基于平均液层厚度的自密实混凝土流变性能机理研究*

黄锐新，陈嘉健

(佛山科学技术学院 土木工程系，广东 佛山528000)

自密实混凝土的优越性能逐渐被土木行业所认可，其工作性能尤其重要，在实际施工过程中起着不可或缺的作用。工程上用得最多的测试工作性能的三个评价标准分别是：(1)流动性能；(2)间隙通过性；(3)抗离析性[1-5]。三个评价标准中的流变性能是自密实混凝土工作性能的重中之重，其测试方法也有很多种，但现在国际上还没有一个特定的测试自密实混凝土工作性能的标准方法，本文使用坍落扩展度及V型流动仪两个试验分别从静态和动态两个角度展开对自密实混凝土的流变性能研究。此外，平均液层厚度被香港关国雄团队认为是影响砂浆及水泥浆流动性能的关键影响因素之一，该团队通过研究用水量、堆积密度和固相颗粒表面积对净浆、砂浆和混凝土流变性能的影响找出彼此之间的关系[6-8]。本研究通过20组对比试验，基于平均液层厚度理论探究自密实混凝土流变性能机理，揭示了平均液层厚度对自密实混凝土流变性能的影响。

1 试验材料

(1)水泥：海螺牌P·042.5R水泥，密度3143 kg/m3，比表面积365 m2/kg，质量符合现行国家标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)的要求；(2)石子：粒径5～10 mm与 粒径10～20 mm 按1∶1混合；(3)砂：佛山当地河砂，细度模数为2.6，属中砂；(4)减水剂：广东瑞安LS-JS聚羧酸高效减水剂，符合现行国家标准《混凝土外加剂应用技术规范(附条文说明)》(GB 50119—2013)，掺杂量按厂家的建议取1.5%；(5)水：自来水。

表1 水泥的性能指标

2 试验方案

本试验共配制20组试验，按不同的水灰比体积比、不同的水泥浆体积比及砂率进行测量，水灰比体积比为1.05和1.20两大组，水泥浆体积比(水泥、水、减水剂体积之和占混凝土体积比例)为0.34到0.50，以0.04为级差，砂率为0.5和0.6，试块分别以“S-水灰比体积比-水泥浆体积比-砂率”为编号，各项试验的详细配比数据见表2。

表2 各组试验配合比及流变性能

3 填充密度测量及平均液层厚度计算

3.1 填充密度测量方法

填充密度试验采用水测紧密值法[9]，可以反映自密实混凝土固相颗粒间的填充程度，根据试验的固相材料配合比配制试验组，逐渐加入水后看固相材料可以达到的最大填充率，此即为最大填充密度[10-12]。在此状态下，胶凝材料颗粒外层恰好被充分包裹，颗粒之间无空隙。该测试方法考虑到空气、加水量及减水剂的影响，模拟出固相材料在混凝土中的悬浮状态，较以往的干测量法考虑到更多的影响因素，因此更加符合混凝土的实际情况，测量结果更为准确。记已知容积的容器装满试样时的填充率为P[13]，则基于水测紧密值法可以得到以下式子：

M=mc+ms+mw=PVRcρc+PVRhρh+PVRsρs+PVuwρw

(1)

式中：M为砂浆的总质量，V为杯子的容积，mc、ms、mw分别为捶杯试验中水泥、河砂、加入水的质量，Rc、Rs分别为水泥、河砂占固相材料的体积分数，uw为体积水灰比，ρc、ρh、ρs、ρw分别为水泥、滑石粉、河砂、水的密度。由式(1)可以推出

(2)

式中：Vs为固相材料的总体积。整个试验需在新拌砂浆5 min内完成，温度控制在(20±20) ℃。

3.2 平均液层厚度计算方法

计算出各个试验组别的填充密度后，根据以下公式可以计算出平均液层厚度[14-17]：

(3)

We=Vw-Vh

(4)

(5)

A=McSc+MsSs

(6)

式中：T为平均液层厚度We为试样中剩余水体积，A为水泥及河砂等固相材料的总比表面积；Vw为试样的实际用水体积，mL；Vh为颗粒间空隙体积，mL；pmax为固相材料的填充密度，Mc、Ms分别为配合比试验中所用水泥、砂的实际质量，g；Sc、Ss为水泥、河砂的比表面积。

3.3 填充密度与平均液层厚度计算结果

各组的填充密度及平均液层厚度计算结果见表3。从表3中的数据可以得出以下结论：随着水灰比体积比的增大，平均液层厚度也在逐渐增大。这是因为试验配合比中液态水的增加，使得在满足固相材料之间的空隙填充后，剩余水体积过大，故平均液层厚度一直呈现增大的趋势，这与实验中发生的现象相符合。但要提出的是，过大的水泥浆体积比极易出现离析、泌水等现象，即使其平均液层厚度一直在增加，但其混凝土工作性能中有部分测试无法满足规范的要求。

表3 填充密度及平均液层厚度计算结果

4 平均液层厚度对自密实混凝土工作性能的影响

根据表3计算得到的平均液层厚度及表2中流变性能相关数据，分析两者间的相关性。

平均液层厚度对自密实混凝土扩展度的影响见图1。由图1可知平均液层厚度与扩展度之间的相关系数已经达到了0.707，说明平均液层厚度与坍落扩展度之间存在较强的关系，可以认为混凝土的坍落扩展度很大程度上是由平均液层厚度决定的。随着平均液层厚度的增加，坍落扩展度增加得较快，后续当平均液层厚度继续增加时，坍落扩展度的大小趋于平缓。

平均液层厚度对自密实混凝土V型仪流出时间的影响关系见图2。由图2可知，平均液层厚度与V型仪流出时间之间的相关系数已经达到了0.726。随着平均液层厚度的增加，V型仪流出时间会下降，表明平均液层厚度与自密实混凝土的动态流动性能存在较大的关联性，平均液层厚度增大，会增强自密实混凝土的动态流动性。

图1 坍落扩展度随平均液层厚度变化 图2 V型仪流出时间随平均液层厚度变化

5 结论

根据各项流变性能指标与平均液层厚度变化情况关系分析，可以得到以下结论：

(1)平均液层厚度与自密实混凝土坍落扩展度呈正相关，与V型流动仪流出时间呈负相关，两者的相关系数分别为0.707和0.726，表明平均液层厚度与自密实混凝土流动性能之间存在较强的关系，平均液层厚度增大，自密实混凝土的流动性能也会随着增强。

(2)提出的平均液层厚度理论，其结果可以在填充密度测量出来后经式(3)计算得到。随着水泥浆体积比与砂率的变化，平均液层厚度也会呈规律性变化，观察计算得到的平均液层厚度与坍落扩展度及V型仪流出时间的相关程度，可依此判断自密实混凝土的流变性能等各方面的变化趋势，以达到设计、预测自密实混凝土理想工作性能等目的，在设计混凝土配合比的时候可加以参考。