等擴展度條件下骨料包裹砂漿層的影響因素

中圖分類號： TU528.01 最近更新：2024-11-22 DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2022.113

摘要

水泥（砂）漿在混凝土中起膠凝和潤滑的雙重作用，其用量隨著混凝土流動性要求的提高而增大，已有研究發現漿體過多會導致混凝土的體積穩定性問題，環保綠色程度低，但骨料級配等因素對混凝土中漿體合理用量的影響研究尚不多見。在粗骨料低空隙率前提下固定粗骨料用量不變，調整砂漿用量來控制混凝土擴展度，研究骨料級配和砂漿流變特性對粗骨料包裹砂漿層厚度及用量的影響。試驗結果表明：粗骨料的幾何平均粒徑增大，包裹砂漿層厚度單調增加，包裹砂漿用量會呈現先減小后增大的趨勢，存在最優幾何平均粒徑；擴展度要求越高，包裹砂漿層厚度及包裹砂漿用量越大，最優幾何粒徑越小；當粗骨料級配不變時，包裹砂漿層厚度和包裹砂漿用量均隨砂漿屈服應力和塑性黏度的增大而增大。

關鍵詞

大流態混凝土; 包裹砂漿層厚度; 包裹砂漿用量; 粗骨料級配; 擴展度

隨著城鎮化的推進以及基礎設施的快速完善，混凝土也進入以大流態預拌混凝土為主的階段。粗骨料作為混凝土組成中不可或缺的一環，占據了混凝土總體積的50%～70%[1]。粗骨料在混凝土中主要承擔骨架作用，賦予混凝土更好的耐久性和體積穩定性[2-4]。目前混凝土的研究大多以傳統混凝土為基礎，更多地從膠凝材料和減水劑的角度出發，忽略粗骨料在混凝土中的作用，但對于大流態混凝土來說，粗骨料的品質往往會影響其膠凝材料用量和工作性。

混凝土中的粗骨料并不是簡單的堆砌，通過硬化混凝土的切片和研究發現，粗骨料在漿體中處于懸浮狀態[5]。用中心質假說對混凝土中的空間結構進行解釋，可以理解為混凝土是由粗骨料為中心質，漿體作為介質來填充和包裹粗骨料的固體顆粒空間分布模型[6-7]。Shen等[8]將混凝土中的砂漿分為填充漿體和多余漿體，發現多余漿體的體積分數始終為粗骨料堆積密度與粗骨料體積分數之差。因此，混凝土中的砂漿一部分填充粗骨料之間的空隙，而多余的漿體則圍繞在粗骨料表面形成包裹砂漿層，起到包裹和潤滑的作用，從而將砂漿分為包裹砂漿和填充砂漿，它們與粗骨料共同形成了混凝土的填充包裹模型。填充砂漿的用量取決于粗骨料之間的緊密堆積空隙率，當粗骨料之間的空隙越小，需要填充的漿體就會相應地減少。與細骨料不同的是粗骨料的堆積性能對空隙率的影響較小，波動都在3%以內[9]。de Larrard[10]將骨料作為水泥漿體相中的內含物，骨料之間的距離稱為最大漿體厚度，發現存在最優的骨料最大尺寸（MSA），當水泥用量不變時，MSA增大會降低用水量；當水膠比不變時，增大MSA將會降低混凝土強度。Bondar等[11]改進了MPT（最大漿體厚度）模型并優化了混凝土的配合比。李國棟等[12]發現，隨著粗骨料的體積率與最大粒徑的變大，水泥凈漿的包裹層厚度變化不大，但混凝土的流動性得到了改善。田正宏等[13]發現，間斷級配的粗骨料與連續級配的粗骨料相比，在膠凝材料體系中加入粉煤灰后，粗骨料包裹層變厚同時流變性能有了明顯改善。趙洪等[14]發現，漿體黏度較高時，可有效提高骨料包裹層的厚度。陳陽[15]研究了粗骨料表面砂漿包裹層厚度的計算方法，發現隨著包裹層厚度增大，混凝土的流動性和塑性黏度增大，而屈服應力和觸變性變小。Xie等[16]發現透水混凝土中骨料表面漿體的厚度與漿體的屈服應力呈現一定的數學關系，可以用來預測水泥漿體的最大體積。劉平等[17]發現骨料包裹層厚度存在最佳值，在一定范圍內，漿體工作性得到改善，超過這個范圍漿體會出現離析。因此，對于包裹砂漿而言，其用量取決于粗骨料表面包裹砂漿層的厚度，而擴展度要求和漿體黏度決定了最小包裹砂漿層的厚度。

筆者在粗骨料低空隙率的前提下定量研究粗骨料級配和砂漿流變特性對包裹砂漿層厚度和包裹砂漿用量的影響，以期得到粗骨料級配的優化和評價。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥：P·O 42.5水泥，其主要性能如表1所示。

C30和C50混凝土中粗骨料級配分別如表6和表7所示，選擇粗骨料的幾何平均粒徑作為包裹砂漿用量的評價指標，幾何平均粒徑與粗骨料整體的粗細相關，相對于用粗骨料中的最大粒徑來表征更為精確。根據《高性能混凝土用骨料》（JG/T 568—2019）中的規定，將方孔篩分為7個規格：2.36、4.75、9.5、16、19、26.5、31.5 mm，每一級篩所對應的分計篩余百分比為a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7。不考慮骨料粒徑大于31.5 mm的級配情況，粗骨料的幾何平均粒徑算法為

d=a12.36×4.75?????????√+a24.75×9.5????????√+a39.5×16???????√+a416×19??????√+a519×26.5????????√+a626.5×31.5?????????√

式中：d

為粗骨料的幾何平均粒徑，mm。

1.2 試驗方案及測試方法

1.2.1 試驗方案

混凝土配合比的設計原則為：在粗骨料質量不變的前提下，調整C30和C50混凝土中粗骨料與總砂漿漿體的比例，使新拌混凝土擴展度達到500、600、700 mm，C30和C50混凝土的配合比分別如表8和表9所示。基準比例為某攪拌站配制C30和C50大流態混凝土達到3個擴展度要求時的配合比。

根據《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ/T 70—2009）和《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）規定的方法制備砂漿和C30、C50混凝土；根據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）中的方法測試混凝土的擴展度。

2 試驗結果與討論

2.1 骨料幾何平均粒徑對混凝土包裹砂漿用量的影響

根據粗骨料堆積試驗得到粗骨料的緊密堆積空隙率，用總砂漿用量減去粗骨料的緊密堆積空隙后再除以粗骨料幾何平均粒徑下的比表面積，即為骨料表面的包裹砂漿層厚度[9]。控制混凝土擴展度為500、600、700 mm時，計算每個擴展度下粗骨料表面的包裹砂漿層厚度，將包裹砂漿層厚度和粗骨料的平均幾何粒徑進行冪函數擬合（圖1、圖2），每條擬合曲線的相關系數均在0.98以上。兩圖對比可知，不同擴展度下C50混凝土的包裹砂漿層厚度增大速度均大于C30混凝土。但C50和C30混凝土包裹砂漿層厚度隨幾何平均粒徑變化的整體趨勢大致相同，對于給定的擴展度，包裹砂漿層厚度隨幾何平均粒徑的增大而增大，同時較大的包裹砂漿層厚度對應較高的擴展度。

圖3和圖4分別為C30和C50混凝土在500、600、700 mm三個固定擴展度下100 kg粗骨料包裹砂漿用量與平均幾何粒徑的對應圖。C30和C50混凝土的包裹砂漿用量隨著擴展度的增大而增大；骨料粒徑較小時3種擴展度下包裹砂漿用量相差較小，隨著幾何平均粒徑的不斷增大，擴展度要求越高包裹砂漿用量增長幅度越大；6條曲線的相同之處為100 kg粗骨料包裹砂漿用量隨著粗骨料幾何平均粒徑的增大呈現先減小后增大的趨勢，存在包裹砂漿用量最小值點。包裹砂漿用量出現最小值的原因可能是：當骨料粒徑小于最優粒徑時，隨著骨料粒徑的增大，需要被包裹的骨料比表面積減少，包裹砂漿用量減少；當幾何平均粒徑大于最優粒徑時，包裹砂漿用量受比表面積的影響變小，較粗的骨料想要流動就需要包裹更多的漿體來克服內部阻力。對于C30和C50混凝土來說，以擴展度500 mm時的最小漿體用量以及該用量所對應的幾何平均粒徑作為基準，擴展度600 mm時的最小漿體用量分別增長了10.3%、19.8%，幾何平均粒徑分別減小了9.8%、7%；擴展度700 mm時分別增長了24.7%、37.9%，幾何平均粒徑分別減小了16.3%、8.7%。說明最小包裹砂漿用量會隨著擴展度的增大而增大，而最小漿體用量對應的幾何平均粒徑則會隨著擴展度的增大而減小。

2.2 砂漿流變特性對混凝土包裹砂漿用量的影響

選擇兩種不同強度（C30、C50）的混凝土中砂漿用量倍數為1時的配合比作為參照，配制砂漿時除去粗骨料，而水泥、粉煤灰、礦粉、機制砂、水的比例不變。兩種砂漿的流變曲線如圖5所示，從圖5可以看出，砂漿流體符合賓漢姆模型，利用賓漢姆模型對流變曲線中的下行曲線進行擬合得到砂漿的各項流變參數（表10）。C50組砂漿的屈服應力和塑性黏度分別為C30的1.8倍和1.6倍，所對應混凝土擴展度為500、600、700 mm時的包裹砂漿層厚度，C50混凝土分別為C30的1.83倍、1.75倍和1.42倍（C30和C50混凝土中的粗骨料均選用級配5）。屈服應力和塑性黏度隨著水泥砂漿中的固相體積占比的增大而增大[18-19]，導致了砂漿稠度的減小。這說明砂漿稠度越小，漿體中顆粒之間黏結滯力越強，發生流動時所克服的摩擦力增大[20]，相同級配的骨料想要達到相同擴展度時就需要更厚的包裹砂漿層，導致包裹砂漿用量的增大。剪切應力隨著剪切速率由加速到減速的變化過程形成了一個閉合的環，稱為觸變環（圖5），觸變環的面積表示了絮凝結構的數量和漿體觸變性能的大小。在曲線的上行階段，由于絮凝結構多，破壞時的剪切應力也隨之增大；在曲線的下行階段，絮凝結構數量大幅度減少，所以剪切應力也隨之減小，C50混凝土中觸變環面積為12 557.3 Pa/s，是C30混凝土觸變環面積的2.0倍。這說明C50漿體內部絮凝結構的數量越多，發生流動時的摩擦力也就越大。

2.3 基于漿體用量的合理級配區

總砂漿用量中的填充砂漿可以看作粗骨料的緊密堆積空隙體積，而現有的骨料密實級配堆積理論有k法、N法和I法。I法和N法為無窮級數，無法規定粗骨料的最小粒徑；k法則通過規定最小粒徑，從而得到最大粒徑和最小粒徑區間的密實堆積級配，筆者通過k法得到粗骨料的堆積級配曲線。k法是通過顆粒分級質量遞減系數k設計堆積級配曲線[21]，從而得到骨料在第x

級篩時的通過率。

x=3.32×lg（Ddx）

式中：x

為級數；D

為骨料顆粒最大粒徑；dx

為第x級篩孔粒徑，mm。

總級數n

為

n=3.32×lg（DXn）

式中：Xn

為骨料第n級粒徑；n為總級數。

某一級篩的通過率為

Px

=100%×（1?kx?1kn?1）

式中：k為k法計算系數。

在對級配進行優化時先將粗骨料的低空隙率作為前提，幾何平均粒徑隨著k值的增大而減小，通過調整3種擴展度下k值的變化范圍，從而限制幾何平均粒徑的范圍。水膠比不同的兩種混凝土填充砂漿用量始終小于包裹砂漿用量，曲線走向較為平穩，在k=0.75時取得最小用量25 L；包裹砂漿用量在總漿體量中占據主導地位，且包裹砂漿的最小用量均隨著擴展度的增大而增大。在骨料級配、配合比以及工作性要求都相同的情況下，骨料粒形綜合指數如果差異較大，那么漿體用量也會上下浮動5%～10%[9]。因此，根據最小漿體用量劃分合理級配區，將不同擴展度要求下最小漿體用量向上增大10%的范圍劃分為合理級配區間，取上限值與總漿體用量的交點作為當前水膠比和擴展度下k值的取值范圍。對于C30混凝土（圖6）來說，當擴展度為500、600、700 mm時，系數k的取值范圍分別為：0.3lt;klt;2.2、kgt;0.44、kgt;0.5，與此對應的粗骨料幾何平均粒徑取值范圍是：9.3 mmlt;幾何平均粒徑lt;16.1 mm，幾何平均粒徑小于14.6 mm，幾何平均粒徑小于14.1 mm。對于C50混凝土（圖7）來說，當擴展度為500、600、700 mm時，k的取值范圍分別為：0.5lt;klt;2.1、kgt;0.63、kgt;0.71；與此對應的幾何平均粒徑的范圍為：9.4 mmlt;幾何平均粒徑lt;13.8 mm，粒徑小于13.2 mm，粒徑小于12.8 mm。由于C30和C50混凝土粗骨料粒徑一般不會取10 mm以下，所以認為500 mm擴展度時混凝土不對骨料的最小粒徑做出限制。

3 結論

在試驗條件下，得到影響骨料包裹砂漿層厚度及用量的主要因素和規律如下：

1）包裹砂漿層厚度隨著粗骨料幾何平均粒徑的增大而增大，而包裹砂漿用量則呈現先減小后增大的趨勢。

2）隨著砂漿流變特性的變化，達到相同擴展度時所需包裹砂漿用量隨之增加。當砂漿的屈服應力、塑性黏度分別增大了80.8%和59.4%時，粗骨料包裹砂漿層厚度增加了41.6%～83.5%。

3）隨著混凝土擴展度要求的提高，粗骨料的最優幾何平均粒徑取值區間減小，而包裹砂漿層厚度和包裹砂漿用量增大。當C30和C50混凝土的擴展度要求從500 mm增大到700 mm時，最小包裹砂漿用量分別增大了24.7%、37.9%，而對應的最優幾何平均粒徑分別減小了16.3%、8.7%，較小粒徑的粗骨料更適合配制大流態混凝土。

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