砂率对固定当量粉体体积机制砂自密实混凝土工作性能的影响

陈铁卫，赵 舜，李固华，周 静，曹 波

(西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 611756)

砂率对固定当量粉体体积机制砂自密实混凝土工作性能的影响

陈铁卫，赵 舜，李固华，周 静，曹 波

(西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 611756)

采取当量粉体体积法设计机制砂自密实混凝土试验配合比，首先通过砂浆稠度试验确定各粉体的当量系数并试配出合理的当量粉体体积，然后在固定当量粉体体积的条件下，研究砂率变化对自密实混凝土工作性能的影响。通过坍落扩展度试验、J环试验和L型仪试验测试机制砂自密实混凝土拌合物的填充性、间隙通过性和稳定性等工作性能。试验结果表明:砂率在47% ～59%时，机制砂自密实混凝土拌合物的自密实性总体上随砂率增加先增强后减弱;砂率在53% ～56%时存在最优砂率，使得固定当量粉体体积的机制砂自密实混凝土的自密实性最佳。

机制砂 当量粉体体积 自密实混凝土 自密实性

自密实混凝土是一种特殊的高性能混凝土，能仅依靠自重而无需机械振捣作用密实均匀地填充于模板空间，因此其对混凝土拌合物的和易性要求很高。在改善混凝土和易性时，日本偏重于采用增加粉体、减少骨料用量的方法，但是这种方法使得混凝土收缩增加，抗裂性能降低。欧洲在粗骨料用量一定的条件下，更注重于选用合理的砂率来改善混凝土和易性。但是相同配合比下，混凝土中不同品种的粉体对拌合物和易性影响很大。已有研究发现［1］，在相同的粉体体积下，达到相同的稠度粉煤灰的需水量只有硅酸盐水泥的83.6%，而偏高龄土为186.9%，膨润土为409.6%，可见不同粉体性能差别很大。这也是自密实混凝土配合比难以确定的重要原因。

目前，天然砂已难以满足基础建设对其用量的需求［2］，故很多工程采用了机制砂来替代天然砂［3］。由于机制砂与天然砂在细度模数、级配等性质上的差异，在自密实混凝土中使用机制砂需要进一步的研究。国内已有不少自密实混凝土的试验研究，如徐杰等［4］研究了砂率对自密实混凝土工作性能的影响;何盛东等［5］研究了不同替代率下机制砂混凝土劈裂抗拉强度的变化规律。但是在这些试验研究中，由于粉体性能不同或相同质量的粉体体积不同，混凝土砂率的影响试验没有排除粉体的干扰，结果偏差大。故本文以机制砂自密实混凝土为研究对象，采用李固华教授提出的当量粉体体积法配制机制砂混凝土［6-7］，在固定当量粉体体积的条件下研究砂率对自密实混凝土性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥为都江堰牌的拉法基P．O42.5普通硅酸盐水泥;矿物掺合料为遂宁热电厂生产的优质Ⅱ级粉煤灰和硅灰，并加入石灰石粉;减水剂为四川巨星新型材料有限公司生产的巨鑫牌JX-GBNHY3型高性能减水剂，减水率达到30%，含气量3%;粗骨料为5～25 mm连续级配碎石;细骨料为机制砂，其基本性能指标见表1。

表1 机制砂各项性能指标

1.2 采用当量粉体体积法的配合比设计

依据机制砂自密实混凝土的自密实性，采用当量粉体体积法设计配合比。借鉴《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)中粉煤灰需水量比的测定方法，通过砂浆稠度试验测得各粉体当量系数(表2)。然后，设定所配自密实混凝土的自密实性等级为I级［8］，计算并试配出能满足其等级要求的当量粉体体积为197 L/m3，得到基准配合比。以基准配合比为基础，在固定当量粉体体积的条件下，改变砂率，砂率分别取47%，50%，53%，56%，59%的试验配合比见表3。

表2 粉体的当量系数

表3 固定当量粉体体积时的试验配合比

1.3 试验方案

采用坍落扩展度试验、J环试验和L型仪试验测试 A1，A2，A3，A4，A5五组自密实混凝土拌合物的填充性、间隙通过性和稳定性。

1)坍落扩展度试验

在温度(15±2)℃，相对湿度(70±5)%的条件下，根据《普通混凝土拌合物试验方法标准》(GB 50080—2002)，10 s内垂直平稳地提起坍落度筒，记录从坍落度筒提起开始至坍落扩展至直径500 mm时所经历的时间t500，待扩展完成后测定各组新拌混凝土的坍落扩展度。其中，坍落扩展度用于评判新拌混凝土的填充性(表4);t500反映新拌混凝土的扩展速率，与拌合物黏度有关。

表4 自密实混凝土拌合物的填充性分类

参照美国ASTM标准［9］，采用视觉稳定性指数方法，观察坍落扩展后的拌合物表观情况，判断混凝土拌合物是否具有良好的稳定性。视觉稳定性指数(VSI)分类见表5。

2)J环试验

按《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ/T 283—2012)进行J环试验，测试拌合物的间隙通过性。在坍落度筒周围固定一个J环，模拟拌合物需通过的模板内钢筋。然后提起坍落度筒，待拌合物流动停止后，测量J环中心位置拌合物顶面至 J环顶面的高度差，然后沿J环外缘过圆心两垂直方向分别测量4个位置混凝土拌合物顶面至J环顶面的高度差，从而计算各组J环阻塞高差BJ。阻塞高差越小，阻塞风险就越小，间隙通过性就越强。J环试验阻塞风险分类见表6。

表5 视觉稳定性指数分类

表6 J环试验阻塞风险分类

3)L型仪试验

参考《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ/T 283—2012)中的规定，将混凝土拌合物装入 L型仪中，然后开启滑动闸板，待拌合物静止流动后，测量竖向方形柱内混凝土拌合物高度H1以及水平槽内离方形柱较远一端混凝土拌合物的高度 H2，计算通过率PR。通过率PR可反映一定间距的钢筋对混凝土拌合物的阻塞作用，当PR≥0.8时，该混凝土拌合物具有较好的间隙通过性。

2 试验结果与分析

2.1 砂率对自密实性的影响

各组试验的结果汇总于表7。

由表7可知，砂率在47% ～53%时，坍落扩展度随砂率增加而增加，此时填充性等级为Ⅱ级;而砂率在53% ～56%时，坍落扩展度变化不大，而当砂率增加到59%时，坍落扩展度下降，填充性等级降为Ⅰ级，因此在53%～56%应存在一个最大坍落扩展度。随着砂率的增加，坍落扩展时间t500减小，表明拌合物的扩展速率在增大。对于大型工程结构的浇注施工或是预制构件施工，增大拌合物扩展速率可提高生产效率。

表7 各组试验的结果汇总

分析表7中阻塞高差 BJ发现:砂率在47% ～56%时，阻塞高差逐渐减小，间隙通过性不断增强，且减小幅度在变小，砂率56%时的阻塞高差最小，且与砂率为53%时的阻塞高差相差不大;砂率＞56%时，阻塞高差随砂率增加而增加，且增加幅度较大，此时间隙通过性随砂率增加而减小。结合L型仪试验中通过率PR的变化趋势可见，间隙通过性随砂率增加先增强后减弱。当砂率在53% ～56%时，混凝土拌合物间隙通过性最强。

根据表7中各组的稳定性等级VSI和表5可知，A1出现轻微的砂浆光环和骨料堆积现象，VSI=2，稳定性差;A2，A5无明显离析但有轻微泌水，VSI=1，稳定性一般;A3，A4无明显离析或泌水，VSI=0，稳定性好。这说明砂率在47%～59%时，机制砂自密实混凝土的抗离析性随砂率增加先增强后减弱。砂率在53% ～56%时，抗离析性变化较小，且达到最好。

2.2 机理分析

在当量粉体体积不变的条件下，随着砂率的增大，机制砂自密实混凝土拌合物的填充性、间隙通过性和抗离析性总体上呈先增强后减弱的趋势。将混凝土体系视为由砂浆和粗骨料组成的两相复合材料，并将砂浆看成由细骨料(砂子)和浆体两相组成的复合材料［10］，对该试验结果进行分析。

机制砂的粒形一般圆形度较好［11］，故在混凝土中存在明显的双重效应，一是圆形颗粒的滚动减水效应;二是比表面积大，需水量高。

当用水量一定，且当量粉体体积固定时，若砂率较小，则起滚动减水作用的颗粒减少，粗骨料间的空隙增大，此时浆体会先填充粗骨料间的空隙，缺少足够的浆体来包裹粗骨料进行润滑。因此，当砂率较小时，自密实混凝土的填充性较差，且由于部分粗骨料缺少浆体包围而离析，抗离析性与间隙通过性较差。若砂率过大，则细骨料的总比表面积增大，所需浆体与水均增多，但由于固定当量粉体体积且用水量不变，因此混凝土拌合物内部摩擦力增强，填充性、抗离析性和间隙通过性均降低。根据试验结果可知，砂率在53% ～56%时存在最优砂率，使得机制砂自密实混凝土自密实性最佳。

3 结论

1)当量粉体体积固定不变时，本试验配制的机制砂自密实混凝土拌合物在砂率为53%～56%时存在最佳自密实性。超出这一范围，机制砂自密实混凝土拌合物性能降低甚至不满足要求。

2)合理的当量粉体体积是自密实混凝土配制的必要条件。在这一条件下，仍存在最佳砂率。在实际施工中应综合考虑工程对自密实性等级的要求，先计算并试配出合理的当量粉体体积，再通过多组试验选取最优机制砂率配制机制砂自密实混凝土。

［1］于春辉．低强度高性能机制砂混凝土和易性的研究［D］．成都:西南交通大学，2013．

［2］HE Jiayin，LI Guhua．The Influence of Sand Ratio on Concrete Performance in the Case of Fixed Powder Paste［C］//Applied Mechanics and Materials．Switzerland:Trans Tech Publications，2014:1276-1281．

［3］徐大祯．高性能机制砂混凝土耐久性的研究［D］．成都:西南交通大学，2013．

［4］徐杰，叶燕华，朱铁梅．砂率对自密实混凝土工作性能的影响［J］．混凝土，2013(4):101-103．

［5］何盛东，栗蕾，李广慧，等．机制砂混凝土劈裂抗拉强度的试验研究［J］．混凝土，2014(11):50-52．

［6］顾海朋，魏群，李固华，等．当量粉体体积对自密实混凝土工作性能的影响［J］．工业建筑，2014，44(增 1):920-922．

［7］徐大祯，李固华，魏群，等．粉体体积对机制砂低强度混凝土和易性的影响［J］．铁道科学与工程学报，2013，10(6):69-73．

［8］中华人民共和国住房和城乡建设部．JGJ/T 283—2012自密实混凝土应用技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．

［9］American Society for Testing and Materials．C1611 Standard Test Method for Slump Flow of Self-Consolidating Concrete［S］．Philadelphia:ASTM International，2009．

［10］龙广成，谢友均．自密实混凝土［M］．北京:科学出版社，2013．

［11］刘秀美．机制砂作混凝土细骨料的研究［D］．济南:济南大学，2013．

Influence of sand ratio on working performance of self-compaction concrete with manufactured sand in condition of fixed
powder equivalent volume

CHEN Tiewei，ZHAO Shun，LI Guhua，ZHOU Jing，CAO Bo

(School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 611756，China)

The paper applies the power equivalent volume method in the design of experimentally proportional ratio for self-compaction concrete of machine-made sand．It starts with identifing the equivalent coefficient of different powders via mortar consistency test，and pilots the powder equivalent volume accordingly． Afterwards with the volume stands as a fixed value，the paper studies the influence of sand coarse aggregate ratio to the working performance of self-compaction concrete with machine-made sand．It conducts slump-divergence test，J-ring test，L-shaped instrument test to study the fillibility，permeability and stability of the self-compaction concrete mixture．The results indicate that as the sand ratio increases within a range of 47%to 59%，the self-compaction performance of the mixture improves and then declines．It needs to be noted that the optimal ratio stands within 53%to 56% ，during which the self-compaction performance of the concrete with machine-made sand of fixed and powder equivalent volume has been proven to be the most preferable．

Machine-made sand;Powder equivalent volume;Self-compaction concrete;Self-compaction performance

TU528.041

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．38

1003-1995(2015)07-0134-04

2015-02-10;

2015-04-10

四川省交通科技项目(2011D-04-2)

陈铁卫(1994— )，男，成都崇州人。

(责任审编 葛全红)