嵌锁密实水泥混凝土及其工作性

崔晓腾 马强巴

水泥混凝土是当代用量最大、用途最广、最重要的建筑材料之一，广泛应用于工业与民用建筑、交通、水利、军事及海洋工程等领域。水泥混凝土作为一种由粗细集料、水泥、水、外加剂等组成的多相复合材料，不同相的性质及其相互作用均影响混凝土的性质。本研究以充分发挥粗集料作用为出发点，从水泥混凝土多相分散系的角度，在粗集料形成嵌锁骨架结构的基础上，提出嵌锁密实水泥混凝土，引入集料填充比和水泥净浆填充比，表征粗集料、细集料和水泥净浆在混凝土中的作用;通过水泥混凝土坍落度试验，分析水灰比、砂率、水泥净浆填充比等对嵌锁密实水泥混凝土工作性的影响，为混凝土配合比设计与应用提供依据。

1 嵌锁密实水泥混凝土

水泥混凝土是一种多相复合材料，不同相的性质及其相互作用均影响混凝土的性质，综合“中心质假说”、架构混凝土等思想，从宏观、细观和微观多相分散系的角度，把水泥混凝土分解为混凝土、砂浆和水泥净浆三个体系。从水泥混凝土多相分散的角度，提出水泥混凝土粗集料的嵌锁骨架结构和嵌锁密实水泥混凝土。

1.1 粗集料嵌锁骨架结构

为了表征粗集料的级配组成结构与集料颗粒之间的关系，引入集料填充体积比(简称集料填充比)参数，定义为填充颗粒的振实体积与骨架颗粒振实剩余空隙体积的比值，即:

其中，Tij为集料填充比，%;Vi为填充颗粒振实体积，L;Vj为骨架颗粒振实体积，L;voj为骨架颗粒振实空隙率，%。

1.2 嵌锁密实水泥混凝土

嵌锁密实水泥混凝土定义为:在粗集料嵌锁骨架结构的基础上，利用砂及其空隙填充主骨架的剩余空隙，使集料混合后的空隙率最小，且比表面积也不大;进一步用水泥净浆填充砂石混合料的剩余空隙，裹覆砂颗粒表面，并与砂组成水泥砂浆裹覆粗集料颗粒表面，形成充分密实，满足强度要求，且具有一定流动性的混凝土。嵌锁密实水泥混凝土中，砂的作用主要是填充粗集料骨架的剩余空隙，并与水泥净浆一起裹覆粗集料颗粒表面，其用量应是:充分填充粗集料骨架空隙，但不影响或尽可能少影响粗集料骨架结构，使砂石混合料的空隙率最小;预留一定的富余，用于与水泥净浆一起裹覆粗集料颗粒表面，保证颗粒粘结力和提高混凝土流动性。配合比设计中仍采用砂率表征。

2 水灰比对嵌锁密实水泥混凝土工作性的影响

水灰比与混凝土坍落度的关系如图1，图2所示，图中(0.30，1.75)系指砂率0.30、水泥净浆填充比1.75，其他类似。

由试验结果可知，在一定的砂率和水泥净浆填充比下，混凝土坍落度均随着水灰比的增大而近似线性增大，变化趋势并不受砂率和水泥净浆填充比的影响。相同砂率与水泥净浆填充比下，水灰比越大，水泥净浆越稀，混凝土的流动性越好，这与已有相关研究结论一致。同时，相同砂率下，坍落度的变化斜率随着水泥净浆填充比的增大而增大，或者说同一水灰比下，水泥净浆填充比大的新拌混凝土的坍落度大。

3 砂率对嵌锁密实水泥混凝土工作性的影响

总体而言，砂率与坍落度的关系受水灰比和水泥净浆填充比的影响较大。首先，随着水灰比的增大，坍落度随砂率的变化趋势由上凸抛物线形逐渐过渡为波动单调增大。其次，相同水灰比和相同砂率下，坍落度随水泥净浆填充比的提高而增大，这与前面分析相同，但当水灰比较大(如水灰比为0.51，0.57)时，这种关系波动较大。当水灰比相对较小(如0.42，0.45)，水泥净浆填充比固定的情况下，随着砂率的提高，开始时砂主要起填充作用，坍落度逐渐增大，但当砂率提高到一定程度后，集料的总表面积增大，吸水作用明显，且集料总表面积裹覆的水泥净浆增多，在不增大水泥净浆填充比的情况下，会使混凝土变得干涩，坍落度将随砂率的提高而减小。砂率存在一个坍落度达到最大的最佳值，约为0.34～0.35，这与严家推荐的合理砂率值接近。此时，若增大水泥净浆填充比，则混凝土坍落度会继续增大，如水灰比为0.45、水泥净浆填充比为2.1时。

4 水泥净浆填充比对嵌锁密实水泥混凝土工作性的影响

水泥净浆填充比与坍落度的关系如图3，图4所示。

由图 3，图4可见，相同砂率和水灰比下，混凝土的坍落度均随水泥净浆填充比的提高而近似线性增大。

5 嵌锁密实水泥混凝土坍落度计算

前述分析得出，嵌锁密实水泥混凝土工作性主要依赖于水灰比和水泥净浆填充比。考虑到在固定砂率下，坍落度与水灰比、水泥净浆填充比均有良好的线性关系，利用式(2)线性模型对坍落度、水灰比、水泥净浆填充比进行回归，结果见表1。

其中，SL为坍落度，mm;W/C为水灰比;Tc为水泥净浆填充比;a，b，c均为回归系数。

表1 水灰比、水泥净浆填充比与坍落度回归结果

为了验证回归关系式的可靠性，将砂率在0.30～0.37之间的159组混凝土坍落度实测值与回归公式计算值对比分析得出，满足水泥混凝土坍落度允许波动范围15 mm要求的约占90.6%，表明回归公式可以满足工程应用要求。

6 结语

1)以充分发挥粗集料作用为出发点，从多相分散系角度，提出了水泥混凝土粗集料的嵌锁骨架结构和嵌锁密实水泥混凝土，并引入集料填充体积比和水泥净浆填充比参数，明确了粗集料、砂和水泥净浆在混凝土中的作用。2)坍落度试验分析得出，水灰比、砂率、水泥净浆填充比对嵌锁密实水泥混凝土工作性有明显影响，且相同砂率下，坍落度与水灰比、水泥净浆填充比有良好的线性关系;回归得出了嵌锁密实水泥混凝土坍落度计算公式，对比分析表明，可以满足工程应用要求。

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