骨料粒径对自密实混凝土流变性、工作性和静态稳定性影响研究

2020-08-12张志超

硅酸盐通报 2020年7期

张志超

(中国土木工程集团有限公司，北京 100038)

0 引言

CRTS Ⅲ型板式无砟轨道是我国具有自主知识产权的一种新型轨道结构[1-4]。其中，充填层自密实混凝土是CRTS Ⅲ型无砟轨道的重要组成部分。与普通自密实混凝土结构不同，CRTS Ⅲ型板式无砟轨道的特殊结构决定了充填层自密实混凝土需要具备更优良的新拌工作性、抗离析性和间隙通过性才能密实填充布满钢筋网的狭长空间[5]。但是，由于配合比以及环境变化的原因，自密实混凝土自身的流动性会受到较大影响，进而发生骨料离析或者体积不密实等现象。除了胶凝体系外，粗骨料的粒径分布对自密实混凝土的流动性具有重要影响[6-8]。研究表明[9]，当砂石体系达到合适的级配时，整个自密实混凝土体系颗粒比表面积能够大大减小，此时体系所需的浆体量最小。骨料堆积的颗粒相互作用如图1所示，粒径较小的骨料通常在外力作用下不易发生沉降，并较为稳定地悬浮在混凝土体系内。当混凝土发生流动行为时，粒径较大的骨料由于惯性作用会对周围骨料产生更大的作用力，从而在宏观上改变混凝土的流动性[10]。综上，选择合理参数范围的粗骨料对提高自密实混凝土新拌工作性具有重要意义。除了工作性和流变性外，静态稳定性也是表征骨料在自密实混凝土内部均匀分布的重要指标[11-12]。为了更好地掌握粗骨料粒径分布对自密实混凝土工作性和静态稳定性的影响，本文通过工作性参数试验、流变参数测试和柱状法测试三种手段研究了自密实混凝土坍落扩展度、扩展时间T500、J环高差、L型仪充填比、屈服应力、塑性黏度和静态离析百分数随骨料最大粒径的变化情况，为混凝土施工质量的控制提供了依据。

图1 骨料堆积的颗粒相互作用Fig.1 Particle interaction in aggregate accumulation

1 实验

1.1 原材料及配合比

采用的水泥为中国联合水泥集团有限公司生产的基准水泥P·Ⅰ 42.5，粉煤灰为F类Ⅰ级，矿粉为S95级。减水剂类型为聚羧酸高效减水剂，由重庆市江津区减水剂厂生产提供，减水率为25.6%。粗骨料粒径分别采用5～10 mm、5～16 mm、5～20 mm和5～25 mm四个粒径区间，含泥量均小于0.4%。试验采用纤维素醚作为自密实混凝土的黏度改性材料，膨胀剂为四川达州川优建材有限公司提供。具体配合比见表1。

表1 自密实混凝土配合比Table 1 Mixture proportions of self-compacting concrete /(kg/m3)

1.2 试验方法

1.2.1 自密实混凝土工作性

(1) 坍落扩展度和扩展时间T500

将坍落扩展度板至于水平地面上，坍落度筒放置在扩展度板中心处，用湿布擦拭坍落度筒和扩展度板的表面。将搅拌均匀的混凝土倒入坍落度筒内，倒入全过程中用脚踩紧筒两边的踏板防止其滑移，待倾倒完毕后，用抹刀刮去上表面多余的混凝土。随后垂直平稳提起坍落度筒，使混凝土自由流淌，记录混凝土扩展度达到500 mm所用的时间以及混凝土不再流动时互相垂直方向的平均直径即为T500和扩展度。

(2) J环障碍高差

J环障碍高差试验和坍落扩展度测试过程相似。在放置坍落度筒至扩展度板中心位置后，将J环套在筒外。提起坍落度筒使混凝土自然流淌至静止状态，测得J环中心顶面至混凝土顶面的高度差Δh，以及J环互相垂直的四个方向顶面与相应混凝土的高度差Δh1、Δh2、Δh3、Δh4。J环障碍高差h按式(1)来计算。

(1)

(3) L型仪充填比

L型仪由前槽(垂直方向)和后槽(水平方向)两部分组成，前槽高度为600 mm，后槽高度为150 mm，前后槽间设置有活动门，门前安装3根长150 mm的φ12 mm光圆钢筋。将L型仪放在水平坚实的地面上，用湿布润湿内壁后把拌和均匀的混凝土倒入L型仪前槽，静置1 min后迅速提起活动门使混凝土自然流淌，待混凝土静止后记录前后槽混凝土的高度，后槽高度与前槽的比值即为L型仪充填比。

自密实混凝土的新拌工作性能应当满足Q/CR 596—2017《CRTSⅢ 型板式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件》，具体参数范围如表2所示。

表2 自密实混凝土工作性参数要求范围Table 2 Requirements for workability range of self-compacting concrete

1.2.2 自密实混凝土流变性能

自密实混凝土的流变性能采用丹麦Germann公司生产的ICAR混凝土流变仪。流变桶内部直径为355 mm，高度为380 mm；转子直径为125 mm，高度为290 mm。测试前先高速搅拌20 s以便排除混凝土触变性对流变参数的影响。随后剪切速率逐级降低，每个扭矩值恒定5 s，具体测试程序如表3所示。

表3 自密实混凝土流变测试程序Table 3 Rheological test procedure of self-compacting concrete

自密实混凝土流变仪的测试原理是基于Reiner-Riwlin方程的计算过程得出的[13-14]。该方程从传感器测试得到的扭矩(T)-转速(N)关系出发，将混凝土视作标准牛顿流体，通过数学推导的方式得到自密实混凝土的屈服应力τ0和塑性黏度μ，如式(2)～(3)所示。

(2)

(3)

式中，Ri和R0分别为转子半径和圆筒半径，G和H分别为T-N直线拟合得到的截距和斜率，a为同轴圆筒流变仪转子浸没在混凝土中的高度。

1.2.3 自密实混凝土静态稳定性

美国的ASTM C1610-14标准采用柱状法[15]来测量并计算得到静态稳定性指标。静态稳定性测试装置如图2所示。首先用湿布润湿圆柱体试模内壁，将两侧阀门打开，在2 min内将混凝土倒入试模内，静置约15 min。随后将阀门关闭，在20 min以内取出圆筒上下两节的混凝土，在4.75 mm方孔筛中将上下节的骨料洗出，再对其进行烘干称量，计算静态离析百分数，如式(4)所示。

图2 柱状法实验装置Fig.2 Experimental apparatus of column method

(4)

式中，s为混凝土静态离析百分数(%)，m1为下层混凝土骨料质量(kg)，m2为上层混凝土骨料质量(kg)。

2 结果和讨论

2.1 骨料粒径对工作性参数的影响

图3所示为各项工作性参数随骨料粒径的变化情况。四组配合比下自密实混凝土均满足规范要求，每一组混凝土泌水率均为0%，能够较好地完成现场CRTS Ⅲ型板式无砟轨道的施工灌注。由图3可知，随着粗骨料最大粒径的逐渐增大，自密实混凝土坍落扩展度和L型仪充填比呈先增大后减小的变化趋势，但T500和J环高差则呈现出相反的变化情况。粒径范围为5～10 mm时，扩展度值在四个配合比中最小为632 mm。同时该配合比对应的J环高差为15.4 mm，说明此状态下自密实混凝土的流动性和间隙通过性能均呈较低的水平。然而当骨料最大粒径值增至20 mm时，扩展度增至657 mm，增大较为显著。随着骨料最大粒径继续增大，扩展度又有所减小。当骨料粒径分布范围为5～20 mm时，混凝土对应的扩展度和L型仪充填比最大，而T500和J环高差最小。

图3 粗骨料最大粒径对工作性参数的影响Fig.3 Effect of maximum coarse aggregate size on workability parameters

2.2 骨料粒径对流变参数的影响

图4所示为四种骨料最大粒径下自密实混凝土的扭矩-转速关系以及基于Bingham模型的拟合结果。由拟合结果可知，自密实混凝土的扭矩-转速近似符合线性增长关系。有研究表明[16]，当掺入部分矿物掺合料后，自密实混凝土的流变曲线可能会出现剪切增稠或剪切稀化的现象。当扭矩-转速关系偏离线性关系过大时，屈服应力和塑性黏度的拟合结果可能会出现偏离实际值的情况。本实验所得出的数据中，扭矩-转速线性关系显著，故能够保证流变参数的准确性。

图4 自密实混凝土扭矩-转速关系和拟合直线方程Fig.4 Torque-speed relationship and linear fitting equation of self-compacting concrete

图5所示为不同粗骨料最大粒径下自密实混凝土屈服应力和塑性黏度。由图5(a)可知，当骨料最大粒径由10 mm增大至16 mm时，混凝土屈服应力值由14.49 Pa增至14.72 Pa，然而当骨料粒径继续增大时，屈服应力出现一定波动，并非继续呈线性增长关系。塑性黏度随粗骨料最大粒径的变化趋势和工作性参数中的T500类似，当粗骨料最大粒径增至20 mm时，塑性黏度由10 mm的15.35 Pa·s减小至12.50 Pa·s；然而当最大粒径继续增大时，塑性黏度有所增大。粗骨料粒径的增大会降低骨料体系的总比表面积，使得附着在骨料表面的浆体体积有所减少，可自由流动的浆体体积增多，进而提高了自密实混凝土的流动性。

图5 粗骨料最大粒径对流变参数的影响Fig.5 Effect of maximum coarse aggregate size on rheological parameters

2.3 骨料粒径对静态离析百分数的影响

图6为粗骨料最大粒径对静态离析百分数的影响。由图6可知，随着粗骨料最大粒径的增大，自密实混凝土的静态离析百分数逐渐增大，表示混凝土抗离析性有所下降。此时大于4.75 mm的粗骨料下沉现象有所加剧。骨料最大粒径为10 mm时，自密实混凝土静态离析百分数为0.83%，出现离析现象的骨料很少，混凝土匀质性良好。但当粗骨料最大粒径增大至20 mm时，相同黏度的浆体下大颗粒骨料在重力作用更容易发生下沉现象，从而导致骨料和浆体局部离析。当骨料粒径继续增大，静态离析百分数有所减小。最大粒径为20 mm时所对应的混凝土静态离析百分数为3.14%。

图6 粗骨料最大粒径对静态离析百分数的影响Fig.6 Effect of maximum coarse aggregate size on static segregation percentage

2.4 流变参数和工作性的关系

图7所示为塑性黏度和T500的关系。根据拟合直线方程和相关系数可知，塑性黏度和T500近似满足正向线性关系，即随着混凝土塑性黏度的增大，T500逐渐增大。塑性黏度是评价流体受外力变形速度的重要流变参数。当塑性黏度越大，需要更大的外部剪切力才能打破混凝土内部絮凝和颗粒间的网状结构，使混凝土发生流动。而T500则是自密实混凝土流变性的宏观体现，故对于本试验的各配合比，当塑性黏度增大时，T500也会随之增大。

图7 塑性黏度和T500的关系Fig.7 Relationship between plastic viscosity and T500

2.5 流变参数和静态离析百分数的关系

图8所示为静态离析百分数随塑性黏度的变化情况。由图8可以发现，随着塑性黏度的增大，自密实混凝土静态离析百分数有所减小。直线拟合的相关系数为0.940 7，说明下降近似符合线性关系。对于自密实混凝土来说，塑性黏度值的大小主要取决于混凝土中的胶凝体系。当塑性黏度较大时，浆体抵抗外力作用的能力越大，进而减小了粗骨料离析程度，提高了混凝土静态稳定性。因此在骨料级配中，应当控制粗骨料最大粒径在合理的范围区间。当最大粒径过大时，混凝土流变性较好但静态稳定性较差；而当粒径过小时，混凝土静态稳定性较好但新拌流变性较差。