水膜厚度对掺滑石粉自密实混凝土流动性能的影响研究

黄锐新，陈嘉健，刘炽豪

（佛山科学技术学院 土木工程系，广东 佛山 528000）

自密实混凝土由于其较强的流动性而广泛应用于现阶段诸多结构较为复杂、作业空间小、配筋密集的构件上. 现阶段国内外对自密实混凝土流动性能的影响机理及规律尚未能定量化，因此亟待找出一种合适的理论解释方法，同时为了实现减少水泥用量、保护环境的目的，工程上需要寻求合适的微细矿物掺合料来替代或部分替代水泥. 滑石粉具有优良的物理和化学性能，如润滑性、耐火性、抗酸性、熔点高、吸附力强等[1]，因此研究掺入滑石粉对自密实混凝土工作性能的影响具有极强的可行性和一定的探索意义. 文献[2-3]认为，水膜厚度是影响砂浆及水泥浆流动性能的关键影响因素之一，他们通过研究用水量、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从而找出彼此之间的关系. 自密实混凝土粗骨料间的级配连续且粒径小，水膜厚度的变化对于自密实混凝土的流动性能存在较大影响，因此基于水膜厚度理论研究自密实混凝土的流变性能具有一定的可行性. 本研究通过24组流变性能及固相材料填充密度的测量试验，得到合适的滑石粉置换水泥掺量比例，基于水膜厚度理论揭示自密实混凝土流变性能的影响机理.

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

水泥：海螺牌P·042.5R水泥，密度3 143kg/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；滑石粉：上海缘江化工有限公司生产，2 000目，测量密度2 750 kg/m3；石子：粒径5～10 mm与粒径10～20 mm按1: 1混合；砂：佛山当地河砂，细度模数为2.6，属中砂；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）；水：自来水.

1.2 试验方案

本研究以不同的水灰比体积比、不同的水泥浆体积比及滑石粉掺量进行测量，共配制24组试验. 其中，水灰比体积比（水灰比质量比换算为对应的体积比）为1.05和1.20两个等级，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、0.38、0.42三个等级；滑石粉置换水泥体积比为0、5%、10%和20%；砂率选用0.5. 试块分别以“S-水灰比体积比-水泥浆体积比-滑石粉置换水泥体积比”为编号，各项试验的详配数据见表1.

表1 试验配合比

2 流动性测量

2.1 测量方法

本试验采用坍落扩展度及 V型流动仪从静态和动态两个方面反映试样的流动性能[4-5]. 用钢尺测量混凝土扩展后最大直径d1和最小直径d2的平均值作为混凝土的扩展度；将搅拌好的混凝土用容器盛装倒入 V型漏斗，静置1 min，记录混凝土全部流出所用的时间，精确至0.1 s，流出时间即可反映其流动性能. 两个试验均在搅拌完成后5 min内完成，且试验温度控制在（ 20±2）°C[6]. 试验结果列于表1.

2.2 测量结果

扩展度与V型流动仪的结果分别如图1和图2所示：1）坍落扩展度随着滑石粉置换水泥掺量的增加出现先增加后降低的情况；2）V型仪流出时间随滑石粉置换水泥比掺量的增加出现先降低后增大的趋势，在掺入5%滑石粉的时候，多数组别的自密实混凝土的流动性能达到最优，坍落扩展度达到最大的同时 V型仪流出时间最小. 即，掺入滑石粉可以增大自密实混凝土的坍落扩展度、减少 V型仪的流出时间，提高混凝土的流动性能，且扩展度及流动性均满足规范要求[7]，达到了一级自密实混凝土的流动性要求.

3 填充密度测量及水膜厚度计算

3.1 测试方法

胶凝材料填充密度的测量常采用水测紧密值法[8]，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，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，处于最紧密状态[9]. 理论上的填充密度会随着加水量的增加而增加，到达一个峰值后降低，原因是过高的水灰比导致游离水过多，颗粒悬浮在浆体中，使得颗粒之间密实度降低. 本文方法考虑到空气、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，比以往的干测量法考虑了更多的影响因素，也更加符合混凝土的实际情况，结果更为准确. 在得出填充密度后，可以参考文献[10-11]方法计算出水膜厚度.

图1 坍落扩展度随滑石粉置换水泥掺量的变化

图2 V型仪流出时间随滑石粉置换水泥掺量的变化

3.2 结果分析

各组的水膜厚度随水泥浆体积比的变化情况如图3所示：随着水泥浆体积比的增大，水膜厚度也在逐渐增大. 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的水体积过大，从而导致水膜厚度也一直增大. 但是，过大的水泥浆体积比极易出现离析、泌水等现象，使得混凝土部分测试工作性能无法满足规范的要求.

图3 水膜厚度随水泥浆体积比的变化情况

4 水膜厚度对混凝土流动性的影响研究

水膜厚度与自密实混凝土坍落扩展度的关系如图4所示，二者的相关系数平方2R已经达到0.806，表明水膜厚度与坍落扩展度之间存在极大的相关性，也可以认为自密实混凝土的坍落扩展度很大程度上是由水膜厚度决定的. 随着水膜厚度的增加，坍落扩展度增加得比较快；后续当水膜厚度继续增加时，坍落扩展度的大小会趋于平缓；掺滑石粉自密实混凝土的扩展度比零掺时的扩展度要大.

水膜厚度与自密实混凝土V型流变仪流出时间的影响关系见图5，水膜厚度与流出时间之间的相关系数平方2R已经达到 0.862. 根据图像结果可知，随着水膜厚度的增加，V型仪流出时间会随之下降、混凝土的流动性能增强，表明自密实混凝土中掺入滑石粉，可以一定程度上提高自密实混凝土的水膜厚度，进而促进其流动.

图4 坍落扩展度随水膜厚度的变化情况

图5 V型仪流出时间随水膜厚度的变化情况

5 结论

通过24个掺滑石粉自密实混凝土流动性能及填充密度试验，分析水膜厚度与流动性能之间的关系，得出以下结论：滑石粉的掺入可以提高混凝土的黏聚性，砂浆包裹骨料的能力增强，一定程度上可以起到避免泌水、泌浆的作用. 随着滑石粉掺量的增加，其坍落扩展度随之增大、V型仪流出时间降低，表明掺滑石粉可以提高自密实混凝土的流动性能，当水灰比体积比为 1.05、滑石粉掺量为5%时，自密实混凝土的流动性能改善最明显，扩展度最大增加幅度为8.9%，流出时间最大增加幅度为15.6%. 因此，水膜厚度可以作为考核自密实混凝土流动性能强弱的指标，在设计混凝土配合比的时候可加以考虑. 基于本研究可知，掺入定量滑石粉在实际中有一定的应用前景，对于强度要求不高但钢筋网络密集的混凝土构件，掺入滑石粉置换水泥可以一定程度上减少水泥使用带来的环境污染，且掺入滑石粉可以在流动性能达标的情况下降低砂率，实现合理利用、保护河砂资源的目的.