中流動性混凝土工作性與砂漿流變特性相關性研究

南雪麗，李榮洋，姬建瑞，王 毅，陳 浩

(1. 蘭州理工大學 材料科學與工程學院，甘肅 蘭州 730050；2. 蘭州理工大學 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

中流動性混凝土是指流動性介于普通和自密實混凝土之間，擴展度在35～50 cm的混凝土[1]。因其具有原材料成本低、施工振搗過程中流動性大、充填效果好等優點，常用于隧道襯砌、橋梁等鋼筋配置密集且振搗困難的結構中[2-6]。良好的工作性是保證中流動性混凝土充填效果的關鍵，漿體作為混凝土材料重要組成部分，其流變性能不可避免的影響著混凝土工作性能。

目前，國內外學者基于漿體流變學對流態混凝土工作性能展開了大量研究。A.W.SAAK等[7]在進行自密實混凝土配合比設計時提出了漿體流變學模型并認為：在骨料體積分數和粒徑分布確定時，水泥漿體基質流變性在很大程度上決定了新拌混凝土工作性；K.D.KABAGIRE等[8]認為：自密實混凝土是由粗骨料與砂漿組成的兩相材料，砂漿與自密實混凝土之間的流變特性具有很好相關性；L.G.LI等[9]認為：新拌混凝土流變性能在很大程度上取決于其砂漿部分的流變性能，并把水泥砂漿合理設計作為混凝土配合比設計的前提；左文強[10]分別從水泥凈漿和砂漿角度研究了自密實混凝土各組分對其屈服應力的影響；WU Qiong等[11]分別建立了水泥凈漿和砂漿流變特性與自密實混凝土工作性之間聯系的力學模型，并提出了漿體流變閾值理論，通過水泥凈漿微型坍落度儀試驗和混凝土工作性試驗對模型進行了很好驗證；聶鼎[12]基于凈漿流變閾值理論，提出了一種自密實混凝土配合比設計優化方法，并對自密實混凝土工作性的設計進行優化。這些研究雖取得了一系列成果，但研究對象多為流動性較大的自密實混凝土，對流動性相對較低的中流動性混凝土鮮有報道。

筆者以中流動性混凝土為研究對象，根據剩余漿體膜厚理論和砂漿流變閾值理論，通過砂漿流變試驗和混凝土坍落擴展度試驗，研究了中流動性混凝土工作性和等效砂漿流變特性之間聯系，以期為中流動性混凝土的應用提供理論指導和技術依據。

1 原材料及試驗

1.1 原材料

本研究所用的水泥為祁連山P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，表觀密度3 060 kg/m3；粉煤灰等級I級，表觀密度2 400 kg/m3；細骨料為水洗砂，表觀密度2 665 kg/m3；粗骨料為5～20 mm連續級配石灰巖碎石，表觀密度2 750 kg/m3，振實密度2 013 kg/m3，振實空隙率26.8%，骨料級配如圖1；減水劑為SiKa ViscoCrete-540P聚羧酸高效減水劑，減水率30%，其摻量為膠凝材料的0.05%～0.50%；水為自來水。

圖1 骨料級配曲線Fig. 1 Aggregate grading curve

1.2 試 驗

1.2.1 配合比設計

本研究采用的混凝土強度等級為C25，根據文獻[13]，水灰質量比設定為0.6，對應水灰體積比為1.84，根據文獻[1]中的中流動性混凝土配合比設計基準要求，標準粉體用量為350 kg/m3，水泥用量設定為350 kg/m3，根據中流動性混凝土常用砂率范圍，砂率設定為50%，故1 m3混凝土中粗骨料用量為901 kg/m3，混凝土質量基準配合比見表1，對應混凝土體積基準配合比見表2。

表1 混凝土質量基準配合比Table 1 Mass benchmark mix ratio of concrete

表2 混凝土體積基準配合比Table 2 Volume benchmark mix ratio of concrete

試驗主要研究砂漿流變特性與中流動性混凝土工作性之間的關系，因此在研究過程中保持粗骨料用量恒定，通過調整水灰體積比和減水劑摻量得到一系列中流動性混凝土及其等效砂漿。在水灰體積比為1.84時選取3個值1.69、1.84、1.99；根據減水劑廠家提供的摻量范圍及試驗經驗，選取4個減水劑摻量0.14%、0.16%、0.18%、0.20%，從而確定12個試驗組，各試驗組混凝土配合比如表3，混凝土試驗組表示為“c”，等效砂漿試驗組表示為“m”。

表3 各試驗組混凝土配合比Table 3 Concrete mix ratio of each test group

1.2.2 試驗方法

本研究使用HAAKE Viscotester iQ流變儀對砂漿流變學參數進行測試。測試程序參照文獻[14]的試驗方法，如圖2。測試砂漿樣品的剪切速率范圍為0.96～9.61 s-1[15]，采用剪切應力-剪切速率曲線下降分支；通過修正的賓漢姆模型線性回歸分析得到砂漿樣品流變學參數；混凝土工作性采用坍落擴展度試驗進行測試。

圖2 砂漿流變特性方法Fig. 2 Testing method for mortar rheological properties

2 結果與分析

2.1 理論計算

2.1.1 剩余砂漿膜厚計算

根據剩余漿體膜厚理論[11,16-17]，混凝土可被看作是由砂漿和粗骨料組成的兩相材料，砂漿流變特性與膜厚決定了混凝土工作性，只有當砂漿完全填充粗骨料間隙且在粗骨料顆粒周圍形成較好的包裹層時才會使混凝土產生一定流動性，剩余砂漿膜厚示意如圖3。

圖3 剩余砂漿膜厚示意Fig. 3 Schematic diagram of excess mortar film thickness

由圖3可知：剩余砂漿體積(Vexc)滿足如式(1)的關系。

Vg+Vvoid+Vexc=1

(1)

式中：Vg為粗骨料體積；Vvoid為空隙砂漿體積。

式(1)可轉化如式(2)：

(2)

式中：ρa為粗骨料表觀密度；ρt為粗骨料振實密度。

剩余漿體膜厚理論假設粗骨料顆粒形狀均為球形，且不同粒徑顆粒周圍的包裹砂漿膜厚相同。此時，剩余砂漿膜厚(δ)滿足關系如式(3)：

(3)

式中：ai為相鄰兩篩之間粗骨料質量百分數，%；Di為粗骨料i的篩分粒徑。

由式(2)、式(3)可知：當粗骨料級配曲線、表觀密度、振實密度已知時，根據1 m3混凝土中粗骨料體積即可得出粗骨料顆粒周圍包裹砂漿膜厚。不同砂漿膜厚與對應粗骨料體積及其擬合如圖4。

圖4 砂漿膜厚與粗骨料體積擬合結果Fig. 4 Fitting results of mortar film thickness andcoarse aggregate volume

從圖4可看出：粗骨料體積隨著砂漿膜厚增加而減小，且滿足二次函數關系，故對于原材料性能不變的同種粗骨料，可通過建立二次函數關系式，對1 m3混凝土中粗骨料體積或砂漿膜厚進行計算。本試驗中粗骨料用量為0.327 6 m3，對應砂漿膜厚為1.8 mm。

2.1.2 砂漿流變參數閾值計算

WU Qiong等[11]基于剩余漿體膜厚理論建立了砂漿流變特性與自密實混凝土工作性相關性的力學模型，提出了自密實混凝土砂漿流變閾值理論。該理論模型認為砂漿通過改變粗骨料顆粒受力和運動條件來影響自密實混凝土流動性和抗離析性；可通過砂漿流變特性預測自密實混凝土的工作性，確保自密實混凝土高流動性和抗離析性；中流動性混凝土在施工振搗過程中，為保證充填效果，同樣需滿足一定的流動性和抗離析性。根據砂漿流變閾值理論，屈服應力(τ)滿足關系如式(4)：

(4)

式中：Δρ為粗骨料與砂漿密度差；g為重力加速度；r為粗骨料平均半徑。

砂漿塑性黏度(η)滿足關系如式(5)：

(5)

式中：Tf為混凝土流動時間(根據試驗測定，Tf≈7 s)；H為混凝土流動過程中，最上層碎石位移閾值(根據文獻[1]要求，中流動性混凝土坍落度范圍為18.5～23.5 cm，文中取H=0.235 m)。

根據式(4)、式(5)可得出：τ≤24.1 Pa；η≥0.6 Pa·s。因此，本試驗中確定滿足中流動性混凝土工作性要求的等效砂漿的屈服應力最大值τmax=24.1 Pa，塑性黏度最小值ηmin=0.6 Pa·s。

2.2 測試結果與理論閾值比較

各試驗組砂漿流變參數測試結果如圖5。從圖5可看出：隨著水灰比和減水劑摻量增加，砂漿屈服應力和塑性黏度總體呈減小趨勢。這是因為隨著漿體內部自由水量或減水劑摻量增加，水泥顆粒分散得越來越均勻，顆粒之間的吸附與摩擦效應減小，進而降低了砂漿屈服應力和黏度。等效砂漿試驗組m24、 m32、 m33、 m34中，隨著減水劑摻量增加，砂漿屈服應力呈增大趨勢，且黏度為負值。在高水灰比或高減水劑摻量情況下，砂漿發生嚴重離析泌水，漿體不穩定導致了在測試過程中出現剪切應力隨著剪切速率減小而增大的現象，進而影響了屈服應力和黏度擬合后的結果。砂漿流變參數測試結果與理論閾值相比較，同時滿足屈服應力條件(τ≤τmax)和塑性黏度條件(η≥ηmin)的等效砂漿試驗組為m14、m21、m22、m23、m31。故可以預測滿足中流動性混凝土工作性要求的混凝土試驗組為c14、c21、c22、c23、c31，其余試驗組則不滿足要求。

圖5 砂漿流變參數測試結果Fig. 5 Test results of mortar rheological parameters

2.3 混凝土工作性與砂漿流變特性比較

各試驗組混凝土工作性狀態如圖6。從圖6中可看出：隨著水灰比和減水劑摻量增加，混凝土擴展度呈增大趨勢。在水灰比和減水劑摻量較低時，混凝土較黏，流動性差；在水灰比和減水劑摻量較高時，混凝土流動性過大，出現中央粗骨料堆臺和泌水帶，發生離析泌水現象。

圖6 混凝土工作性狀態Fig. 6 Workability of concrete

混凝土坍落擴展度測試結果如圖7。從圖7可看出：符合中流動性混凝土坍落擴展度范圍要求的混凝土試驗組為c13、c14、c21、c22、c23、c31、c32。

圖7 混凝土坍落擴展度試驗結果Fig. 7 Test results of concrete slump flow

混凝土工作性綜合分析如表4。從表4中可看出：同時滿足中流動性混凝土工作性和黏度要求的混凝土試驗組為c13、c14、c21、c22、c23、c31、c32，其余試驗組則不滿足要求。由混凝土試驗結果與砂漿試驗預測結果比較可知：在12個試驗組中，滿足砂漿流變特性預測結果與中流動性混凝土工作性實測結果相一致的試驗組有10組，預測準確率為83.3%，預測結果中符合中流動性混凝土工作性要求的試驗組在實際測試時也完全符合要求。等效砂漿試驗組m13、m32預測結果與混凝土試驗組c13、c32的測試結果不同。從圖5可看出：等效砂漿試驗組m13黏度符合閾值要求，而屈服應力稍大于閾值，不符合要求；等效砂漿試驗組m32屈服應力符合閾值要求，而黏度稍小于閾值，不符合要求。

表4 混凝土工作性綜合分析Table 4 Comprehensive analysis of concrete workability

預測與實測結果不同的原因為：在進行砂漿流變參數和混凝土工作性試驗測試時，由于混凝土組分的復雜性和儀器潤濕程度、溫濕度等試驗條件微小變化，使得試驗結果存在一定隨機誤差，在真值附近波動，從而降低了砂漿流變參數在閾值附近試驗組的預測準確性。

綜上分析可知：中流動性混凝土工作性與其等效砂漿流變特性具有較好的相關性，可通過測試砂漿流變性能來預測或調節中流動性混凝土工作性；同時也說明自密實混凝土砂漿流變閾值理論上在中流動性混凝土中同樣具有很好適用性，可運用該理論模型對中流動性混凝土流變學研究進行指導。

2.4 混凝土28 d抗壓強度結果分析

筆者通過抗壓強度試驗對標準養護條件下的12個試驗組混凝土試件28 d抗壓強度進行了驗證，其結果如圖8。

圖8 混凝土28 d抗壓強度Fig. 8 28 days compressive strength of concrete

從圖8可看出：隨著水灰比增加，混凝土抗壓強度呈下降趨勢，符合中流動性混凝土工作性條件的試驗組28 d抗壓強度均能滿足C25混凝土設計強度要求。其中，混凝土試驗組c33、c34未達到設計強度要求，這是由于在水灰比和減水劑摻量較大時，混凝土發生了嚴重離析泌水現象，各組分之間黏聚力不足，粗骨料在振動成型時下沉，降低了混凝土勻質性，進而影響了混凝土硬化后的強度。

3 結 論

1)1 m3混凝土中粗骨料體積隨著砂漿膜厚的增加而減小，且當粗骨料級配曲線、表觀密度、振實密度一定時，剩余砂漿膜厚與粗骨料體積滿足二次函數關系。

2)自密實混凝土砂漿流變閾值理論在中流動性混凝土中具有較好的適用性，可運用該理論模型對中流動性混凝土流變學研究進行指導。

3)在粗骨料物理性能和摻量確定情況下，中流動性混凝土工作性與其等效砂漿流變特性具有很好的相關性，可通過測試砂漿流變性能來預測或調整中流動性混凝土的工作性。