细观尺度下混凝土的工作性能研究

李国栋，张 立，任正义

(内蒙古大学交通学院，呼和浩特 010070)

0 引 言

混凝土是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称，通常是用水泥作胶凝材料，砂和石作集料，与水按一定比例配合，经混合搅拌而制得的。现代工程中混凝土是一种重要材料，每年我国混凝土用量超过10亿立方米[1]。从细观层次说，混凝土是由水泥砂浆、粗骨料、水泥砂浆-粗骨料界面组成的多相非均质复合材料[2-3]。粗骨料是混凝土的主要组成材料，构成了混凝土的基本骨架结构，其体积约占混凝土总体积的70%左右[4]。

粗骨料的用量、粒径以及粗骨料级配的密实程度都会对混凝土的工作性能造成影响，而工作性能是评价混凝土的一项重要指标，对混凝土的力学性能和耐久性造成一定的影响。Yammine等[5]的研究表明粗骨料体积率对混凝土的工作性能影响显著。Bonen等[6]发现混凝土中粗骨料的粒径不仅会影响混凝土的工作性能，而且对新拌混凝土的稳定性影响显著，粗骨料粒径越大的混凝土越容易发生骨料的下沉和拌合物的离析。邢心魁等[7]通过PFC2D模拟实验探讨了4种不同粒形的粗集料配制的混凝土试件的应力-应变曲线，破坏形态以及破坏过程中的能量变化。姚立红等[8]研究发现水泥净浆流动性能与混凝土初始扩展度和坍落度成正相关关系。Larard[9]研究得出骨料中针片状颗粒过多会导致比表面积和空隙率增大，水泥浆体的接触面积增加、混凝土包裹浆体厚度减少、骨料间摩阻力增大，使得其新拌混凝土和易性降低。王应等[10]研究了集料中不同土质泥掺不同外加剂时对混凝土工作性能影响。李国强等[11]针对混凝土骨料级配、粒径分形维数研究得出分形维数级配公式。现阶段，关于混凝土工作性能的研究已经比较成熟，但是现有的研究成果大多是从粗集料、外加剂以及水泥替代材料等方面出发对混凝土工作性能展开研究，关于细观层次对混凝土工作性能影响规律的研究还较少。

本文从细观层次出发设计了14种混凝土配合比，其中，5种不同粗骨料体积率混凝土(V=0%、20%、40%、60%、80%)，4种不同粗骨料最大粒径混凝土(D=9.5 mm、19.0 mm、26.5 mm、31.5 mm)，5种不同骨料级配分形维数混凝土(F=2.2、2.4、2.5、2.6、2.8)，研究了粗骨料体积率、粗骨料最大粒径、粗骨料级配分形维数对混凝土工作性能的影响，探讨了混凝土的密实性、流动性，以期为工程实践提供理论依据和指导。

1 实 验

1.1 实验材料

本研究所使用的胶凝材料是P·O 42.5普通硅酸盐水泥和Ⅰ型高钙粉煤灰，均来自内蒙古MS水泥厂。细骨料使用粒径为0.15～4.75 mm范围内的河砂，细度模数为2.8。粗骨料选用机械破碎花岗岩碎石，精细筛分碎石为4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm、16～19 mm、19～26.5 mm、26.5～31.5 mm六档，粗骨料经过严格的挑选、清洗和烘干，并按照配合比要求进行混合。混凝土材料的物理、力学指标如表1～4所示。

表1 细骨料物理指标Table 1 Physical indexes of fine aggregate

表2 粗骨料物理力学指标Table 2 Physical and mechanical indexes of coarse aggregate

表3 水泥性能指标Table 3 Performance indexes of cement

表4 粉煤灰质量指标Table 4 Quality indexes of fly ash /%

1.2 实验配合比

为了研究粗骨料用量对混凝土工作性能的影响，试验中保持所用水泥砂浆中各部分材料的比例以及粗骨料的连续级配不变，仅改变粗骨料体积率，设计了粗骨料体积率V=0%、20%、40%、60%、80%的5种混凝土配合比，混凝土中材料用量见表5。

表5 不同粗骨料体积率混凝土材料用量Table 5 Material content of concrete with different volume rate of coarse aggregate

为了研究粗骨料最大粒径对混凝土工作性能的影响，试验中保持水泥砂浆中各部分材料的比例和粗骨料的用量不变，仅改变粗骨料的最大粒径，设计了粗骨料最大粒径D=9.5 mm、19.0 mm、26.5 mm、31.5 mm的4种混凝土配合比，材料用量见表6。

表6 不同粗骨料最大粒径混凝土材料用量Table 6 Material content of concrete with different maximum particle size of coarse aggregate

图1 不同分形维数级配曲线Fig.1 Different fractal dimension grading curves

粗骨料级配的分形维数表征了不同粒径骨料之间的搭配情况，Turcotte[12]根据无穷破碎体理论推导了骨料级配的分形维数的计算公式(1)，分形维数越大，小粒径粗骨料的用量越多，大粒径粗骨料的用量越少；当骨料级配分形维数达到2.5时，粗骨料级配曲线与换算后的Fuller-级配曲线[13-14]完全一致，此时的骨料级配最密实，不同分形维数骨料的级配曲线见图1。

(1)

式中，P(x)为各档骨料的通过百分率；F为粗骨料级配的分形维数；xmin=4.75 mm和xmax=26.5 mm分别为粗骨料的最小粒径和最大粒径。

为了研究骨料级配的密实程度对混凝土工作性能的影响，试验中保持水泥砂浆中各部分材料的比例和粗骨料的用量不变，仅改变粗骨料级配的分形维数，设计粗骨料级配的分形维数F=2.2、2.4、2.5、2.6、2.8的5种混凝土配合比，混凝土材料用量如表7所示，根据公式(1)计算的粗骨料用量见表8。

表7 不同粗骨料级配分形维数混凝土材料用量Table 7 Material content of concrete with different gradation fractal dimension of coarse aggregate /(kg/m3)

1.3 实验方法

在本研究中，为了避免粗骨料表面尘土粉末对混凝土用水量的影响，在实验前对粗骨料进行严格的筛分和清洗，剔除粗骨料中的针片状骨料，选取球形或近似球形的粗骨料作为实验用料。为了研究粗骨料体积率、粗骨料最大粒径、粗骨料级配分形维数对高性能混凝土工作性能的影响，依据《混凝土外加剂应用技术规范》GB 50119—2013[15]，使用减水率为25%的聚羧酸高效减水剂，选择同掺法和后掺法相结合的方法添加减水剂，后掺法是混凝土拌合过程中用医用注射器注射减水剂调配用量，通过多次试验将混凝土坍落度在(180±20) mm范围内确定减水剂的用量，同时记录了从开始提起坍落度筒到混凝土坍落度不再发生变化的坍落时间以及混凝土的坍落扩展度，同时每种混凝土配合比浇筑3个平行试件。

表8 不同粗骨料级配分形维数混凝土粗骨料用量Table 8 Coarse aggregate content of concrete with different gradation fractal dimension of coarse aggregate

2 结果与讨论

2.1 水泥净浆包裹层厚度

水泥净浆是由许多分散水泥颗粒组成，水泥颗粒易与水反应产生水化产物，产物中往往携带正、负电荷。水泥颗粒的粒径较小，但活性极高，极易吸附水化产物中的电荷，因此，在浆体中，水泥颗粒与水化产物中的电荷互相絮凝，形成絮凝结构，与集料之间相互粘结形成水泥浆厚度包裹层[16]。水泥净浆在新拌混凝土中充当润滑剂，促使集料相互包裹黏结，对于改善新拌混凝土的流动性能具有重要作用。同时，新拌混凝土中骨料的运动依赖于骨料表面自由浆体的包裹，混凝土中水泥净浆在砂表面的包裹层厚度H计算如公式(2)～(3)所示[17]。

(2)

(3)

式中：Vs表示混凝土中砂的体积；Va表示混凝土中粗骨料的体积；δs表示混凝土中砂的堆积空隙率；ξ表示粗骨料的形状系数，论文选用近似球形的骨料作为实验材料，假设形状系数ξ=1；S表示集料的比表面积，通过公式(3)～(4)计算得到。

图2 不同粗骨料体积率混凝土水泥净浆厚度Fig.2 Thickness of concrete cement paste with different volume rate of coarse aggregate

(4)

(5)

式中，Si表示第i个粒径骨料的比表面积；Di表示第i个粒径骨料的平均粒径；ki表示第i个粒径骨料的质量分数。

如图2～图4中所示，当骨料级配一定时，随着粗骨料体积率的增大，混凝土中砂表面的水泥净浆包裹层厚度不断增大，因为粗骨料体积率越大，相同体积内骨料用量越多，砂的用量越少，集料的比表面积减小，表现在水泥净浆包裹层厚度不断增大；粗骨料体积率相同时，混凝土中砂表面的水泥净浆包裹层厚度随着骨料最大粒径的增大而增大，因为当骨料用量一定时，骨料的最大粒径越大，骨料的比表面积越小，所以砂表面的水泥净浆包裹层厚度不断增大；当粗骨料体积率一定时，随着粗骨料级配分形维数的增大，砂表面的水泥净浆包裹层厚度逐渐减少，主要原因是粗骨料级配分形维数越大，小粒径粗骨料的用量越多，粗骨料的比表面积增大，砂表面的水泥净浆包裹层厚度逐渐增大，粗骨料级配分形维数对砂表面的水泥净浆包裹层厚度影响很小，最大砂表面的水泥净浆包裹层厚度与最小砂表面的水泥净浆包裹层厚度差值不足1 μm。

图3 不同粗骨料最大粒径混凝土水泥净浆厚度
Fig.3 Thickness of concrete cement paste with different maximum particle size of coarse aggregate

图4 不同粗骨料级配分形维数混凝土水泥净浆厚度
Fig.4 Thickness of concrete cement paste with different gradation fractal dimension of coarse aggregate

2.2 减水剂用量

不同粗骨料体积率、粗骨料最大粒径以及粗骨料级配分形维数对应的新拌混凝土减水剂用量如图5所示。由图可知，当骨料级配相同时，新拌混凝土坍落度达到(180±20) mm时的减水剂用量随着粗骨料体积率的增大而减少。同时，减水剂用量与粗骨料体积率可以用二次函数拟合，拟合相关系数为0.99，这是因为，随着粗骨料体积率的增大，相同体积混凝土中粗骨料用量增加，混凝土中砂表面的水泥净浆包裹层厚度增大，自由浆体的润滑作用导致混凝土在使用较少的减水剂时就可以达到设计的坍落度。

当粗骨料体积率一定时，粗骨料最大粒径越大，新拌混凝土坍落度达到(180±20) mm时的减水剂用量越少。同时，减水剂用量与粗骨料最大粒径之间呈线性负相关关系，相关系数为0.98。与粗骨料体积率相同，粗骨料最大粒径对混凝土中砂表面的水泥净浆包裹层厚度影响较大，自由浆体越多，混凝土流动性能越好。图5(c)表明新拌混凝土坍落度达到(180±20) mm时的减水剂用量与粗骨料级配分形维数符合二次抛物线关系，当粗骨料级配分形维数为2.5时减水剂用量最大。粗骨料级配分形维数对混凝土中自由浆体厚度影响较小，粗骨料级配分形维数表征的是不同粒径粗骨料的搭配情况，在粗骨料级配分形维数为2.5时，粗骨料级配最密实，在流动过程中粗骨料之间的摩擦作用最强，因此要达到设计的坍落度就需要掺加更多的减水剂。

图5 减水剂用量
Fig.5 Dosage of water reducer

2.3 坍扩比与坍落时间

混凝土坍落度和坍落扩展度的比值简称(坍扩比)。新拌混凝土坍落度的测试是量化混凝土屈服剪切应力和塑性粘度的标准，坍落拓展度指标量化了混凝土在自重下克服屈服应力、粘度和摩擦后的流动状态。

不同粗骨料体积率坍扩比、坍落时间分析如图6、图7所示。混凝土的坍扩比随着粗骨料体积率的增大而减小，坍扩比实际上是反映了混凝土拌合物的粘度，当粗骨料体积率较小时，单位体积混凝土中粗骨料的体积分数较小，拌合物中以砂浆为主，粗骨料对拌合物工作性能的影响较小，此时混凝土中砂表面的水泥净浆包裹层较薄，混凝土的稠度较大，坍扩比较大，粗骨料体积率的增大加剧粗骨料对拌合物工作性能的影响，混凝土中砂表面的水泥净浆包裹层厚度增大，混凝土的稠度减小，坍扩比减小，随着粗骨料体积率的增大，砂浆对粗骨料的包裹程度下降，受重力影响混凝土拌合物的坍落速度变快，坍落时间变小。

图6 不同粗骨料体积率混凝土坍扩比
Fig.6 Concrete slump and expansion ratio with different volume rate of coarse aggregate

图7 不同粗骨料体积率混凝土坍落时间
Fig.7 Concrete slump time with different volume rate of coarse aggregate

不同粗骨料最大粒径混凝土拌合物的坍扩比和坍落时间分析如图8、图9所示。当粗骨料体积率一定时，随着粗骨料最大粒径的不断增大，混凝土拌合物的坍扩比和坍落时间均逐渐减小。随着粗骨料最大粒径的增大，混凝土中自由浆体厚度增大，拌合物的流动性增强；粗骨料最大粒径越大，单颗粗骨料的质量越大，对混凝土坍落速度的影响越大，混凝土坍落时间越短。

图8 不同粗骨料最大粒径混凝土坍扩比
Fig.8 Concrete slump and expansion ratio with different maximum particle size of coarse aggregate

图9 不同粗骨料最大粒径混凝土坍落时间
Fig.9 Concrete slump time with different maximum particle size of coarse aggregate

图10和图11分别是不同粗骨料级配分形维数混凝土拌合物的坍扩比和坍落时间实验结果。随着粗骨料级配分形维数的增大，混凝土拌合物的坍扩比和坍落时间先增大后减小，且均在分形维数为2.5时达到最大值，因为当粗骨料级配分形维数等于2.5时粗骨料的级配最密实，拌合物在坍落过程中受骨料之间的相互作用影响，混凝土的坍落扩展度最小，坍落时间最长，但是整体来说粗骨料级配分形维数对混凝土拌合物的坍扩比和坍落时间影响较小。

图10 不同粗骨料级配分形维数混凝土坍扩比
Fig.10 Concrete slump and expansion ratio with different gradation fractal dimension of coarse aggregate

图11 不同粗骨料级配分形维数混凝土坍落时间
Fig.11 Concrete slump time with different gradation fractal dimension of coarse aggregate

2.4 混凝土流动性、密实性

新拌混凝土中添加减水剂可以改善自身的工作性能，因为减水剂不仅可以降低水泥体系中的屈服应力，而且可以改善水泥浆体的流动性能，在水泥浆体中掺入减水剂，水泥净浆中的电荷能够吸附到水泥颗粒表面，这是因为减水剂主链带有负电荷，能与水泥颗粒上带正电荷的水化产物相结合，从而致使水泥颗粒完整化学键受损，间接导致絮凝结构破坏，并且释放出絮凝结构中的水，使混凝土结构中自由水含量增加，导致絮凝结构变小，从而起到分散混凝土的结果[16]。随着减水剂用量增多，絮凝结构逐渐发生破坏而减少，从而导致净浆厚度越来越小、致使混凝土结构中自由水越来越多，由于混凝土中含有更多大量的水分，导致混凝土坍落度、坍落拓展度也会变大，流动性变好，从而达到改善混凝土工作性能的目的。

从细观尺度上说，混凝土的密实性能取决于骨料之间相互结合能力的大小，混凝土中水泥颗粒与附近的电荷载反应产生水化物形成水泥砂浆，水泥净浆能够促进集料之间相互包裹形成一层薄膜，增加其结合能力，从而可以从骨料用量、骨料之间的搭配来实现对混凝土密实性的判定。由于本试验添加减水剂的缘故，会影响水泥砂浆厚度进而会影响其密实性能，所以通过分析容重大小来探讨其密实性，随着粗骨料体积率的增加，单位体积内粗骨料的用量逐渐增加，水泥和砂子的用量越来越少，因为粗骨料的密度大于水泥和砂子的密度，粗骨料用量越多，单位体积内混凝土质量就越大，所以混凝土容重会随着粗骨料体积率增大而增大。图12为不同级配下容重的大小，当骨料最大粒径为15～20 mm，粗骨料体积率为80%时,骨料容重最大；当骨料级配分形维数为2.5时，容重最大，粗骨料级配曲线与换算后的Fuller-级配曲线[12-13]完全一致，此时的骨料级配最密实。

图12 不同级配下的容重图
Fig.12 Bulk density diagram with different levels

3 结 论

(1)混凝土中砂表面的水泥净浆包裹层厚度与粗骨料体积率、最大粒径成线性正相关关系，与粗骨料级配分形维数呈负相关关系。

(2)保持混凝土坍落度(180±20) mm，减水剂用量与不同粗骨料体积率符合二次函数规律；粗骨料最大粒径与减水剂用量呈线性负相关关系；粗骨料级配分形维数与减水剂用量存在开口向下的二次函数关系，当粗骨料级配分形维数等于2.5时，减水剂用量最多。

(3)随着粗骨料体积率、粗骨料最大粒径变大，混凝土拌合物的坍扩比和坍落时间逐渐越小，流动性能变好；随着粗骨料级配分形维数变大，坍扩比和坍落时间与其存在开口向下的函数关系，且都在粗骨料级配分形维数为2.5时取得最大值，此时流动性趋于最佳。

(4)当粗骨料体积率为80%、最大粒径最大为15～20 mm、级配分形维数为2.5时，混凝土容重最大，骨料级配最密实。