初始强度对抛石混凝土强度和结构的影响★

姜正平，章耀东，宋旭艳，乔 波，郜志海

(1.苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215011; 2.中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司，上海 200070; 3.苏州第一建筑集团有限公司，江苏 苏州 215123)

硬化混凝土结构中，砂石骨料的强度、体积稳定性和耐久性远远大于作为混凝土中“胶黏剂”的水泥石。在黏结充分的情况下，水泥石的质量越高、数量愈少混凝土整体的性能就愈好。骨料级配良好、数量合适，则硬化混凝土中骨料呈堆聚结构，合适数量的优质水泥浆将堆聚结构间隙填满、黏牢，这是最合理的结构。混凝土不但强度高，而且体积稳定性好，不易开裂，耐久性好。但施工性能可能无法满足大流动性泵送要求。现在广泛使用的泵送混凝土，为了泵送流动度的需要，大量掺加粉煤灰等掺合料、提高砂率，使混凝土中浆体数量大增，石子基本悬浮于浆体中间(悬浮结构)，无法形成石子的堆聚骨架。而大量细料组成的浆体体积稳定性很差，极易开裂，补救措施不到位极易造成耐久性问题[1-3]。本文即研究“悬浮结构”在完成其泵送施工使命后，通过抛填骨料的方式研究其力学性能和剖面上粗骨料的堆聚状况。

1 原材料

选用安徽海螺集团有限责任公司生产的P.Ⅱ52.5水泥，密度为3.05 g/cm3,比表面积为3 410 cm2/g，初凝与终凝时间分别为100 min和165 min。选用粉煤灰作为矿物掺合料，经测得粉密度为2.0 g/cm3，比表面积为3 410 cm2/g，强度影响系数为0.75。

细骨料为河砂，其含泥量0.4%，细度模数为2.37，属于Ⅱ区中砂。粗骨料选用粒径5 mm～25 mm碎石。

减水剂为江苏建华管桩有限公司提供的1016号减水型高效聚羧酸减水剂，外观呈棕黄色半透明液体。其含固量为40.7%，掺量在0.3%时减水率为29.8%。

2 实验

2.1 设计泵送混凝土

在JGJ 55—2016普通混凝土配合比设计规程的基础上，通过增大用水量、掺加粉煤灰与调整砂率3种方式，设计4种强度等级(C25，C35，C45，C55)且坍落度为180 mm～220 mm的大流动性混凝土来模拟施工使用的泵送混凝土。设计过程中：用水量在坍落度为90 mm时单方用水量195 kg的基础上，按照每增大20 mm坍落度增加5 kg单方用水量的方式，调整单方用水量至222.5 kg；用30%的粉煤灰来替代水泥，增加其流动性；砂率则略微增大至40%，设计预期坍落度在200 mm左右。为保证不同强度混凝土之间有较好的可比性，本文中所设计的混凝土保证其他参数均不变，仅通过改变胶凝材料和骨料的用量来改变混凝土的强度。计算得到的配合比需进行适配和调整，至坍落度符合要求后方可使用。设计出的4种强度的混凝土配合比如表1所示。

表1 4种强度混凝土配合比

配制混凝土的坍落度根据GB/T 50080—2016普通混凝土拌合物性能试验方法标准进行测定。混凝土试块的抗压强度和抗拉强度根据GB/T 50081—2016普通混凝土力学性能试验方法制备100 mm×100 mm×100 mm的试块进行测定。

2.2 制备抛石混凝土

首先将设计混凝土配比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 mm～10 mm的空余，以防止添加抛石后大量水泥浆体被挤出试模。

随后将事先准备好的用作抛石的各掺量粗骨料分别置于混凝土试块表面，使用手持平板振动器一边振动一边将抛石压入混凝土试块中。加入抛石开始振动时，需要小心缓慢的将抛石压入，避免表面的水泥浆体流失过多过快。如果试块表面的浆体流失过快，会使得还未进入试块体系内部，处于悬浮状态的抛石随着被挤出的水泥浆带出混凝土试块，导致抛石实际掺量降低。而且如果试块表面的水泥浆体流失过多，还会导致新加入的抛石无法完全被水泥浆浸没，不能完全融入混凝土体系中，导致结果出现偏差。

其中，手持平板振动器的振动时间不固定，需持续振动至抛石表面完全被水泥浆体浸没，而且持续振动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，自混凝土开始搅拌起最迟不得超过15 min。

另外，为了有可比性，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，进而放入标准养护室进行养护。

3 结果与讨论

3.1 抛石对混凝土力学性能的影响

在各强度等级的泵送混凝土中分别抛填不同掺量的粗骨料后制备成抛石混凝土，养护至需要龄期后测其抗压强度和劈裂抗拉强度，结果见表2～表5。其中，抛石量以各强度等级设计配比中的混凝土总量计。

表2 C25混凝土力学性能

表3 C35混凝土力学性能

表4 C45混凝土力学性能

表5 C55混凝土力学性能

根据各强度的3 d抗压强度提升率来看，不同的抛石掺量对各强度混凝土均有小幅提高的作用，且抛石掺量越高，强度提高率也越高。但是7 d与28 d的抗压强度则有所不同，大多数配比样在抛石掺量逐渐提高的情况下，强度提升率出现先增长，随后开始下降的情况。只有C55混凝土会随着抛石掺量提高而增加强度提高率，在C25抛石掺量达到12%，C35，C45抛石掺量达到15%时，强度提升率反而有所降低，但相比于未抛填粗骨料的基准混凝土而言，其强度仍有一定提升。

不同抛石掺量对于混凝土的早期强度均有提升，这是因为水泥水化初期的强度远低于骨料，因此早期混凝土强度的高低主要取决于水泥石尤其是界面处水泥石强度的发展。掺加抛石后，干燥多孔的骨料能够吸收水泥浆料中多余的水分[4-6]，从而降低两者界面处水灰比，减少骨料与水泥石界面处的微区泌水现象，提高界面处水泥石的强度和密实程度[7]，因此不同的抛石掺量均能够提高混凝土的早期抗压强度。

当混凝土试块养护至7 d后，抛石掺量不同的差异得以体现。随着抛石掺量的增加，试块内部骨料堆聚程度逐渐开始紧密，逐渐形成嵌锁的结构。此时混凝土试块受压后，较多的粗骨料能够延缓界面裂缝的扩张，并且形成接触骨架的骨料部分也能够对混凝土试块的开裂起到一定的抑制作用。如果骨料含量过高，会导致骨料间的水泥浆料过少，不能起到足够的黏结效果甚至不能充分包裹骨料表面，因此反而会导致强度的倒缩。

各混凝土体系中抛填粗骨料后，其力学强度均有提高，具体提升率见表6。根据表6中28 d结果来看，抛填粗骨料后体系抗压强度提升率均能达到10%以上。其中，C25在抛石掺量9%时提升最高，提升率为11.7%；C35和C45混凝土在抛石掺量12%时提升最高，提升率分别为21.7%和26.0%；C55混凝土在抛石掺量15%时提升最高，提升率为18.4%。纵向对比同一强度不同抛石掺量的试块，其抗压强度均有随抛石掺量的增大先增大，后降低的趋势，但抛填粗骨料后体系强度仍然比基准混凝土要高。混凝土的劈裂抗拉强度增长趋势也大致如此，并且抛填粗骨料后体系抗拉强度的提升最为明显，提高率最高达到了45.9%。抗拉强度的提高率大于抗压强度的提升率，使得混凝土的拉压比有所提升，对改善混凝土的脆性问题有所帮助。

表6 掺加抛石后混凝土强度提高率

3.2 抛石混凝土中骨料堆积情况分析

成型用于力学性能测定的混凝土试件时，按同样方法额外制备了相同配比的抛石混凝土试件，待养护至28 d后进行剖切，进而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。4种强度等级混凝土随抛石掺量变化剖面图见图1～图4。

根据图1可以看出，未抛石混凝土中粗骨料均匀分布在试块的各个部分，试件中有若干大孔洞，大多位于粗骨料下方，试块顶部无骨料的浮浆层较薄。抛石掺量提高到9%和12%时，粗骨料堆聚程度加大，骨料相互接触的方式除了点对点接触还有面对面接触，后者的骨料间水泥部分较少，而且试块中孔洞增多增大。

根据图2可以看出，未抛石混凝土中的粗骨料之间基本没有相互接触，只有少量小粒径的碎石与其他骨料颗粒有所接触，在试块的左上角有一小块区域几乎没有骨料，而且石块中分布着大量微小的气孔。从抛石掺量为9%的试块剖面可以看出，粗骨料已经布满混凝土试块中，粗骨料之间已有明显的接触，气孔总量大幅减少[8-10]。抛石掺量提高至12%时，粗骨料的堆聚越来越紧密，绝大部分骨料都至少紧挨着相邻的其他骨料，骨料已有明显的堆聚骨架的形貌。抛石掺量进一步提高至15%时可以看出，剖面中骨料已占据大部分混凝土截面，骨料之间十分紧密，并且可以看出试块顶端被上层的粗骨料顶起，已无法像其他混凝土试块一样维持平整光滑。

从图3中可以看到试块表面浮浆层不明显，但试块上部可以观察到多个无粗骨料的纯水泥区域，孔洞以细小气孔为主。抛石掺量9%时，粗骨料之间基本能相互接触，并开始分布在试块的各个部分中。抛石掺量增加到12%时，大多数粗骨料之间都能相互接触，试块中的孔洞较少。抛石掺量进一步提高至15%时，粗骨料之间已完全接触，形成的骨料骨架一直延伸至试块的表面。

从图4中可以很明显的看到试块表面有一层浮浆区域，只有水泥浆体，骨料含量较少。未抛填粗骨料的混凝土中浮浆层十分明显，厚度也极大，顶部有将近20%的区域是完全没有骨料的浮浆，浮浆层下部至试块中部骨料含量较少，这些骨料以小粒径的骨料占多。抛石掺量9%时，试块上半部分的浮浆层厚度降低，新掺入的骨料能够与原先底部的密实骨料紧密堆聚。抛石掺量提高至12%时，浮浆进一步减少，在试块表层已不再只有浮浆，也有少量骨料，骨料在试块中分布逐渐均匀，较小的骨料颗粒与其他骨料的接触有所降低，但是粗骨料之间仍有不少接触。抛石掺量进一步提升至15%时，下层的骨料堆聚变回原先紧密的状态，试块表层的骨料含量小幅提高，仍有少量浮浆存在。

4 结语

在掺量不过量(≤15%)的前提下，抛石掺量越高，同强度的混凝土抗拉、抗压强度越高，且抗拉强度的增长幅度明显大于抗压强度，能够提高混凝土的拉压比，改善混凝土的脆性开裂。与相同强度的未抛填粗骨料混凝土相比抗压强度和劈裂抗拉强度分别可提高25%和45%左右。初始强度越高，混凝土中浆料越多骨料越少，改善结构所需要掺加的抛石更多。抛石的最佳掺量会根据混凝土的初始强度不同而发生改变，混凝土初始强度等级在C25～C55之间时，适宜的抛石量为9%～15%。