骨料对中低强度等级混凝土工作性和强度的影响研究*

2021-03-15赵明亮朱寿永周华新水中和

商品混凝土 2021年2期

赵明亮，朱寿永，周华新，水中和

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京 210008；2.苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211103；3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北武汉 430070）

0 引言

梁、板、柱、楼梯等普通钢筋混凝土结构及桥台码头、水下桩等工程结构，一般均采用中、低强度等级混凝土（主要是 C30～C50），工程中需要确保中低强度等级混凝土大流态化，使混凝土在轻微或不用振捣情况下能穿过钢筋间隙，填充到模板各个角落，提高施工效率[1-2]。

骨料既作为新拌混凝土中的悬浮颗粒，又构成了硬化混凝土主要框架，其中细骨料约占混凝土总体积的30%，粗骨料体积约占混凝土总体积的 30%～50%[3-4]。骨料对混凝土流动性和填充性等的影响最直接、最明显，骨料的合理配合比参数可以使新拌混凝土在搅拌、运输以及施工过程中具有良好的流动性、粘聚性和填充密实性[5-6]。在砂石资源日益匮乏、品质恶化的背景下，商品混凝土公司出于经济性考虑，需要频繁调整与骨料相关的参数，如砂率、级配等来保证混凝土满足施工性能，而前期往往对混凝土力学性能并无十足把握，此外，中低强度等级混凝土在工程中用量大、关注度低、问题忽略多，实际工程质量问题会更加严峻[7]。因此，研究与骨料相关的配合比参数对大流态中低强度等级混凝土性能的影响规律，对于实际生产指导和确保工程质量将具有重要意义。

本文系统探究了砂率、5～10mm 石子（小石）与10～20mm 石子（大石）搭配比例、粗骨料体积占比对大流态中低强度等级混凝土工作性和力学性能的影响差异，并提出实际生产和应用的相关建议，供同行参考。

1 原材料与试验设计

1.1 原材料

采用聚羧酸型高性能减水剂，固含量 10%，减水率25%。

采用华润 P·O42.5R 水泥，密度 3000kg/m3；首钢S95 级矿粉，密度 2800kg/m3；珠电Ⅱ级粉煤灰，密度2500kg/m3。胶材的主要化学成分见表 1。

细骨料为淡化海砂，表观密度 2641kg/m3；粗骨料为 5～10mm 和 10～20mm 两种连续级配花岗岩碎石，表观密度 2642kg/m3，骨料级配曲线见图 1。15% 的5～10mm 石子与 85% 的 10～20mm 石子搭配后松散堆积密度为 1496kg/m3。

1.2 试验设计

1.2.1 砂率影响试验设计

试验配合比及性能见表 2。

1.2.2 石子搭配比例影响试验设计

试验配合比及性能见表 3。

表1 水泥、粉煤灰、矿粉主要化学组成 wt%

图1 骨料级配曲线

1.2.3 粗骨料体积占比影响试验设计

粗骨料体积占比可利用砂浆富余系数加以描述，其定义为混凝土中砂浆体积与粗骨料松散堆积空隙体积比值，计算公式如式 (1) 所示[8]。τm为混凝土中砂浆富余系数，Vm为混凝土中砂浆总体积量，Vog为混凝土中碎石的空隙总体积量。

表2 砂率影响试验配合比及试验结果

表3 石子比例试验配合比及试验结果

表4 粗骨料体积占比试验补充配合比及试验结果

固定砂浆性质和体积，单纯改变石子质量来实现粗骨料体积不同占比。试验配合比最后按 C30、C40、C50 设计容重 2320kg/m3、2350kg/m3、2375kg/m3折算后的单方真实配合比见表 4。

2 结果与讨论

2.1 砂率对混凝土性能影响

砂率对混凝土工作性、力学性能的影响结果如图3、4 所示。

由图 3 可知，坍落度随砂率增加均表现为先增大后减小的趋势，C30、C40、C50 坍落度分别在砂率43%～45%、38%～40%、36%～40% 达到最大值。C30、C40 扩展度随砂率增大基本上表现为先缓慢减小后迅速减小的趋势，而 C50 则表现出先增加后降低的趋势，拐点分别为 43%、40%、38%。视混凝土为净浆—粗骨料悬浮体，当砂率过低时，骨料总表面积偏小，净浆对骨料包裹后显得过剩，剩余浆体膜厚偏大，混凝土会出现跑浆，粘聚性差，同时骨料表面有一定吸水效果，故砂率过低时混凝土自由水较多，也会出现泌水现象[9-11]。因此随着砂率增加，混凝土工作性逐渐改善，当砂率进一步增大超过拐点后，骨料表面积偏大，净浆对其包裹性越来越差，混凝土流动性迅速变差。

因此大流态中低强度等级 C30、C40、C50 混凝土，砂率分别在 43% 左右、40% 左右、38% 左右较为合适，满足工程中对工作性需求。由图 4 可知，砂率对C30、C40、C50 混凝土 3d、7d、28d 抗压强度影响规律均不明显，在较大砂率范围内强度存在小幅度波动，表明砂率变化对中低强度等级混凝土强度影响不显著。

图3 砂率对工作性影响

图4 砂率对抗压强度影响

2.2 石子搭配比例对混凝土性能影响

5～10mm 和 10～20mm 石子搭配比例对混凝土工作性能和力学性能影响如图 5、6 所示。

图5 石子搭配比例对工作性影响

由图 5 可知，C30 坍落度、扩展度随 5～10mm 石子比例增加先增加后降低，在 15% 时达到最大值，从0% 增加 15%，混凝土包裹性逐渐改善，降低泌浆程度，超过 15% 后，坍落度、扩展度迅速下降。C40 坍落度对于 5～10mm 石子比例变化不敏感，扩展度随5～10mm 石子比例增加逐渐下降，但比例在 7.5% 左右工作性较好。视混凝土为砂浆—粗骨料悬浮体，粗骨料级配变化对混凝工作性影响可以从剩余砂浆膜厚理论解释，5～10mm 石子比例增加使得粗骨料总表面积增大，明显降低剩余砂浆膜厚，影响砂浆对粗骨料的润滑、包裹[12-13]。

由图 6 可知，5～10mm 石子比例变化对 C30、C40混凝土 3d、7d 强度并没有较大影响，强度基本持平，但 28d 强度随着 5～10mm 石子比例增加先增大后减小，比例在 15%～20% 时强度最大，这可能是粗骨料堆积更为紧密，对强度有利[14]。

2.3 粗骨料体积占比对混凝土性能影响

粗骨料体积占比及砂浆富余系数对混凝土工作性的影响如图 7 所示，图 8 依次为 C40 混凝土砂浆富余系数由低到高时混凝土拌合物状态。

图6 石子搭配比例对抗压强度影响

由图 7 可知，随着砂浆富余系数的增加，C30、C40、C50 混凝土坍落度、扩展度逐渐增加，当砂浆富余系数分别超过 2.0、2.0、1.9 时，砂浆富余系数—坍落度/扩展度变化曲线变得平缓并逐渐趋于水平，说明工作性基本不随砂浆富余系数变化而变化。以 C40 混凝土为例，从图 8 可直观观察到砂浆富余系数对混凝土状态的影响，可以发现砂浆富余系数在 2.0 附近时混凝土状态最饱满，混凝土流动性和稳定性达到较好平衡。混凝土工作性不仅取决于砂浆流动性，还与砂浆富余系数密切相关。对于给定砂浆和体积，随着粗骨料体积增加（堆积孔隙体积增加），则砂浆富余系数逐渐减小，对于砂浆—粗骨料悬浮体，粗骨料间摩擦等咬合作用会显著增加，严重影响混凝土流动性。当砂浆富余系数超出一定值，粗骨料间相互作用已经降低至最低水平，故更多砂浆将不再影响工作性。

图9 为砂浆富余系数对混凝土 3d、7d、28d 抗压强度的影响，砂浆富余系数对 C30、C40、C50 混凝土的强度影响规律有所不同。对于 C30，砂浆富余系数基本不影响抗压强度，因为拟合直线基本与水平轴平行，砂浆富余系数增加仅对 28d 强度有小幅提升作用。砂浆富余系数对 C40、C50 强度等级混凝土强度影响也较小，但随着砂浆富余系数增加，3d、7d、28d 抗压强度有小幅下降。综上可知，砂浆富余系数对大流态中低强度等级混凝土工作性影响大，但是较大砂浆富余系数不仅对工作性贡献小，还对 C40、C50 强度有负面影响，同时也会导致体积稳定性差、增加混凝土成本等。