泵送混凝土成型后抛石量对强度和结构的影响研究①

□□ 宋旭艳，姜正平，乔 波，周林才，方 韧，郜志海

(1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011；2.苏州第一建筑集团有限公司，江苏 苏州 215123)

引言

目前施工中广泛采用的泵送混凝土，因为需要满足其泵送流动度会大量添加粉煤灰等矿物掺合料、提高砂率，而形成不了石子的堆聚骨架。因而在施工中，大量粉料组成的浆体体积稳定性很差，使得泵送混凝土工程非常容易产生早期开裂[1-2]。本文即研究流态混凝土“悬浮结构”在完成其泵送施工后，通过抛石将其转化为硬化后性能优良稳定的“堆聚结构”，着重研究抛石量对该流态混凝土强度和结构的影响，以期为抛石混凝土的工程应用提供一定的试验依据。

1 原材料

试验所用水泥为海螺牌P·Ⅱ 52.5水泥，其密度为3.1 g/cm3，初凝时间为100 min，终凝时间为165 min，比表面积为340 m2/kg。使用的粉煤灰密度为2.0 g/cm3，强度影响系数为0.75。

细骨料为天然河砂，其含泥量为0.4%，细度模数为2.37，属于Ⅱ区的中砂。粗骨料为级配良好的5～25 mm的碎石。

外加剂为聚羧酸高效减水剂，液体呈淡黄色的透明状，经测定其固含量为40.7%，当掺量为0.3%时，减水率为29.7%。

2 试验过程

首先，根据JGJ 55—2016《普通混凝土配合比设计规程》，采用半定量半经验的设计方法，通过增大用水量、掺加粉煤灰与调整砂率三种方式，设计坍落度为180～220 mm、强度等级为C40的泵送混凝土，混凝土配合比见表1。

表1 C40泵送混凝土配合比 kg/m3

其次，将按表1配比设计的混凝土以普通混凝土的成型方式装模并振实成型，根据同强度空白对照试块表面浮浆的多少，预留出5～10 mm的空余，以防止添加抛石后大量水泥浆体被挤出试模。随后将准备用作抛石的粗骨料以混凝土质量的3%、6%、9%、12%、15%、18%分别置于混凝土试块表面，使用手持平板振动器边振动边将抛石压入混凝土试块中。其中，手持平板振动器的振动时间不固定，需持续震动至抛石表面完全被水泥浆体浸没，且持续振动10 s后试块表面无气泡上浮后方可停止振动。抛石掺量较多时，可以分次加入，此时为控制成型时间，可以只需最后一次加入抛石后达到上述要求即可。整个试块成型过程需尽快完成，自混凝土搅拌起不得超过15 min。成型结束后立即在试件表面覆盖一层保鲜膜防止水分蒸发，进而进行标准养护至需要龄期取出，测定其各项性能。

另外，为了具有可比性，未抛填粗骨料的基准混凝土根据标准方法装模并振实成型后，需与抛石混凝土一样使用手持平板振动器进行表面振实和再次抹面，随后放入标准养护室进行养护。

3 结果与讨论

3.1 抛石量对混凝土力学性能的影响

不同抛石量的混凝土强度试验结果见表2。表2中结果显示，随着抛石量的增加，混凝土强度逐渐上升，当抛石量达到12%时，抗压强度达到最大值，随后其抗压强度开始下降，但其强度仍大于不掺抛石的基准混凝土强度。

表2 混凝土强度试验结果

从强度结果来看，抛石量对泵送混凝土3 d抗压强度的影响比较小，7 d后抛石混凝土抗压强度增长幅度明显增大，抛石量对28 d的抗压强度的影响较大，但均呈先增后减趋势。与基准混凝土相比，当抛石量为3%～9%时，抛石混凝土28 d的抗压强度增长10%左右；抛石量提高至12%时，混凝土28 d抗压强度增长幅度最大，达到20.7%；继续增加抛石量达15%时，28 d抗压强度增长幅度有所下降，为16.1%；当抛石量为18%时，28 d抗压强度提高率降为11.1%。

从劈裂抗拉强度结果来看，抛石量为3%～15%时，抛石混凝土的劈裂抗拉强度明显增大，与基准混凝土相比，抛石混凝土在抛石量为12%时，其劈裂抗拉强度提高率达到最大，为42.8%；继续增加抛石量到18%时，混凝土劈裂抗拉强度与基准混凝土持平。这可能是因为过多的抛石挤压了水泥浆体的空间，没有足够浆体包裹所有骨料，粘聚性不够，使其无法很好地完成联结骨料的使命，导致劈裂抗拉强度大大下降[3]。拉压比可以有效地反应混凝土的变形性能与韧性，表2中结果显示，基准混凝土的拉压比最低，掺加抛石后的混凝土拉压比明显增大。综合各项力学性能结果，建议本文所研究的C40泵送混凝土最佳抛石掺量在12%左右。

3.2 不同抛石量对泵送混凝土结构的影响

泵送混凝土运输方便，施工快，是目前广泛应用的混凝土。为了保证其有足够的流动度往往会大量掺入胶凝材料，这些胶凝材料产生了大量浆体，料浆易泌水，导致石子悬浮在水泥浆体中，无法有效堆聚在一起，使混凝土的强度大大降低。抛石就是为了将泵送混凝土中已经完成其使命的悬浮结构转化为堆聚结构，一般来说，混凝土成型后，大而重的粗骨料会慢慢向底部聚集，而混凝土表面都是水泥浆体,容易产生泌水，所以通过干燥的抛石来降低混凝土界面过渡区的水灰比，让表面的水泥浆体也可以包裹骨料，既提高了混凝土强度，又可以防止因水泥浆过多而发生开裂现象[4-7]。

本部分试验是将掺不同抛石量的混凝土养护至28 d后剖切，观察抛石粗骨料在混凝土内部的堆聚情况，进而分析不同抛石量对泵送混凝土结构的影响。制备不同抛石量的混凝土试件后，养护至28 d，进行剖切，观察粗骨料在混凝土内部的堆聚情况。剖切时，沿着制作混凝土试块时的竖直方向剖切，以便有效观察粗骨料在抛石混凝土中顶部与底部的具体结构，各试件的剖面结构图如图1所示。

观察图1可知，当未掺抛石时，混凝土上部几乎没有粗骨料的堆聚，只有少量碎石悬浮其中，所以不能形成良好的强度骨架；基准混凝土界面过渡区石子过少、水泥浆体过多，且存在大量的气泡，石子悬浮在浆体中，体积稳定性很差，无法形成强度等级较高的堆聚结构，硬化体容易开裂[6]。而随着抛石掺量的增多，混凝土的界面过渡区逐渐被粗骨料嵌锁堆积，形成了良好的堆聚形态，水泥浆体也肉眼可见地减少，可以充分发挥石子强度高的优势。但过高的抛石掺量(如18%)，粗骨料则过于密集，挤压水泥浆体的空间，水泥浆体无法完全包裹石子。综合比较而言，当抛石掺量为9%～15%时，可以有效地将悬浮结构改变为堆聚结构，改善混凝土的性能。

图1 不同抛石掺量的混凝土剖面情况

4 工地试验

从工程应用角度出发，本部分通过在苏州某工地上成型抛石混凝土平板试验来进一步探究抛石对泵送混凝土强度和结构的影响。在试验中，成型混凝土平板的位置选择采光良好、天气晴朗时能够较长时间暴露在日光下的位置。

试验时直接采用市售的C35泵送混凝土(其配比见表3)分别浇筑成8 m×1 m×0.2 m的基准混凝土平板和抛石混凝土平板，其中用作抛石的粗骨料为5～25 mm的瓜子片，抛石掺量依靠现场施工员的经验添加，质量为300～350 kg，换算为质量百分比为7.8%～9.1%。抛石混凝土平板浇筑时，模板中未完全浇满，而是预留出约2 cm的空间用于加入抛石。待泵送混凝土浇筑完毕，将抛石均匀分布在混凝土表面，然后翻搅表层混凝土，使其能够有效进入混凝土的平板体系中，最后抛石混凝土平板和基准混凝土平板采用同样的施工工艺振实并且抹面。随后两块混凝土平板均按照工地施工的工艺流程进行浇筑和养护。

表3 工地C35泵送混凝土配合比 kg/m3

在成型后的48 h内，每12 h观察一次平板表面的开裂情况，记录10 cm或10 cm以上的裂缝数量，具体结果见表4。

表4 混凝土平板随龄期(48 h内)发生开裂情况

由表4结果可知，成型12 h内，基准混凝土平板就大量开裂，>10 cm的裂缝达到了13条，而掺入了抛石的混凝土平板则稳定得多，只有两条10 cm以上的裂缝；由于混凝土平板是在傍晚成型的，所以12 h后两块平板都受到了阳光的暴晒，基准混凝土平板又增长5条裂缝，而抛石混凝土平板只增长了2条；到36 h时，基准平板和抛石平板各增加了2条裂缝；在成型时间达到48 h时，基准平板的裂缝依然在增长，反观抛石混凝土平板，裂缝数量则不再增加。另外，在观测过程中还发现基准混凝土平板的表面裂缝明显长于抛石混凝土平板表面的裂缝，且裂缝宽度也较大，而基准混凝土平板中<10 cm的小裂缝也较多，小裂缝的密度也高于抛石混凝土平板。综合来看，在泵送混凝土浇筑后再抛填粗骨料的方式可以有效地改善流态混凝土的抗裂性能。

待工地施工进度达标后(时间为18 d龄期)，分别对抛石混凝土平板和基准混凝土平板进行钻芯取样(试样为直径100 mm、高100 mm的圆柱体)，用于强度测定和观察抛石对平板结构影响。测得基准混凝土平板18 d钻芯强度为28.8 MPa、抛石混凝土平板18 d钻芯强度为33.23 MPa，泵送混凝土施工后抛填9%的粗骨料后其强度能提高15%左右。钻芯试样破坏前后形貌图如图2所示。

图2 岩心试样破坏前后对比

观察钻芯样破坏前的截面可以看出：未掺抛石的混凝土试块中骨料分布较为分散，在试件上半部的骨料分布偏少，骨料与骨料之间存在一定接触，但未能形成完整的骨架，受压破坏后的形状类似“I”字型[8]。掺加抛石的混凝土试件表面(尤其是上半部分)骨料较为密实，细小的骨料填充在大颗骨料之间，形成了紧密的堆聚结构，并且受压破坏后的形状与前者完全不同，表现为试块侧面有条状外壳剥落，试块内部结构并未受影响。

5 结论

掺入抛石可以提高混凝土强度，不同抛石量的混凝土强度均比基准混凝土高，强度随抛石量上升呈现先增后减趋势，当抛石量达到12%时，混凝土28 d抗压强度达到最大值57.1 MPa，较基准混凝土提高了20.7%；劈裂抗拉强度达到7.10 MPa；此时混凝土的力学性能最好。

掺入抛石可以改变混凝土的结构。掺入抛石后，降低了界面的水灰比，水泥浆体将粗骨料联结，石子堆聚形成粗骨料嵌锁型混凝土，改善了泵送混凝土的结构。

在流态的混凝土施工后掺入抛石，有效地改善了其强度与结构，早期(48 h内)开裂现象明显得到了缓解，同龄期下抛石混凝土平板的钻芯强度可提高15%以上。