初始強度對拋石混凝土強度和結構的影響★

姜正平，章耀東，宋旭艷，喬 波，郜志海

(1.蘇州科技大學土木工程學院，江蘇 蘇州 215011; 2.中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司，上海 200070; 3.蘇州第一建筑集團有限公司，江蘇 蘇州 215123)

硬化混凝土結構中，砂石骨料的強度、體積穩定性和耐久性遠遠大于作為混凝土中“膠黏劑”的水泥石。在黏結充分的情況下，水泥石的質量越高、數量愈少混凝土整體的性能就愈好。骨料級配良好、數量合適，則硬化混凝土中骨料呈堆聚結構，合適數量的優質水泥漿將堆聚結構間隙填滿、黏牢，這是最合理的結構。混凝土不但強度高，而且體積穩定性好，不易開裂，耐久性好。但施工性能可能無法滿足大流動性泵送要求。現在廣泛使用的泵送混凝土，為了泵送流動度的需要，大量摻加粉煤灰等摻合料、提高砂率，使混凝土中漿體數量大增，石子基本懸浮于漿體中間(懸浮結構)，無法形成石子的堆聚骨架。而大量細料組成的漿體體積穩定性很差，極易開裂，補救措施不到位極易造成耐久性問題[1-3]。本文即研究“懸浮結構”在完成其泵送施工使命后，通過拋填骨料的方式研究其力學性能和剖面上粗骨料的堆聚狀況。

1 原材料

選用安徽海螺集團有限責任公司生產的P.Ⅱ52.5水泥，密度為3.05 g/cm3,比表面積為3 410 cm2/g，初凝與終凝時間分別為100 min和165 min。選用粉煤灰作為礦物摻合料，經測得粉密度為2.0 g/cm3，比表面積為3 410 cm2/g，強度影響系數為0.75。

細骨料為河砂，其含泥量0.4%，細度模數為2.37，屬于Ⅱ區中砂。粗骨料選用粒徑5 mm～25 mm碎石。

減水劑為江蘇建華管樁有限公司提供的1016號減水型高效聚羧酸減水劑，外觀呈棕黃色半透明液體。其含固量為40.7%，摻量在0.3%時減水率為29.8%。

2 實驗

2.1 設計泵送混凝土

在JGJ 55—2016普通混凝土配合比設計規程的基礎上，通過增大用水量、摻加粉煤灰與調整砂率3種方式，設計4種強度等級(C25，C35，C45，C55)且坍落度為180 mm～220 mm的大流動性混凝土來模擬施工使用的泵送混凝土。設計過程中：用水量在坍落度為90 mm時單方用水量195 kg的基礎上，按照每增大20 mm坍落度增加5 kg單方用水量的方式，調整單方用水量至222.5 kg；用30%的粉煤灰來替代水泥，增加其流動性；砂率則略微增大至40%，設計預期坍落度在200 mm左右。為保證不同強度混凝土之間有較好的可比性，本文中所設計的混凝土保證其他參數均不變，僅通過改變膠凝材料和骨料的用量來改變混凝土的強度。計算得到的配合比需進行適配和調整，至坍落度符合要求后方可使用。設計出的4種強度的混凝土配合比如表1所示。

表1 4種強度混凝土配合比

配制混凝土的坍落度根據GB/T 50080—2016普通混凝土拌合物性能試驗方法標準進行測定。混凝土試塊的抗壓強度和抗拉強度根據GB/T 50081—2016普通混凝土力學性能試驗方法制備100 mm×100 mm×100 mm的試塊進行測定。

2.2 制備拋石混凝土

首先將設計混凝土配比以普通混凝土的成型方式裝模并振實成型，根據同強度空白對照試塊表面浮漿的多少，預留出5 mm～10 mm的空余，以防止添加拋石后大量水泥漿體被擠出試模。

隨后將事先準備好的用作拋石的各摻量粗骨料分別置于混凝土試塊表面，使用手持平板振動器一邊振動一邊將拋石壓入混凝土試塊中。加入拋石開始振動時，需要小心緩慢的將拋石壓入，避免表面的水泥漿體流失過多過快。如果試塊表面的漿體流失過快，會使得還未進入試塊體系內部，處于懸浮狀態的拋石隨著被擠出的水泥漿帶出混凝土試塊，導致拋石實際摻量降低。而且如果試塊表面的水泥漿體流失過多，還會導致新加入的拋石無法完全被水泥漿浸沒，不能完全融入混凝土體系中，導致結果出現偏差。

其中，手持平板振動器的振動時間不固定，需持續振動至拋石表面完全被水泥漿體浸沒，而且持續振動10 s后試塊表面無氣泡上浮后方可停止振動。拋石摻量較多時，可以分次加入，此時為控制成型時間，可以只需最后一次加入拋石后達到上述要求即可。整個試塊成型過程需盡快完成，自混凝土開始攪拌起最遲不得超過15 min。

另外，為了有可比性，未拋填粗骨料的基準混凝土根據標準方法裝模并振實成型后，需與拋石混凝土一樣使用手持平板振動器進行表面振實和再次抹面，進而放入標準養護室進行養護。

3 結果與討論

3.1 拋石對混凝土力學性能的影響

在各強度等級的泵送混凝土中分別拋填不同摻量的粗骨料后制備成拋石混凝土，養護至需要齡期后測其抗壓強度和劈裂抗拉強度，結果見表2～表5。其中，拋石量以各強度等級設計配比中的混凝土總量計。

表2 C25混凝土力學性能

表3 C35混凝土力學性能

表4 C45混凝土力學性能

表5 C55混凝土力學性能

根據各強度的3 d抗壓強度提升率來看，不同的拋石摻量對各強度混凝土均有小幅提高的作用，且拋石摻量越高，強度提高率也越高。但是7 d與28 d的抗壓強度則有所不同，大多數配比樣在拋石摻量逐漸提高的情況下，強度提升率出現先增長，隨后開始下降的情況。只有C55混凝土會隨著拋石摻量提高而增加強度提高率，在C25拋石摻量達到12%，C35，C45拋石摻量達到15%時，強度提升率反而有所降低，但相比于未拋填粗骨料的基準混凝土而言，其強度仍有一定提升。

不同拋石摻量對于混凝土的早期強度均有提升，這是因為水泥水化初期的強度遠低于骨料，因此早期混凝土強度的高低主要取決于水泥石尤其是界面處水泥石強度的發展。摻加拋石后，干燥多孔的骨料能夠吸收水泥漿料中多余的水分[4-6]，從而降低兩者界面處水灰比，減少骨料與水泥石界面處的微區泌水現象，提高界面處水泥石的強度和密實程度[7]，因此不同的拋石摻量均能夠提高混凝土的早期抗壓強度。

當混凝土試塊養護至7 d后，拋石摻量不同的差異得以體現。隨著拋石摻量的增加，試塊內部骨料堆聚程度逐漸開始緊密，逐漸形成嵌鎖的結構。此時混凝土試塊受壓后，較多的粗骨料能夠延緩界面裂縫的擴張，并且形成接觸骨架的骨料部分也能夠對混凝土試塊的開裂起到一定的抑制作用。如果骨料含量過高，會導致骨料間的水泥漿料過少，不能起到足夠的黏結效果甚至不能充分包裹骨料表面，因此反而會導致強度的倒縮。

各混凝土體系中拋填粗骨料后，其力學強度均有提高，具體提升率見表6。根據表6中28 d結果來看，拋填粗骨料后體系抗壓強度提升率均能達到10%以上。其中，C25在拋石摻量9%時提升最高，提升率為11.7%；C35和C45混凝土在拋石摻量12%時提升最高，提升率分別為21.7%和26.0%；C55混凝土在拋石摻量15%時提升最高，提升率為18.4%。縱向對比同一強度不同拋石摻量的試塊，其抗壓強度均有隨拋石摻量的增大先增大，后降低的趨勢，但拋填粗骨料后體系強度仍然比基準混凝土要高。混凝土的劈裂抗拉強度增長趨勢也大致如此，并且拋填粗骨料后體系抗拉強度的提升最為明顯，提高率最高達到了45.9%。抗拉強度的提高率大于抗壓強度的提升率，使得混凝土的拉壓比有所提升，對改善混凝土的脆性問題有所幫助。

表6 摻加拋石后混凝土強度提高率

3.2 拋石混凝土中骨料堆積情況分析

成型用于力學性能測定的混凝土試件時，按同樣方法額外制備了相同配比的拋石混凝土試件，待養護至28 d后進行剖切，進而觀察粗骨料在混凝土內部的堆聚情況。剖切時，沿著制作混凝土試塊時的豎直方向剖切，以便有效觀察粗骨料在拋石混凝土中頂部與底部的具體結構。4種強度等級混凝土隨拋石摻量變化剖面圖見圖1～圖4。

根據圖1可以看出，未拋石混凝土中粗骨料均勻分布在試塊的各個部分，試件中有若干大孔洞，大多位于粗骨料下方，試塊頂部無骨料的浮漿層較薄。拋石摻量提高到9%和12%時，粗骨料堆聚程度加大，骨料相互接觸的方式除了點對點接觸還有面對面接觸，后者的骨料間水泥部分較少，而且試塊中孔洞增多增大。

根據圖2可以看出，未拋石混凝土中的粗骨料之間基本沒有相互接觸，只有少量小粒徑的碎石與其他骨料顆粒有所接觸，在試塊的左上角有一小塊區域幾乎沒有骨料，而且石塊中分布著大量微小的氣孔。從拋石摻量為9%的試塊剖面可以看出，粗骨料已經布滿混凝土試塊中，粗骨料之間已有明顯的接觸，氣孔總量大幅減少[8-10]。拋石摻量提高至12%時，粗骨料的堆聚越來越緊密，絕大部分骨料都至少緊挨著相鄰的其他骨料，骨料已有明顯的堆聚骨架的形貌。拋石摻量進一步提高至15%時可以看出，剖面中骨料已占據大部分混凝土截面，骨料之間十分緊密，并且可以看出試塊頂端被上層的粗骨料頂起，已無法像其他混凝土試塊一樣維持平整光滑。

從圖3中可以看到試塊表面浮漿層不明顯，但試塊上部可以觀察到多個無粗骨料的純水泥區域，孔洞以細小氣孔為主。拋石摻量9%時，粗骨料之間基本能相互接觸，并開始分布在試塊的各個部分中。拋石摻量增加到12%時，大多數粗骨料之間都能相互接觸，試塊中的孔洞較少。拋石摻量進一步提高至15%時，粗骨料之間已完全接觸，形成的骨料骨架一直延伸至試塊的表面。

從圖4中可以很明顯的看到試塊表面有一層浮漿區域，只有水泥漿體，骨料含量較少。未拋填粗骨料的混凝土中浮漿層十分明顯，厚度也極大，頂部有將近20%的區域是完全沒有骨料的浮漿，浮漿層下部至試塊中部骨料含量較少，這些骨料以小粒徑的骨料占多。拋石摻量9%時，試塊上半部分的浮漿層厚度降低，新摻入的骨料能夠與原先底部的密實骨料緊密堆聚。拋石摻量提高至12%時，浮漿進一步減少，在試塊表層已不再只有浮漿，也有少量骨料，骨料在試塊中分布逐漸均勻，較小的骨料顆粒與其他骨料的接觸有所降低，但是粗骨料之間仍有不少接觸。拋石摻量進一步提升至15%時，下層的骨料堆聚變回原先緊密的狀態，試塊表層的骨料含量小幅提高，仍有少量浮漿存在。

4 結語

在摻量不過量(≤15%)的前提下，拋石摻量越高，同強度的混凝土抗拉、抗壓強度越高，且抗拉強度的增長幅度明顯大于抗壓強度，能夠提高混凝土的拉壓比，改善混凝土的脆性開裂。與相同強度的未拋填粗骨料混凝土相比抗壓強度和劈裂抗拉強度分別可提高25%和45%左右。初始強度越高，混凝土中漿料越多骨料越少，改善結構所需要摻加的拋石更多。拋石的最佳摻量會根據混凝土的初始強度不同而發生改變，混凝土初始強度等級在C25～C55之間時，適宜的拋石量為9%～15%。