會影響干硬性混凝土的成型狀態，會導致形成裂紋。結合大量的實驗，本次干硬性混凝土的水灰比取0.3。

圖2 水灰比對干硬性凝土抗壓強度的影響

3.3 振動壓力對干硬性混凝土強度的影響

干硬性混凝土預制塊成型大多采用振動加壓方式。振動成型會使骨料顆粒間的自由水及毛細水被擠出，骨料顆粒間更加緊密排列，因此需要水量會顯著下降。振動壓力對干硬性混凝土抗壓強度的影響如圖3所示，從圖3中能夠看出混凝土的抗壓強度隨著成型壓力的增加而增大，當成型壓力為12MPa時，比壓力為8MPa試樣抗壓強度能夠提高7.3MPa。強度提高的原因是振動壓力大時，試驗機振動過程中會直接引起混凝土拌合料內部各種顆粒的重新排列，孔隙、缺陷被充實，顆粒堆積更加的密實。密實的混凝土會使試樣干密度更大，抗壓強度更高[6]。實驗壓力機的振動壓力過小會導致混凝土拌

圖3 成型壓力對干硬性混凝土抗壓強度的影響

合料的胚體強度過小，無法成型。與傳統的塑性混凝土相比，干硬性混凝土水灰比小，流動性差，所以內部骨料的分布對強度的影響比較顯著，所以成型方式和成型壓力對抗壓強度的影響比較顯著。

3.4 養護方式對干硬性混凝土強度的影響

干硬性混凝土強度的發展主要取決于水泥水化產生的CSH凝膠，因此保證水泥充分水化是提高抗壓強度的關鍵所在。水是參與水泥水化反應的物質，是水泥水化、硬化的必要條件，用水泥拌制的干硬性混凝土，在澆筑后應保持潮濕狀態，以利于獲得滿意的抗壓強度。本次實驗探究了三種養護方式對抗壓強度的影響。濕養是混凝土達到1d齡期后，將其放到水中進行養護。標準養護方式是試樣1d齡期后，放在標準養護室內養護，養護室內保持濕度95%左右，溫度20℃左右。室內養護方式是1d齡期后的試樣，直接放到干燥的室內進行養護。三種養護方式對干硬性混凝土強度的影響如圖4所示。從圖4中能夠看出標準養護試樣的抗壓強度，明顯高于濕養和室內養護，比濕養高出1.5MPa，比室內養護高出4.1MPa。標準養護條件下，水化產物均勻地分布于混凝土中，能降低混凝土的孔隙率，增強混凝土的強度。當混凝土的養護濕度為95%時，降低了內外溫度差，水分蒸發速率下降，加強了水泥水化，增加了混凝土的強度[7]。

圖4 養護方式對干硬性混凝土抗壓強度的影響

4 結論

①砂率的變化能夠影響干硬性混凝土的抗壓強度，從實驗中能夠看出強度隨著砂率的增加先升高后下降。在砂率為25%時，混凝土內部的密實性最好，強度最高。

②水灰比的變化對混凝土性能影響很大，混凝土的抗壓強度隨著水灰比的增加而顯著下降，但是拌合水量不能過于少，水量少不利于預制塊的成型及養護，本文干硬性混凝土實驗水灰比取為0.3。

③實驗振動壓力以及養護條件對干硬性混凝土的抗壓強度有影響。混凝土抗壓強度隨著成型振動壓力的增加而增加，試驗機的振動壓力越大，混凝土內部越密實，強度越高。標準養護條件下混凝土的抗壓強度比濕養和室內養護強度提高更加明顯。

④本次實驗得出強度等級為C25的干硬性混凝土配合比為：1m3各材料用量為：水泥484kg，水145kg，砂446kg，石粉788kg，石子533kg，以質量表示為水泥：砂：石粉：石子=1:0.92:1.63:1.10，W/B=0.3，減水劑用量為0.8%。測得維勃稠度為12s，28d抗壓強度為31.4MPa，各項性能指標和壓制出的預制塊外觀比較滿意。