漿膜層厚度與機(jī)制砂混凝土性能相關(guān)性研究

摘 要：隨著天然砂開采的限制，機(jī)制砂混凝土必將成為未來建筑業(yè)主要材料。然而，機(jī)制砂混凝土配合比的設(shè)計(jì)仍未得到有效解決，因此，文章通過水泥用量的變化調(diào)整漿體含量并計(jì)算了不同組混凝土骨料表層漿膜層厚度。同時(shí)，通過坍落度、擴(kuò)展度及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了漿膜層厚度對(duì)混凝土工作性能與力學(xué)性能的影響。利用Origin軟件擬合分析，探究了漿膜層厚度與混凝土工作性能的相關(guān)性，從而為漿膜層厚度在機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥用量降低幅度相同時(shí)，漿膜層厚度變化幅度存在較大差異；隨著漿膜層厚度的降低，混凝土工作性能與力學(xué)性能被嚴(yán)重劣化，且當(dāng)漿膜層厚度小于2.123 μm時(shí)，混凝土無法應(yīng)用于實(shí)際工程；漿膜層厚度與坍落度和擴(kuò)展度關(guān)系分別呈一元三次曲線和一元四次曲線變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：漿膜層厚度；混凝土；工作性能；力學(xué)性能；相關(guān)性

中圖分類號(hào)：TU528.1

1 引言

隨著近百年的天然砂過度開采，環(huán)境問題日益嚴(yán)重。而生產(chǎn)機(jī)制砂的礦石原料儲(chǔ)藏豐富，以機(jī)制砂代替天然砂制備混凝土是必然趨勢(shì)。但是機(jī)制砂棱角多，石粉含量大，且級(jí)配差，這嚴(yán)重影響了混凝土拌合物流動(dòng)性及力學(xué)性能。機(jī)制砂棱角突出，混凝土拌合物在流動(dòng)時(shí)，骨料之間相互嵌鎖，增大了骨料間的摩阻力；機(jī)制砂中較大含量的石粉增大了拌和物的吸水量，降低了拌和物產(chǎn)生流動(dòng)所需的自由水含量；機(jī)制砂級(jí)配差會(huì)降低骨料最緊密堆積密度，增大混凝土內(nèi)部孔隙率，嚴(yán)重影響混凝土力學(xué)性能。而混凝土拌合物中漿體含量的大小是其流動(dòng)性好壞的重要影響因素之一，且較大的漿體含量可降低混凝土孔隙率。因此，通過調(diào)整混凝土拌合物中漿體含量來彌補(bǔ)因機(jī)制砂特性導(dǎo)致的混凝土性能劣化問題具有一定的可行性。

富余漿體理論[1]表明，混凝土拌和物中大粒徑顆粒空隙由小粒徑顆粒填充，而漿體起填充小粒徑顆粒空隙與潤(rùn)滑的作用。起潤(rùn)滑作用的漿體包裹于骨料表面，成為骨料漿膜層。漿膜層厚度對(duì)混凝土性能的影響顯著，國內(nèi)外專家對(duì)此也進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并得到了相應(yīng)的理論成果。趙洪等[2]通過復(fù)摻粉煤灰與硅灰后對(duì)骨料漿膜層厚度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，增大骨料漿膜層厚度后混凝土抗壓強(qiáng)度與透水系數(shù)均增大。焦登武等[3]研究了新拌混凝土漿膜層厚度與流變性能的關(guān)系，結(jié)果表明，增大漿膜層厚度后降低了混凝土屈服應(yīng)力及塑性黏度，但增大了混凝土坍落度。張建智等[4]利用富勒致密配比法研究了漿膜層厚度對(duì)混凝土性能的影響，結(jié)果表明，漿膜層厚度的增大提升了混凝土抗壓強(qiáng)度。張海成[5]對(duì)混凝土漿膜層厚度與抗壓強(qiáng)度也進(jìn)行了試驗(yàn)研究。也有研究[6-9]表明拌和物漿膜層厚度對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能及耐久性能影響顯著。然而，已有的關(guān)于漿膜層厚度對(duì)混凝土性能的影響研究大多是基于骨料用量或礦物摻和料用量變化調(diào)整漿膜層厚度值，且僅分析了漿膜層厚度對(duì)混凝土性能的影響，缺乏一定的不足。因此，通過水泥用量調(diào)整漿體含量，并分析漿膜層厚度與混凝土工作性能之間的相關(guān)性具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

文章在保持水膠比一定的前提下，通過水泥用量變化調(diào)整漿體含量，并計(jì)算了骨料漿膜層厚度。同時(shí)，進(jìn)行了坍落度、擴(kuò)展度及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了漿膜層厚度對(duì)混凝土性能的影響。此外，通過Origin軟件擬合分析，探究了漿膜層厚度與混凝土工作性能之間的相關(guān)性，以期為漿膜層厚度在機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為蘭州某攪拌站提供的祁連山P.O42.5水泥，其化學(xué)組成見表1。粗骨料為甘肅特有的玄武巖碎石。細(xì)骨料為甘肅特有玄武巖機(jī)制砂，其性能指標(biāo)見表2。試驗(yàn)用水為城市自來水，質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

主要是在保持水膠比一致的前提下，通過改變水泥用量來調(diào)整混凝土拌合物漿體含量。具體以第一組配合比為基準(zhǔn)，分別將水泥用量降低2%、4%、6%、8%、10%及12%，具體設(shè)計(jì)見表3。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 坍落度、擴(kuò)展度及抗壓強(qiáng)度

漿膜層厚度對(duì)混凝土工作性能的影響研究主要以坍落度與擴(kuò)展度為指標(biāo)進(jìn)行分析，對(duì)力學(xué)性能的影響研究主要以抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)進(jìn)行分析，具體試驗(yàn)方法如下。

坍落度與擴(kuò)展度：首先將坍落度筒、搗棒及坍落度儀潤(rùn)濕，然后分三層將混凝土拌合物裝入坍落度筒中，每層裝料完畢均需利用搗棒插搗25下。待第三次裝料完畢，豎直提起坍落度筒，利用鋼尺測(cè)量具體數(shù)值。

抗壓強(qiáng)度：成型邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試塊，參考相關(guān)規(guī)范，待試塊養(yǎng)護(hù)至規(guī)定臨期后，利用萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試塊抗壓強(qiáng)度。

2.3.2 漿膜層計(jì)算方法

假設(shè)混凝土拌合物中漿體均勻包裹于骨料表面，則漿膜層厚度由公式（1）演變計(jì)算。

VZ=lJ（MSAS+MGAG）+VT （1）

式中：VZ為漿體總量（m3）；lJ為漿膜層厚度（m）；MS為機(jī)制砂質(zhì)量（kg）；AS為機(jī)制砂比表面積（m2/kg）；MG為碎石質(zhì)量（kg）；AG為碎石比表面積（m2/kg）；VT為骨料孔隙中漿體總量（m3）。

由公式（1）可推出漿膜層厚度如下：

關(guān)于骨料比表面積的計(jì)算，首先假設(shè)骨料為球體，則骨料比表面積可根據(jù)公式（3）計(jì)算。

式中：A為碎石或機(jī)制砂計(jì)算比表面積（m2/kg）；M為碎石或機(jī)制砂質(zhì)量（kg）；Di為第i級(jí)粒徑中間粒徑（m）；mi為第i級(jí)碎石或機(jī)制砂質(zhì)量（kg）；Ki為第i粒級(jí)碎石或機(jī)制砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）。

然而，碎石與機(jī)制砂棱角多，若以球體進(jìn)行比表面積計(jì)算會(huì)存在較大誤差。因此，根據(jù)球體所計(jì)算出的比表面積應(yīng)乘以相應(yīng)的折算系數(shù)（χ），具體如公式（4）。

AS /AG=A× χ （4）

其中，碎石折算系數(shù)取1.12，機(jī)制砂折算系數(shù)取3.37。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 漿膜層厚度

根據(jù)公式（1）～（4），結(jié)合表3，計(jì)算出不同組混凝土拌合物中骨料表層漿膜層厚度如圖1所示。

從漿膜層厚度計(jì)算結(jié)果可看出，以H-1組混凝土為基準(zhǔn)組時(shí)，分別將水泥用量降低2%、4%、6%、8%、10%及12%時(shí)骨料表層漿膜層厚度變化并未與水泥降低幅度呈線性規(guī)律。當(dāng)水泥用量降低2%時(shí)，相比于H-1組混凝土，H-2組混凝土漿膜層厚度降低了1.691 μm；相比于H-2組混凝土，H-3組混凝土漿膜層厚度降低了0.165 μm；相比于H-3組混凝土，H-4組混凝土漿膜層厚度降低了0.022 μm；相比于H-4組混凝土，H-5組混凝土漿膜層厚度降低了1.862 μm；相比于H-5組混凝土，H-6組混凝土漿膜層厚度降低了0.125 μm；相比于H-6組混凝土，H-7組混凝土漿膜層厚度降低了0.887 μm。

3.2 工作性能

漿膜層厚度對(duì)混凝土工作性能的影響，主要通過坍落度與擴(kuò)展度2種指標(biāo)進(jìn)行分析，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從坍落度與擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著漿膜層厚度的降低，混凝土拌合物坍落度與擴(kuò)展度降低幅度較大。以H-1組混凝土為基準(zhǔn)，當(dāng)水泥用量降低2%（H-2組）時(shí)，拌和物坍落度降低了10 mm，擴(kuò)展度降低了40 mm；當(dāng)水泥用量降低4%（H-3組）時(shí)，拌和物坍落度降低了25 mm，擴(kuò)展度降低了75 mm；當(dāng)水泥用量降低6%（H-4組）時(shí)，拌和物坍落度降低了30 mm，擴(kuò)展度降低了100 mm；當(dāng)水泥用量降低8%（H-5組）時(shí)，拌和物坍落度降低了45 mm，擴(kuò)展度降低了140 mm；當(dāng)水泥用量降低10%（H-6組）時(shí)，拌和物坍落度降低了60 mm，擴(kuò)展度降低了170 mm；當(dāng)水泥用量降低12%（H-7組）時(shí)，拌和物坍落度降低了65 mm，擴(kuò)展度降低了210 mm。由此可知，骨料表層漿膜層厚度對(duì)混凝土拌和物工作性能影響較大。實(shí)際工程應(yīng)用中混凝土坍落度過小，會(huì)影響施工質(zhì)量，一般混凝土坍落度均在180 mm以上。而從試驗(yàn)結(jié)果中可看出，H-6組與H-7組混凝土坍落度小于180 mm，即，保持水膠比一致時(shí)，水泥用量降低量大于8%時(shí)，混凝土無法正常施工。從圖1中可看出，當(dāng)水泥用量降低8%（H-5組）時(shí)，骨料表層漿膜層厚度為2.123 μm。因此，當(dāng)骨料表層漿膜層厚度小于2.123 μm時(shí)，混凝土工作性能難以滿足施工要求。

3.3 力學(xué)性能

漿膜層厚度對(duì)混凝土力學(xué)性能的研究主要通過抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析，具體抗壓強(qiáng)度如圖3所示。

從抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可看出，即使水膠比相同，但骨料表層漿膜層厚度變化對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響較大。以H-1組混凝土為基準(zhǔn)，當(dāng)水泥用量降低2%（H-2組）時(shí)，混凝土7 d、28 d即56 d抗壓強(qiáng)度分別降低了0.1 MPa、2.36 MPa及5.52 MPa；當(dāng)水泥用量降低4%（H-3組）時(shí)，混凝土7 d、28 d即56 d抗壓強(qiáng)度分別降低了0.32 MPa、5.67 MPa及6.19 MPa；當(dāng)水泥用量降低6%（H-4組）時(shí)，混凝土7 d、28 d即56 d抗壓強(qiáng)度分別降低了0.77 MPa、7.92 MPa及8.33 MPa；當(dāng)水泥用量降低8%（H-5組）時(shí)，混凝土7 d、28 d即56 d抗壓強(qiáng)度分別降低3.63 MPa、11.6 MPa及13.35 MPa；當(dāng)水泥用量降低10%（H-6組）時(shí)，混凝土7 d、28 d即56 d抗壓強(qiáng)度分別降低了5.42 MPa、13.76 MPa及14.43 MPa；當(dāng)水泥用量降低12%（H-7組）時(shí)，混凝土7 d、28 d即56 d抗壓強(qiáng)度分別降低了9.9 MPa、17.8 MPa及17.57 MPa。可知，隨著骨料表層漿膜層厚度的降低，混凝土抗壓強(qiáng)度被嚴(yán)重劣化。究其原因，主要為即使保持水膠比不變，但是隨著水泥用量的降低，填充骨料空隙所需的漿體含量減少，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率增大，從而劣化了混凝土力學(xué)性能。從抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)水泥用量降低到8%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度已不能滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)合圖1，即，當(dāng)骨料表層漿膜層厚度小于等于2.123 μm時(shí)，混凝土無法應(yīng)用于實(shí)際工程。

3.4 漿膜層厚度與工作性能相關(guān)性

為研究骨料表層漿膜層厚度與混凝土工作性能之間的相關(guān)性，利用Origin對(duì)不同組混凝土漿膜層厚度與坍落度、擴(kuò)展度進(jìn)行了擬合分析，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可看出，漿膜層厚度與坍落度、擴(kuò)展度均呈很好的相關(guān)性。其中，坍落度與漿膜層厚度關(guān)系符合一元三次曲線變化規(guī)律，方程如圖4（a）中所示，且擬合系數(shù)R2大于0.9；擴(kuò)展度與漿膜層厚度關(guān)系符合一元四次曲線變化規(guī)律，方程如圖4（b）中所示，且擬合系數(shù)R2大于0.9。因此，通過擬合得到的方程式，結(jié)合混凝土坍落度、擴(kuò)展度可計(jì)算出骨料表層漿膜層厚度。

4 結(jié)論

（1）水膠比一定的情況下，水泥降低幅度相同時(shí)，骨料表層漿膜層厚度變化幅度差距較大。

（2）隨著漿膜層厚度的降低，混凝土坍落度與擴(kuò)展度呈較大幅度降低趨勢(shì)，當(dāng)漿膜層厚度小于2.123 μm時(shí)，混凝土坍落度無法滿足正常施工要求。

（3）即使保持水膠比一定，但是隨著漿膜層厚度的降低，混凝土抗壓強(qiáng)度被嚴(yán)重劣化。當(dāng)漿膜層厚度小于等于2.123 μm時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

（4）坍落度與漿膜層厚度關(guān)系呈一元三次曲線變化規(guī)律；擴(kuò)展度與漿膜層厚度關(guān)系呈一元四次曲線變化規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

[1]" Denis A， Attar A， Breysse D， et al. Effect of coarse aggregate on the workability of sandcrete[J]. Cem Concr Res，2002，32：701-706.

[2]" 趙洪，楊永民，李方賢，等. 骨料包裹層厚度的研究及其對(duì)多孔混凝土性能的影響[J]. 混凝土，2014（2）：29-32.

[3]" 焦登武，安曉鵬，史才軍，等. 骨料裹漿厚度對(duì)混凝土流變性能的影響[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào)，2017，45（9）：1360-1366.

[4]" 張建智，蔡志達(dá)，李隆盛，等. 骨料裹漿厚度對(duì)混凝土性質(zhì)影響之研究[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)，2009，12（4）：384-389+427.

[5]" 張海成. 骨料裹漿厚度對(duì)混凝土性質(zhì)影響的分析[J]. 城市建筑，2013（14）：230.

[6]" Kwan A K H， Li L G. Combined effects of water film， paste film and mortar film thicknesses on fresh properties of concrete[J]. Constr Build Mater，2014，50：598-608.

[7]" Mihashi H，Ishikawa N. Quantificationoffreshand mechanical properties of HFRCC by excess paste thickness[J]. High Perform Fiber Reinf Cem Compos，2012：67-74.

[8]" Sun K， ZHou X， Gong C， et al. Influence of paste" thickness on coated aggregates on properties of" high-density sulphoaluminate cement concrete[J]." Constr Build Mater，2016，115：125-131.

[9]" Torres A， Hu J， Ramos A. The effect of the cementitious paste thickness on the performance of pervious" concrete[J]. Constr Build Mater，2015，95：850-859.

△通信作者：汪金滿（1978-），男，甘肅隴西，正高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榻ㄖ┕ぜ夹g(shù)，E-mail：791586799@qq.com。