自密实混凝土中砂浆与粗骨料的离析趋势

蔡基伟，曹鑫*，李朋，贾翔宇，王贺月，李汶晋

（河南大学循环与功能建材实验室，河南 开封 475004）

0 引言

自密实混凝土（SCC）给施工带来极大便利，近年来在工程中的应用逐渐增多。自密实混凝土是一种具有诸多优点的高性能混凝土，应用前景非常广阔，但迄今尚无一致认同的离析程度测定方法[1]。对自密实混凝土离析程度的表征方法，还存在无法量化、模糊等问题，绝大多数仍以目测作为唯一手段。自密实混凝土的离析和泌水问题尚未得到重视[2]，目前对自密实混凝土离析和泌水的研究较少。而离析和泌水对混凝土的匀质性、强度和耐久性都会造成影响，也是造成混凝土不均匀收缩的内在因素[3]。本文拟通过测试拌合物试体中特征点表观密度及粗骨料含量，用石子分布梯度和拌合物密度梯度等参数表征自密实混凝土的离析程度，探索自密实混凝土中砂浆与粗骨料的离析趋势。

1 试验原材料与方法

1.1 原材料

（1）水泥：配制 A 组和 B 组混凝土所用水泥为P·F32.5 水泥，密度 2.96g/cm3；配制 C 组混凝土所用水泥为 P·O42.5 水泥，密度 3.04g/cm3。

（2）粉煤灰：为 Ⅰ 级粉煤灰，密度 2.30g/cm3。

（3）细骨料：采用两种河砂掺配，掺配后表观密度 2600kg/m3，含泥量 7.7%，细度模数 2.45，级配见图1(a)。

（4）粗骨料：为 5～20mm 连续级配碎石，表观密度 2740kg/m3，含泥量 0.08%，级配见图 1(b)。

（5）外加剂：采用聚羧酸系高性能减水剂（母液），掺量为 0.6%～0.7%，减水率为 25% 左右，引气量为 2%～3%。

1.2 试验方法

图1 骨料的级配曲线

1.2.1 试验方案

考虑到强度等级较低的混凝土胶凝材料相对较少，拌合物离析的可能性较大，因此用 P·F32.5 水泥分别配制 C20（A 组）和 C30（B 组）自密实混凝土，用P·O42.5 水泥配制 C30 自密实混凝土（C 组）。每组再分别设计三个坍落扩展度目标值（700mm、650mm 和600mm），共九个试样。各试样的单位用水量、水灰比和减水剂掺量均相同，粉煤灰作为掺合料和补充粉料。依据相关标准[4,5]设计具体配合比，见表 1。

表1 自密实混凝土试验配合比

1.2.2 拌合物表观密度和石子含量的测定

提起坍落度筒混凝土流动停止后，按图 2 所示特征点取样。混凝土试体的中心顶部为上点（2 点），中心底部为下点（0' 点），中心下部为中心点（0 点），靠近边缘的为边点（1 点）。

图2 混凝土取样示意图

1.2.2.1 各特征点表观密度的测定

（1）用 100mL 自制容量筒（内径 50mm、净高50mm）分别在 2 点和 0' 点取拌合物试样，称重并计算拌合物表观密度。

（2）用 1L 标准容量筒在中心点（0 点）取 1L 拌合物，在边点（1a、1b 连同其垂直方向另外两点共四点各取约 1/4）共取 1L 拌合物，称重并计算拌合物表观密度。

1.2.2.2 中心点及边点石子含量的测定

在上步用 1L 标准容量筒测定拌合物表观密度后，将试样过 5mm 筛，洗净无明水后，称取筛上石子质量。石子质量与容量筒净体积之比即得石子含量。

1.3 离析表征参数

如果把单位距离内密度差异定义为密度梯度，则可按式 (1)～式 (3) 定义拌合物径向密度梯度（γx）、石子径向分布梯度（γgx）与拌合物竖向密度梯度（γy）。径向和竖向点间距分别简化为混凝土流动停止后扩展面的半径（中心到边缘）和混凝土试体高度（顶点到地面）。径向梯度方向以扩展方向（0 点到 1 点）为正值，竖向梯度方向以坍落方向（2 点到 0' 点）为正值。

式中：

ρ0(ρ0’), ρ2, ρ1——混凝土试体中心点（下点）、中心上点和边点表观密度，kg/m3；

mg0,mg1——中心点和边点石子含量，g/dm3；

Sl, Sf——坍落度和坍落扩展度，mm；

γx, γy, γgx——拌合物径向密度梯度、竖向密度梯度和石子径向分布梯度，g/dm4。

2 结果与讨论

2.1 自密实混凝土的基本性能测试结果

按照表 1 中配合比试配混凝土，基本性能测试结果如表 2 所示。

表2 自密实混凝土的基本性能测试结果

由表 2 数据可知，各组自密实混凝土性能指标基本满足规范[5]要求。

2.2 自密实混凝土的离析表征参数

按图 2 所示方法取样，计算相应的表观密度（ρi）和石子含量（mgi），按式 (1)～式 (3) 计算各梯度值，详细数据见表 3。

表3 各特征点表观密度、石子含量及其梯度值

表 3 中的梯度数据多数为正值，个别为负值。径向密度梯度 γx为正值时，说明混凝土流动停止时，混凝土试体中心点表观密度大于边点；反之，说明中心点表观密度小于边点。竖向密度梯度 γy为正值时，说明混凝土坍落停止时，混凝土试体顶层表观密度大于底层；反之，说明顶层表观密度小于底层。石子径向分布梯度γgx始终为正值，说明混凝土流动停止时，混凝土试体中心点石子含量一直多于边点，或者说边缘石子含量一直少于中心位置，即石子由中心沿半径方向的扩散速度始终小于砂浆的扩展速度。

2.3 自密实混凝土离析程度的划分指标

对拌合物径向密度梯度（γx）、竖向密度梯度（γy）和石子径向分布梯度（γgx）作正态分析，可得到三个梯度值的正态分布图。由于自密实混凝土坍落度很大，流动停止后混凝土试体的上点（2 点）和下点（0'）只能用小容量筒（100mL）取样，拌合物试样代表性较差，γy计算结果与目测结果稍有偏差。在边点（1a、1b 等）取样时，个别试样由于泌水原因而取样的可靠性较差，引起 γx计算结果与目测结果存在偏差。比较而言，石子径向分布梯度（γgx）较为准确可靠，并且与目测结果一致（如图 3），因此首先考虑以石子径向分布梯度（γgx）为划分自密实混凝土离析程度的指标。

图3 石子径向分布梯度统计分析图

由图 3 可知，石子径向分布梯度（γgx）的均值μ=20.56，均值左右基本对应于目测离析程度的“轻微离析”；均值减去一个标准差后 μ-σ=8.53，γgx＜μ-σ 时基本对应于目测的“不离析”；均值加上一个标准差后 μ+σ=32.59，γgx≥μ+σ 时基本对应于目测的“严重离析”。为便于应用且易于分级，本文以石子径向分布梯度每增加 10g/dm4升高一级，即 γgx＜10g/dm4为“不离析”（0 级）；10g/dm4≤γgx＜20g/dm4为“轻度离析”（1 级）；20g/dm4≤γgx＜30g/dm4为“中度离析”（2 级）；30g/dm4≤γgx＜40g/dm4为“重度离析”（3级）；γgx≥40g/dm4为“极度离析”（4 级）。

自密实混凝土坍落扩展过程中，混凝土试体不停地变形，拌合物径向密度梯度（γx）与石子径向分布梯度（γgx）存在明显相关性（如图 4）。

图4 各梯度值间的关系

由图 4 可以看出，当拌合物离析程度较轻（γgx＜15g/dm4）时，上层石子含量略多，同时边点表观密度略大于中心点，这是由于拌合物偏粘，石子下落阻力较大，多数随砂浆水平移动，边点取样时水分取不上来而对拌合物表观密度测试值影响较大。当混凝土存在明显离析（γgx＞15g/dm4）时，混凝土粘聚性越差，石子水平移动速度越小于砂浆移动速度，混凝土试体边点密度越小于中心点密度；同时由于粘聚性较差，石子下落阻力较小，上层密度越来越小、下层密度越来越大。鉴于此，可以将拌合物径向密度梯度（γx）作为划分离析程度的次要指标。

2.4 自密实混凝土离析因素分析

自密实混凝土拌合物扩展面直径达到 500mm 的时间（T500）对竖向密度梯度（γy）影响较明显，相关性较好（如图 5）。

图5 竖向密度梯度（γy）与 T500 的关系

由图 5 可以看出，T500≈5s 为明显突变点，当 T500＜5s 时，拌合物粘度过小，石子下降阻力较小，引起上层密度减小；T500略大于 5s 时，拌合物粘度略有增加，而砂浆扩展速度仍然很快，石子下落时间较短，上层密度相对较大；随着 T500进一步增加，拌合物越来越粘，石子趋于随砂浆整体流动，竖向密度梯度逐渐趋于0。

拌合物径向密度梯度（γx）和石子径向分布梯度（γgx）与坍落度（Sl）存在一定相关性（如图 6），而与坍落扩展度（Sf）的关系不甚明显。

图6 径向梯度（γx 和γgx）与坍落度（Sl）的关系

由 6 可以看出，随着坍落度的增加，拌合物径向密度梯度（γx）和石子径向分布梯度（γgx）逐渐增加，即影响混凝土坍落度的因素，同时作用于径向梯度（γx和γgx），坍落度越大，混凝土中砂浆与粗骨料离析的趋势越明显。

图5 和图 6 所示的影响图素都是表象因素，并不是内在因素。在自密实混凝土试样配合比设计中，由于固定了单位用水量、水粉比和外加剂掺量等参数，在屏蔽这些参数影响的条件下，自密实混凝土离析程度与砂浆表观密度（ρm）存在一定关系（如图 7）。

图7 砂浆表观密度（ρm）对混凝土离析的影响

由图 7 可以看出，砂浆表观密度较小时，拌合物径向密度梯度（γx）和石子径向分布梯度（γgx）较大，即混凝土试体中心密度较大（石子含量较多）、靠近边缘的密度较小（石子含量较少）。竖向密度梯度（γy）随砂浆表观密度（ρm）的变化趋势与径向梯度不全相同，砂浆密度适中（ρm=2100～2120kg/m3）时，拌合物均匀性良好，竖向密度梯度（γy）很小；ρm＜2100kg/m3时，水胶比相对较大，胶凝材料相对较少但Ⅰ级粉煤灰掺量较大，因而浆体流动性较大，上层拌合物中的浆体分离趋势较强，骨料移动较慢，造成拌合物上层密度大于下层密度；ρm＞2120kg/m3时，水胶比相对较小，胶凝材料相对较多，同时砂浆中砂的体积分数也较大、粗骨料体积率较小，石子下沉阻力较大，拌合物上层密度也会大于下层。由于混凝土坍落度大，只得用小容器取样，试样代表性差，数据有些离散。

3 结论

针对 C20～C30 自密实混凝土，基于坍落扩展度试验中特征点拌合物的表观密度与石子含量，关于自密实混凝土中砂浆与粗骨料的离析趋势，得出如下初步结论：

（1）以石子径向分布梯度（γgx）表征自密实混凝土的离析程度较为准确可靠，宜作为主要划分指标。γgx＜10g/dm4时划为“不离析”（0 级），γgx每增加10g/dm4则依次升高为“轻度离析”（1 级）、“中度离析”（2 级）、“重度离析”（3 级）和“极度离析”（4 级）。

（2）自密实混凝土径向密度梯度（γx）与石子径向分布梯度（γgx）的相关性很高，径向密度梯度（γx）可作为划分自密实混凝土离析程度的次要指标。

（3）当自密实混凝土明显离析（γgx＞15g/dm4）时，拌合物粘聚性越差，石子水平移动距离就越落后于砂浆，越靠近边缘，拌合物表观密度就越小。

（4）从表象上看，自密实混凝土拌合物扩展面直径达到 500mm 的时间 T500≈5s 为竖向密度梯度（γy）的突变点，T500≤5s 时，拌合物极易发生分层；随着 T500的增加，拌合物越来越粘，石子趋于随砂浆整体流动，离析趋势减弱。因此，配制自密实混凝土时，要尽可能使 T500在 6s 以上。

（5）影响混凝土坍落度的因素同时作用于拌合物径向密度梯度（γx）和石子径向分布梯度（γgx），坍落度越大，混凝土中砂浆与粗骨料离析的趋势就越明显。

（6）砂浆表观密度是影响自密实混凝土离析的内在因素，C20～C30 自密实混凝土中砂浆适宜的表观密度大致为 2100～2120kg/m3，此时拌合物均匀性良好；砂浆表观密度偏小时，混凝土扩展面中心石子含量较多、拌合物表观密度较大，靠近边缘的石子含量较少、拌合物表观密度较小；砂浆表观密度偏大时，同样会产生离析。