粗骨料骨架效應(yīng)對混凝土碳化和回彈值影響的試驗(yàn)研究*

彭丙杰，羅小東，和德亮，吳濤，張奔

（成都建工賽利混凝土有限公司，四川 成都 610015）

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的現(xiàn)場檢測根據(jù)其原理不同，一般可分為有損檢測技術(shù)和無損檢測技術(shù)。其中，有損檢測技術(shù)雖然測試結(jié)果比較直觀可靠，但會(huì)對結(jié)構(gòu)造成局部破壞，被測結(jié)構(gòu)需進(jìn)行相應(yīng)修補(bǔ)，不利于混凝土構(gòu)件后期的發(fā)展和維護(hù)[1-2]，因此，無損檢測作為一種非破壞性檢測方法，廣泛受到工程界的青睞。長期以來，快速、簡便、易操作的回彈法一直是許多地區(qū)混凝土質(zhì)量檢驗(yàn)與管理機(jī)構(gòu)常用的檢測方法。但需要注意的是，回彈法的應(yīng)用前提是結(jié)構(gòu)表面狀態(tài)能夠代表結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)，而混凝土結(jié)構(gòu)表面的狀態(tài)（強(qiáng)度與密實(shí)性）與內(nèi)部可能有較大的不同。因?yàn)椋炷翉?qiáng)度是一個(gè)多要素的綜合指標(biāo)，它與彈性、塑性、材料結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性、孔隙的量和孔的結(jié)構(gòu)等一系列因素有關(guān)[3]。所以，在許多情況下，混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際上存在外弱內(nèi)強(qiáng)的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)回彈測定強(qiáng)度的方法也就失去了其準(zhǔn)確測定的基礎(chǔ)。

因此，如何提高混凝土表面狀態(tài)和內(nèi)部狀態(tài)的一致性，或者說如何提高混凝土的均勻性，就顯得尤為重要。從混凝土的本構(gòu)原理出發(fā)，砂顆粒較小，只要膠漿具有了一定的黏度，砂與膠漿很容易達(dá)到均勻，但砂漿與碎石的均勻性就較難控制。因?yàn)椋F(xiàn)多數(shù)混凝土需泵送，要求碎石在混凝土中處于懸浮狀態(tài)，這樣，就由于碎石密度、粒型等因素造成大顆粒碎石中心質(zhì)的不均勻分布，若混凝土施工再不規(guī)范，更加促使混凝土的不均勻性。通過分析，利用增加骨料的骨架密實(shí)度，減小骨料間距，降低骨料空隙率，減少膠漿用量，可有效改善混凝土的骨架效應(yīng)，增加混凝土宏觀中心質(zhì)的均勻性，從而保證混凝土的表面和內(nèi)部狀態(tài)趨于一致。本文即基于此原理，進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，突出混凝土骨架效應(yīng)，進(jìn)一步提升回彈值與實(shí)體強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性，增強(qiáng)回彈值的實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 原材料

（1）水泥：試驗(yàn)采用四川亞東水泥廠有限公司P·O42.5R 水泥，具體性能見表 1。

表1 水泥物理指標(biāo)

（2）粗骨料：粗骨料選用成都周邊的 5～31.5mm連續(xù)級配碎石，5～10mm（小石）、10～16mm（中石）和 16～ 31.5mm（大石）三級配，搭配比例為：小石 : 中石 : 大石 = 2:3:5，具體性能見表 2。

表2 碎石物理指標(biāo) %

（3）細(xì)骨料：細(xì)骨料采用兩種砂，產(chǎn)于成都周邊，具體性能見表 3。

表3 砂物理指標(biāo)

（4）摻合料：礦粉選用四川雙實(shí)建筑有限公司生產(chǎn)的 S75 級，粉煤灰選用四川濟(jì)鵬公司生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，具體性能見表 4。

表4 摻合料物理指標(biāo)

（5）減水劑：采用石家莊長安育才有限公司生產(chǎn)高性能聚羧酸減水劑，固含量 16.6%，減水率 27.9%。

1.2 試驗(yàn)方法

通過測試粗骨料和細(xì)骨料的空隙率，測得空隙率最小的搭配比例，同時(shí)，保持水膠比和容重不變，降低膠材用量。在滿足工作性和強(qiáng)度要求的前提下，依據(jù) GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能》規(guī)定的快速碳化試驗(yàn)方法進(jìn)行碳化試驗(yàn)，同時(shí)，進(jìn)行同齡期試件的自然養(yǎng)護(hù)、自然碳化，并在完成碳化試驗(yàn)后，進(jìn)行同齡期的回彈試驗(yàn)。

快速碳化試驗(yàn)采用 150mm×150mm×150mm 的立方體試件，三塊為一組，成型 1d 后拆模，將試塊按規(guī)定要求養(yǎng)護(hù)、烘干、密封。達(dá)到 28d 齡期后，將試件置于 CO2濃度為 (20±3)%、相對濕度為 (70±5)%、溫度為 (20±2)℃ 的碳化箱內(nèi)進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)。達(dá)到預(yù)定碳化時(shí)間（3d、7d、28d）后取出試件，劈裂，用濃度1% 的酚酞指示劑滴于劈裂面，待顏色穩(wěn)定后，從測試面邊緣至未碳化區(qū)邊界沿邊長每隔 10mm 測量一次碳化深度值，并以其平均值作為該混凝土試件的碳化深度。

自然碳化試驗(yàn)采用 150mm×150mm×150mm 的立方體試件，三塊為一組，成型 1d 后拆模，將試塊至于露天環(huán)境下，并使試塊間的距離大于 50cm，保證除底面外的其他面與空氣充分接觸。到齡期后取回試件，將試件在壓力試驗(yàn)機(jī)上從中間劈裂，將要測量的試件斷面上的粉末刷去，用濃度 1% 的酚酞指示劑滴于劈裂面，待顏色穩(wěn)定后，從測試面邊緣至未碳化區(qū)邊界沿邊長每隔 10mm 測量一次碳化深度值，并以其平均值作為該混凝土試件的碳化深度。

回彈試驗(yàn)參照 JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粗骨料骨架效應(yīng)對混凝土強(qiáng)度和工作性的影響

基于混凝土骨架效應(yīng)，通過對連續(xù)級配骨料進(jìn)行篩分，制得三級配骨料，并按照丁格爾公式進(jìn)行級配設(shè)計(jì)和緊密堆積試驗(yàn)，測得三級配骨料使用比例為小石 : 中石 : 大石=2:3:5，同時(shí)，由于骨料空隙率的降低，減少了膠漿用量，以降低漿膜層厚度。通過 36 批混凝土調(diào)整試驗(yàn)，優(yōu)選 DM17 和 DM20 兩組連續(xù)級配碎石配合比，作為 C30、C40 基準(zhǔn)配合比，優(yōu)選 DM18、DM19和 DM21、DM22 為 C30、C40 三級配碎石混凝土配合比作為對比試驗(yàn)配合比，具體見表 5。

表5 C30、C40 配合比

由以上配合比拌制混凝土，混凝土工作性能見表 6和圖 1，力學(xué)性能見表 7 和圖 2。

由表 6、表 7 和圖 1、圖 2 可見，采用三級配碎石，降低空隙率，降低膠漿量后，與連續(xù)級配碎石混凝土相比，C30、C40 混凝土拌合物擴(kuò)展度先增大后降低，但變化幅度較小，倒提流速均逐漸變大，C30 未超過 10s，C40 未超過 8s，混凝土和易性良好，均滿足泵送要求。從強(qiáng)度數(shù)據(jù)來看，DM18、DM19、DM21 和DM22 保持水膠比和容重不變，降低 26kg 和 30kg 膠材，與相應(yīng)基準(zhǔn)連續(xù)級配碎石混凝土DM17 和 DM20 相比，無論是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，還是自然養(yǎng)護(hù)，均有小幅度的提升，說明混凝土粗骨料的骨架效應(yīng)對強(qiáng)度貢獻(xiàn)較明顯。

圖2 骨架效應(yīng)對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

表7 混凝土抗壓強(qiáng)度

圖1 骨架效應(yīng)對混凝土狀態(tài)的影響

表6 混凝土拌和物擴(kuò)展度和倒提流速

混凝土的強(qiáng)度來源于三個(gè)方面：骨料的搭砌結(jié)構(gòu)及堆積密實(shí)度、漿體的強(qiáng)度和界面強(qiáng)度。當(dāng)水膠比和摻合料摻量不變時(shí)，則混凝土內(nèi)漿體的強(qiáng)度基本保持不變。同時(shí)，水膠比和摻合料摻量不變時(shí)，降低總膠漿量，界面性質(zhì)基本不變，但界面厚度變小，微缺陷的數(shù)量減少，這對提高界面黏結(jié)強(qiáng)度有利[4]。對于 C30 和 C40 等級的混凝土，界面過渡區(qū)影響不大，那么，混凝土強(qiáng)度的提高，則大部分由骨料的骨架效應(yīng)所貢獻(xiàn)。因此，骨料達(dá)到緊密堆積時(shí)，空隙率降低，較小的膠漿量亦可以提高混凝土強(qiáng)度[5]。同時(shí)，DM18 較 DM19 摻合料摻量高，DM21 較 DM22 摻合料摻量高，但對應(yīng)二者強(qiáng)度相差不大，更進(jìn)一步說明突出骨架效應(yīng)設(shè)計(jì)的配合比，膠材體系對強(qiáng)度的影響要小于骨料骨架效應(yīng)的影響。

2.2 粗骨料骨架效應(yīng)對碳化深度的影響

以 DM17～DM22 配合比拌制混凝土，保持初始狀態(tài)一致，分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)試件成型。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件碳化試驗(yàn)按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能》中快速碳化試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)至 28d 分別測定 3d、7d 和 28d 碳化深度。自養(yǎng)養(yǎng)護(hù)試件分別測定與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件快速碳化試驗(yàn)同齡期的自然碳化深度。具體數(shù)據(jù)，見表 8、表 9 和圖 3、圖 4。

圖4 自然養(yǎng)護(hù)試件自然碳化深度

表8 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后快速碳化試驗(yàn)結(jié)果 mm

表9 自然養(yǎng)護(hù)后自然碳化試驗(yàn)結(jié)果 mm

圖3 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件快速碳化深度

由表 8 和圖 3 可見，C30 混凝土 DM18 和 DM19 采用三級配碎石，降低膠漿量后，與 DM17 相比，快速碳化 3d、7d 和 28d，碳化深度均降低。DM17 快速碳化3d 和 7d 時(shí)，碳化深度相近，且較 DM18 和 DM19 大，DM18 和 DM19 在 7d 時(shí)碳化深度較 3d 時(shí)大較多。C40混凝土 DM21 和 DM22 采用三級配碎石，降低膠漿量后，與 DM20 相比，快速碳化 3d、7d 和 28d，碳化深度亦降低，但降低幅度較小。

由表 9 和圖 4 可見，自然養(yǎng)護(hù)試件自然碳化，C30混凝土 DM18 和 DM19 采用三級配碎石，降低膠漿量后，與 DM17 相比，自然碳化 3d、7d 和 28d，碳化深度均降低。C40 混凝土 DM21 和 DM22 采用三級配碎石，降低膠漿量后，與 DM20 相比，自然碳化 3d、7d和 28d，碳化深度亦降低，但降低幅度較小。同一配合比，3d 和 7d 碳化深度相當(dāng)，28d 碳化深度較大。

影響混凝土碳化的因素有三個(gè)：一是有 CO2存在，并且能夠由混凝土表面擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部，二是有水的存在，三是存在可游離的鈣源。同時(shí)，影響碳化的因素還可以細(xì)化為 CO2擴(kuò)散速度、反應(yīng)速度，以及是否出現(xiàn)“假碳化”等現(xiàn)象。因?yàn)椋袛嗵蓟疃鹊囊罁?jù)是利用酚酞溶液進(jìn)行斷面潤濕，不變色的深度即為碳化深度，但不變色，并不意味著一定都由碳化造成，也可能是由于粉煤灰和礦粉的加入，通過二次水化反應(yīng)消耗了部分鈣源。所以，DM19 較 DM18 粉煤灰和礦粉摻量低，DM22 較 DM21 粉煤灰和礦粉摻量低，這也是造成DM19 較 DM18、DM22 較 DM21 碳化深度小的部分原因。

有研究表明[6]，當(dāng)相對濕度位于 55%～70% 范圍內(nèi)，溫度較高時(shí)，有利于 CO2的擴(kuò)散、滲透和發(fā)生碳化反應(yīng)，會(huì)增大混凝土的碳化深度。按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能》中規(guī)定的快速碳化方法進(jìn)行試驗(yàn)，CO2濃度相對較高，溫度相對自然養(yǎng)護(hù)亦高（試驗(yàn)在冬季進(jìn)行），因此，同一配合比混凝土在兩種碳化條件下，快速碳化試驗(yàn)碳化深度較大，這和圖 3、圖 4 的對比規(guī)律相同。同時(shí)，不同配合比在相同養(yǎng)護(hù)和碳化條件下，進(jìn)行同條件對比，碳化深度均是隨著膠漿量和砂率的降低而減小。采用三級配碎石后，經(jīng)過緊密堆積搭配，空隙率較連續(xù)級配碎石降低7.4%，DM18 和 DM19 與 DM17 相比，水膠比和容重不變，降低膠材 26kg，降低砂率 1%，碎石用量提高，提高了混凝土的密實(shí)度，減小了骨料與骨料之間的距離。同時(shí)，混凝土側(cè)面的砂漿層變薄，CO2和水份的擴(kuò)散路徑由于碎石的阻礙而變得曲折，擴(kuò)散速度會(huì)減慢，這是造成碳化深度減小的主要原因。同理，C40 混凝土的三個(gè)配合比存在同樣的規(guī)律。可見，混凝土骨料的骨架搭建的越緊密，碳化路徑會(huì)越曲折，抗碳化性越強(qiáng)。但為了保證混凝土的可泵行，需保留必要的漿體使骨料處于懸浮狀態(tài)。

2.3 粗骨料骨架效應(yīng)對回彈值的影響

前文 DM17～DM22 碳化試件，完成碳化試驗(yàn)后，進(jìn)行回彈強(qiáng)度測試，具體數(shù)據(jù)見表 10、表 11 和圖 5、圖 6。

表10 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后快速碳化回彈值

圖5 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后快速碳化回彈值

由表 10 和圖 5 可見，同一齡期，DM18 和 DM19回彈值均較 DM17 逐漸增大，DM21 和 DM22 回彈值均較 DM20 大，DM21 和 DM22 回彈值基本相當(dāng)，DM17和 DM22 混凝土出現(xiàn) 7d 回彈值低于 3d 回彈值，可能是試驗(yàn)誤差造成。各配合比 3d 和 7d 回彈值相差不大，且均低于 28d 回彈值。

由表 11 和圖 6 可見，同一齡期，DM18 和 DM19回彈值均較 DM17 逐漸增大，DM21 和 DM22 回彈值均較 DM20 大。各配合比相應(yīng) 3d 和 7d 回彈值相當(dāng)，但DM21 出現(xiàn) 3d 回彈值大于 7d 回彈值，可能是由于試驗(yàn)誤差造成。

圖6 自然養(yǎng)護(hù)后自然碳化回彈值

表11 自然養(yǎng)護(hù)后自然碳化回彈值

回彈強(qiáng)度是利用混凝土的表面硬度、碳化深度和混凝土強(qiáng)度之間建立聯(lián)系，通過回彈值和碳化深度來推斷混凝土的抗壓強(qiáng)度。實(shí)際上，這是一種數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，但硬度和強(qiáng)度并不存在必然聯(lián)系，因此，回彈強(qiáng)度必然存在一定的誤差。基于回彈的原理進(jìn)行分析，回彈是一種能量轉(zhuǎn)化的過程，其中一部分動(dòng)能被混凝土構(gòu)件吸收耗散，另一部分動(dòng)能則以應(yīng)力波的形式轉(zhuǎn)化為混凝土構(gòu)件的彈性勢能[7]。混凝土吸收的這部分動(dòng)能是提高回彈值的關(guān)鍵，其主要體現(xiàn)在混凝土的變形上。也就是說，混凝土彈性模量越大，尤其是表層一定深度范圍內(nèi)，彈性模量越大，則回彈值越高。

筆者基于混凝土的骨架效應(yīng)，采用三級配碎石，降低骨料空隙率，減少膠漿用量，降低砂率，提高粗骨料含量，降低骨料的包漿厚度和粗骨料的間距，來實(shí)現(xiàn)提高混凝土整體和表面層彈性模量的目的，從而，提高回彈值。DM18 和 DM19 與 DM17 相比，膠材降低26kg，保持水膠比和容重不變，變相地提高了骨料的含量，促使彈性模量提高[8]，從而，提高回彈值。同時(shí)，降低膠漿量后，混凝土界面過渡區(qū)變薄，減少了過渡區(qū)中微裂紋的數(shù)量，則混凝土總的孔隙率得到降低，混凝土的彈性模量得到提高[8-9]，從而，回彈值增大，這也是 DM18 和 DM19 較 DM17 回彈值高的一個(gè)原因。同理，DM21 和 DM22 回彈值均較 DM20 大。

粉煤灰和礦粉的摻加會(huì)降低混凝土的表層硬度和回彈值[10]。DM19 較 DM18 摻合料摻量較低，但兩者的回彈值變化不大，這是由于降低膠漿后，骨料的漿體包裹層變薄，回彈儀彈擊混凝土表面時(shí)，其變形受骨料阻礙較大，能量損失較小，也就是表層彈性模量變大，說明提高混凝土骨料用量，降低骨料的包漿厚度，可有效提高混凝土的回彈值，此時(shí)，粉煤灰和礦粉對回彈值的劣化影響不再明顯。同理，DM21 和 DM22 回彈值相差較小，且較 DM20 較大。

混凝土的彈性模量由三部分組成，骨料彈量、過渡層彈性模量和砂漿彈性模量。其中，骨料的彈性模量遠(yuǎn)大于砂漿和過渡層彈性模量，當(dāng)骨料骨架搭砌密實(shí)度提高時(shí)，會(huì)有效降低膠漿需求量，從而弱化砂漿對混凝土整體彈性模量的影響，提高混凝土的整體彈性模量和回彈值，突出混凝土的骨架效應(yīng)。從局部來分析，同一配合比，混凝土表層砂漿層越厚，其表面一定深度范圍彈性模量越接近砂漿彈性模量。反之，表面砂漿層越薄，其表面一定深度范圍彈性模量越接近骨料彈性模量，這也是 DM18 和 DM19 較 DM17、DM21 和 DM22 較DM20 回彈值高的一部分原因。

同時(shí)，結(jié)合圖 5、圖 6 可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件，其強(qiáng)度穩(wěn)步增長，水化補(bǔ)給更充分，結(jié)構(gòu)更密實(shí)，所以，其回彈值遠(yuǎn)高于自然養(yǎng)護(hù)試件的回彈值，說明實(shí)際工程中，對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定齡期的保濕養(yǎng)護(hù)，非常有必要。

3 結(jié)論

（1）基于混凝土骨架搭砌設(shè)計(jì)，采用三級配碎石，降低骨料空隙率，保持水膠比和容重不變，DM18和 DM19 較 DM17 相比，膠材降低 26kg，砂率降低1%，DM21 和 DM22 較 DM20 相比，膠材降低 30kg，砂率降低 3%，和易性相當(dāng)，而混凝土強(qiáng)度會(huì)有小幅度的提高，混凝土骨架效應(yīng)明顯。

（2）保持水膠比和容重不變，采用三級配碎石，降低骨料空隙率，降低膠材后，混凝土中骨料間距減小，骨料會(huì)阻礙碳化路徑，碳化深度會(huì)減小。由于濕度、CO2濃度和溫度的影響，自然養(yǎng)護(hù)自然碳化深度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)快速碳化深度。

（3）骨架效應(yīng)對混凝土回彈值影響較大，采用三級配碎石，降低骨料空隙率，保持水膠比和容重不變，減少膠材用量后，DM18 和 DM19 較 DM17 相比，DM21 和 DM22 較 DM20 相比，骨料間距減小，骨料包漿層變薄，回彈值均得到有效提升。

（4）通過采用三級配碎石，優(yōu)化骨料堆積密實(shí)性，C30 降低 26kg 膠材，C40 降低 30kg 膠材，可保證強(qiáng)度、和易性與基準(zhǔn)相當(dāng)，并且提高混凝土回彈值，降低混凝土碳化深度，經(jīng)濟(jì)效益顯著。