自密实轻骨料混凝土抗离析性控制与试验方法

张 云 国, 吴 智 敏, 张 小 云, 吴 熙

(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连 116024)

0 引 言

自密实轻骨料混凝土(SCLC)是在自密实混凝土和轻骨料混凝土的基础上发展起来的一种新型高性能混凝土,它兼有自密实混凝土和轻骨料混凝土的特性,不但密度较普通混凝土小,而且能够在自重作用下自动在模板中填充密实,可大大提高混凝土结构的质量和施工速度.

轻骨料混凝土自20世纪50年代在我国开始应用以来,由于它具有较高的效率(强度和密度比值),被广泛应用于大跨度的桥梁结构当中,同时轻骨料混凝土较普通混凝土具有较高的隔热和耐久性等良好性能.自密实混凝土是在20世纪80年代末由日本学者Okamura发明的,最早应用于水下混凝土的浇筑,由于它具有不需要振捣便可以成型的特点,目前在日本、欧洲和北美等地得到了广泛的应用,是混凝土发展过程中一次重要的革新.自密实轻骨料混凝土就是在此基础上,结合自密实混凝土和轻骨料混凝土发展起来的一种新型高性能混凝土,在混凝土发展过程中又迈出了重要的一步.对于普通骨料自密实混凝土,由于骨料密度大于基体胶凝材料的密度,在搅拌、运输或者浇筑过程中容易引发骨料下沉造成混凝土离析现象;而对于振捣成型的轻骨料混凝土,由于轻骨料的密度小于基体胶凝材料的密度,受机械振捣的“搅融作用”,轻骨料容易发生上浮现象[1,2],从而导致混凝土离析情况的出现.自密实轻骨料混凝土不需要振捣成型,可以克服由于振捣而引起的骨料上浮现象.但其为了提高自身的流动性能及混凝土的强度,通常采用较多的水泥、粉煤灰及磨细矿粉等材料,同时加入了一定量的高效减水剂,流动性的增加对混凝土抗离析性可能会产生不利的影响,因此,自密实轻骨料混凝土应该具有适中的流动性和抗离析性.所以,在保证具有良好流动性的前提下,自密实轻骨料混凝土在配合比设计过程中的抗离析性能是一项非常重要的指标.

1 骨料在胶凝基体中的状态分析

1.1 骨料静态控制

对于新拌普通骨料自密实混凝土,由于骨料密度大于胶凝基体的密度,骨料容易出现下沉现象;而对于自密实轻骨料混凝土,骨料密度小于胶凝基体的密度,骨料容易发生上浮情况.如果混凝土不发生离析、骨料不出现下沉或上浮现象,骨料应该在上浮力、重力及基体提供的回复力的作用下维持静态平衡.其中回复力的大小和浮力与重力的差值相等,并随之变化,其最大值与水泥浆基体的屈服应力成正比关系,此时,普通骨料维持静力平衡状态,如图1所示.

图1 骨料受力分析Fig.1 Forces analysis of aggregate

假定骨料颗粒为圆球形,对骨料进行受力分析,骨料受到的合力为

因此,有

式中:fg=gρpVp,fb=gρmVp,分别为骨料受到的重力和浮力;ρp和ρm分别是骨料颗粒和胶凝基体材料的密度.胶凝基体提供的回复力与水泥浆体的屈服应力成正比[3],其最大值为

Ap为颗粒正截面面积,τy为胶凝基体材料的屈服应力.

可见,对于普通骨料,ρp>ρm,此时重力与浮力的合力方向向下,骨料有下沉趋势,胶凝基体为骨料提供向上的回复力;对于轻骨料,ρp<ρm,此时重力与浮力的合力向上,骨料有上浮的趋势,水泥基体为骨料提供向下的回复力.无论是普通骨料还是轻骨料,如果颗粒在胶凝基体中维持静态平衡状态,则必须有 gΔ ρ Vp ≤ τyAp,即 τy ≥,其中 rp为骨料颗粒半径,即

可见对自密实混凝土,胶凝基体的屈服应力τy越大、骨料与基体的密度差 Δ ρ越小,并且骨料颗粒越小,则骨料颗粒越不容易出现下沉或者上浮的分离现象,因此在混凝土设计时充分考虑到这几个因素就可以最大程度地避免混凝土骨料分层的离析现象.

1.2 骨料动态控制

能够在静态状态下保持稳定的混凝土,在浇筑过程中由于外界的干扰,并出现局部屈服应力变小的情况,混凝土会在一个很小的剪切速率下流动,混凝土给骨料提供的回复力维持不变,骨料的运动可以看做是速度很小的匀速运动,此时,混凝土对骨料的回复力为[3]

联合式(2)和式(5)有

式中:v为颗粒运动速度;CD为拖曳系数,其大小与颗粒在某一特定速度的雷诺数有关[3],

η为胶凝基体的粘性系数,定义为剪切应力和剪切率的比值,如式(8)所示:

为了避免骨料离析现象的发生,必须保证骨料的运动速度足够小,由式(6)可见,更小的骨料和胶凝基体间的密度差以及更小的骨料粒径对提高混凝土的抗离析性能都是有利的.

通过以上对骨料在静态和动态情况下分析可知,影响轻骨料上浮的主要因素有骨料的颗粒粒径、骨料密度与胶凝基体密度的差值、胶凝基体的粘性以及胶凝基体材料的剪切屈服应力,它们都可以通过原材料的选择来加以控制.但对于基体的剪切屈服应力除了配合比的影响外,外界的干扰也有着非常重要的影响,比如浇筑振捣的“搅融作用”会减小胶凝基体的屈服应力.文献[1、4]在研究振动对新拌砂浆或者混凝土屈服应力的影响时发现,振动作用可以大大减小屈服应力甚至可以使得屈服应力小得忽略不计.因此,从式(4)可以看出,对于振捣成型的轻骨料混凝土,轻骨料上浮的情况很容易发生.采用自密实混凝土技术,便可以很好地解决由于振捣而引起的屈服应力降低而造成的轻骨料上浮情况.本文就是基于这个思路,通过采用自密实轻骨料混凝土来改善高性能轻骨料混凝土骨料易上浮导致的混凝土质量下降的问题.

2 自密实轻骨料混凝土的配制

根据以上理论分析,在进行自密实轻骨料混凝土配制时,为了保证混凝土既有较大的流动性,又有良好的抗离析性,不出现普通轻骨料混凝土轻骨料容易上浮的问题,在配合比设计前充分考虑材料特性对混凝土性能的影响.实验中选择了密度适中、粒径较小、表面粗糙的800级碎石型膨胀页岩陶粒,来减小骨料与胶凝基体材料间的密度差,增加骨料与基体材料间的粘聚力,陶粒的基本性能如表1所示;同时选用Ⅰ级粉煤灰作为添加材料,来增加混凝土的黏稠性;水泥采用大连本地产普通硅酸盐42.5R水泥;砂子采用普通河砂;用Sika 3301聚羧酸系高效减水剂(HRWR)来调节混凝土的流动性.本文在自密实轻骨料混凝土配合比设计时采用日本预拌混凝土协会推荐的普通自密实混凝土固定砂石体积法[5]结合全计算法[6]进行设计,同时考虑轻骨料的吸水特性.根据上文的理论分析,调节影响自密实轻骨料混凝土流动和抗离析性的主要因素进行多次调整试验,得到优化的SCLC1和SCLC2配合比,如表2所示.所配制的自密实轻骨料混凝土28 d立方体抗压强度为42.6 MPa和50.1 MPa,密度分别为1879 kg/m3和1920 kg/m3,满足轻骨料混凝土密度低于1950 kg/m3的要求.

表1 页岩陶粒的物理性能和级配Tab.1 Physical properties and grading of expand shale aggregate

表2 自密实轻骨料混凝土配合比Tab.2 Mix proportions for SCLC

表3列出了所配制的自密实轻骨料混凝土流动扩展度(包括 T500)、V形漏斗、L槽和U槽的试验结果,体现了本文设计的自密实轻骨料混凝土的流动性、变形性和填充性能状况.通过与欧洲规范EFNARC关于自密实混凝土工作性能建议值的对比[7],发现所配制的自密实轻骨料混凝土均有很好的自密实性能,达到了EFNARC建议的Ⅰ级密实等级的标准,高度满足自密实混凝土自动密实的要求.

表3 新拌混凝土的工作性能Tab.3 Workability of fresh SCLC

3 自密实轻骨料混凝土抗离析性能试验

自密实轻骨料混凝土抗离析性能研究的主要问题是轻骨料的上浮及骨料与胶凝基体材料的分离.前文已经通过理论分析研究了影响轻骨料上浮的主要因素,为自密实轻骨料混凝土的材料选择和配合比设计提供了参考依据.目前国内外对于自密实混凝土抗离析性能的鉴别多数采用了观察的方法,这种方法简单实用,但可靠性相对差一些,不能够量化地判定混凝土的抗离析性能,也不能准确判定轻骨料的上浮情况.本文将通过湿筛试验、粗骨料分层试验及对断面的切片试验来全面地分析自密实轻骨料混凝土的抗离析性能.

3.1 湿筛试验

湿筛试验最早在法国开始应用,目前在欧洲应用比较多[8].具体是将新拌的10 L混凝土置于带有盖子的桶中稳定15 min后,将桶中上部5 kg混凝土通过500 mm高度倒入孔径为5 mm的冲压方孔筛,筛规格应该满足ISO 3301-2的要求,待2 min后,测量透过筛子的砂浆的质量占总的混凝土质量的百分比,比值越小,说明混凝土的抗离析性能越好.通过这种方法来分析骨料与砂浆的分离及泌水情况简单易行,试验如图2所示.

EFNARC建议筛分离系数不宜超过15%.本文采用这种筛分试验测得SCLC1和SCLC2两种混凝土的筛分离系数分别为4.4%和5.6%.并且通过试验观察,没有发现桶内混凝土表面有泌水及离析现象,说明所配制的混凝土具有较好的抗离析性能.从试验结果可以看出,SCLC1的抗离析性能要比SCLC2的好,这是因为后者的水胶比较小,为了提高流动性和变形性使用了更多的减水剂,降低了混凝土的抗离析性能.因此,减水剂用量的增加,会降低混凝土的抗离析性能.

图2 湿筛试验Fig.2 Wet sieve segregation test

3.2 粗骨料分层试验

粗骨料分层试验的目的是评价自密实轻骨料混凝土轻骨料在混凝土中的分布情况.试验中采用的分层度试验装置为直径200 mm,高度660 mm的钢制圆柱筒,沿高度分成长165 mm的4段,试验装置见图3.

图3 分层度筒Fig.3 Segregation column

文献[9]采用的装置直径为100 mm,分为3层,上下层高100 mm,中间层高195 mm;文献[10]采用的分层度筒直径为200 mm,上中下3层高度均为100 mm.尽管后者采用了更大直径的分层度筒,减小了筒壁对混凝土粗骨料分层的约束,但是它每一层的高度均较小,而且二者都只分了3层,上下底面的边界对混凝土骨料分层的影响较大.本文采用的分层度筒无论是高度还是直径尺寸都比较大,能够更真实地反映轻骨料的分布情况,减小了试验装置边界约束的影响.

评价方法是,将新拌的自密实轻骨料混凝土倒入分层度筒中,待30 min骨料分布稳定之后,由上至下依次取下每段混凝土,用孔径为5 mm的筛子将轻骨料清洗分离,待表面干燥后称量每部分粗骨料的质量.用每一层骨料质量占总质量的百分比及其变异系数作为评价轻骨料上浮的参数.变异系数Iseg的计算方法如下式所示:

图4给出了SCLC1和SCLC2两种自密实轻骨料混凝土骨料分布率R沿筒高的变化曲线.如果骨料分布绝对均匀,则每一段的骨料质量分布率应该为25%.从图中可以看出,SCLC1粗骨料分布率最大值为25.4%,最小值为23.9%,分布比较均匀;SCLC2粗骨料分布率最大值为26.5%,最小值为24.1%,分别出现在最上层和倒数第2层.尽管SCLC2混凝土最上层粗骨料分布略多,但无论哪一种混凝土粗骨料的分布率均在25%左右波动,通过该试验及试件截面骨料分布(如图5所示)验证了所设计的自密实轻骨料混凝土轻骨料并没有出现明显的分层现象,能够保证混凝土质量.本文测得SCLC1和SCLC2两种混凝土的分离系数分别为2.9%和4.2%,说明后者的骨料上浮情况较前者严重一些.

图4 骨料分布率沿钢筒高变化Fig.4 Variation of aggregate content along circular steel column

图5 试件截面骨料分布Fig.5 Distribution of coarse aggregates on two cross-sections

4 结 论

(1)骨料与胶凝材料基体的密度差越小、胶凝材料基体塑性状态下的屈服应力越大、骨料颗粒越小,新拌混凝土骨料越不容易发生分离现象,结合普通自密实混凝土配合比设计方法,可以作为设计和试配自密实轻骨料混凝土的依据.

(2)采用湿筛试验、分层试验,可以量化地判定自密实轻骨料混凝土的抗离析性能.

(3)采用自密实混凝土技术配制的自密实轻骨料混凝土,可以很好地克服由于振捣引起的新拌轻骨料混凝土胶凝基体屈服应力降低而发生的骨料上浮现象.

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