骨料粒径及砂率对自密实混凝土力学性能的影响

宗 琦，颜 鑫，方 跃，王梦想，汪海波

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

自密实混凝土是指无需振捣器械即可浇筑成型且不会出现蜂窝和孔洞的高流态混凝土，又称为免振捣混凝土，于1988年由日本学者Okamura成功研制，随后在日本、欧美等发达国家得到推广使用。相较于传统振捣混凝土，自密实混凝土节约了人力和设备、大大提高了施工的效率和质量、改善了工作噪音水平、提高了结构耐久性，近年来广泛应用于桥梁隧道、民用建筑、高速铁路和水工设施等领域。

国内外学者对自密实混凝土的力学性能进行了大量研究，文献[9]探讨了骨料最大粒径对自密实轻集料混凝土的影响，发现自密实混凝土的抗压强度随骨料最大粒径的增大而逐渐减小；文献[10]对不同骨料体积含量的自密实混凝土力学性能进行了研究，结果表明骨料体积含量从30%增大到60%，自密实混凝土的抗压强度呈先减后增的趋势；文献[11]认为砂骨比较高的混凝土通常具有较低的抗压强度；文献[12]探究了砂率及粗骨料级配对自密实混凝土力学性能的影响，发现自密实混凝土28d抗压强度随砂率的增大呈先增后减的趋势，对骨料级配进行优化可显著提高混凝土的抗压强度；文献[13]通过试验研究了高强自密实混凝土的抗压强度与水泥掺量的具体关系；文献[14]研究发现粗骨料的颗粒级配及形状指数对自密实混凝土7d抗压强度的影响比28d抗压强度大；文献[15]认为不同粒径分布的粗骨料混合对自密实混凝土各龄期的抗压强度影响较小。

由前人的研究结果可知，关于骨料粒径及砂率对自密实混凝土性能的影响研究主要集中在工作性能上，对其力学性能的研究较少。因此，本文在水胶比一定的情况下，采用控制变量法研究不同变量(骨料粒径、砂率及养护龄期)下自密实混凝土的抗压强度、抗折强度及折压比，探讨力学性能相关性，为自密实混凝土的设计及施工提供参考。

表1 试验配合比 kg/m3

1 试验设计

1.1 试验材料

水泥：P·O42.5硅酸盐水泥； 粉煤灰：I级粉煤灰，产自淮南电厂； 矿粉： S95级矿粉； 减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率≥25%；粗骨料：粒径为5～20mm的碎石；细骨料：淮河中粗砂；拌合水：实验室用水。

1.2 试验配合比

参考CECS 203-2006《自密实混凝土应用技术规程》推荐的配合比设计方法，试配调整优化后得到具体的配合比，如表1所示。

1.3 试件制备与试验方法

根据配合比将粒径为5～10mm和10～20mm的碎石分别按照1∶0、1∶1和0∶1的质量比配合； 细骨料烘干后采用孔径梯度分别为0.15mm、 0.3mm、0.6mm、 1.18mm、 2.36mm和4.75mm的振动筛，按照公式(1)配置细度模数分别为2.72、 3.03和3.38的砂子。

(1)

式中：

M

为砂子的细度模数；

A

、

A

、

A

、

A

、

A

、

A

分别为4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm和0.15m筛的累计筛余百分率。

搅拌机中依次加入粗细骨料、水泥和矿物掺合料，干拌约1.5min后加入掺有减水剂的水，继续搅拌2min后倒出测量混凝土的工作性能，符合规范要求后装模、抹平表面并覆盖薄膜防止水分散失。试件在室温下静置48h后拆模、编号，随后放入标准养护室分别养护7d、14d和28d，达到试验龄期后进行力学性能测试。7组立方体试块(100mm×100mm×100mm)及7组棱柱体试块(100mm×100mm×400mm)分别用来测定自密实混凝土不同龄期(7d、 14d、 28d)的抗压强度和28d龄期的抗折强度，共计126个。 根据GB/T 50081-2002《混凝土物理力学性能试验方法标准》，抗压试验加载速度为0.6MPa/s，抗折试验加载速度为0.1mm/min。

2 试验结果及分析

2.1 立方体抗压强度

将试验获取的破坏荷载取平均值后代入公式(2)，计算不同骨料粒径及砂率的自密实混凝土7d、14d和28d的立方体抗压强度

f

，结果如图1～图3所示。

(2)

式中：

f

为混凝土立方体抗压强度，MPa；

F

为试件破坏荷载，N；

A

为试件承压面积，mm；0.95为尺寸换算系数，无量纲。

图1 粗骨料粒径与抗压强度的关系

粗骨料粒径与抗压强度的关系如图1所示。由图1可知CA-1∶0、CA-1∶1 和CA-0∶1的抗压强度随龄期的增长呈逐渐增大的趋势，1～7d抗压强度增速较快，7～28d增速减缓，这是因为加入的聚羧酸减水剂加快了水泥的早期水化速率，促进了混凝土早期强度的发展。CA-0∶1的7d、14d和28d抗压强度均为最大，分别为51.5MPa、57.0MPa和65.6MPa。在7d和14d时，CA-0∶1的强度最小，在28d时，CA-1∶1的强度最小。造成CA-0∶1的7d和14d抗压强度小于CA-1∶1，而28d抗压强度大于CA-1∶1的原因可能是，在水化早期粉煤灰和矿粉由于活性较低未参与水化反应，对混凝土的早期抗压强度贡献不大。CA-0∶1中粒径为10～20mm的粗骨料含量较CA-1∶1多，骨料本身存在缺陷的几率增大，因此CA-0∶1由于自身的骨料缺陷导致7d及14d抗压强度小于CA-1∶1；在水化后期时，粉煤灰及矿粉参与二次水化反应，生成的大量水化硅酸钙凝胶填充在骨料间隙中，同时未水化的矿物掺合料充当微细骨料填充在混凝土内部的孔隙中，大大改善了界面过渡区的品质，提高了界面过渡区的密实性并提高了抗压强度，弥补了骨料因自身缺陷所导致的混凝土抗压强度的降低。而CA-1：1由于级配良好，相对于CA-0∶1而言孔隙更少，也更为密实，从而CA-1∶1从14d到28d由于二次水化反应填充孔隙进而改善界面过渡区的可能性也较低，即CA-0∶1从14d到28d的性能提升是较小的。

与CA-1∶0相比，CA-1∶1和CA-0∶1的7d抗压强度分别降低了21.2%和38.3%；14d抗压强度分别降低了17.5%和27.4%；28d抗压强度分别降低了19.8%和13.6%。究其原因，大粒径骨料由于自重较大，在混凝土拌合过程中的下沉速度快于小粒径骨料，使得混凝土内部分布不均匀，在受力传递时易产生应力集中；骨料表面水膜聚水的倾向随粗骨料粒径的增大呈增大趋势，导致大粒径骨料周围的局部水胶比高于砂浆本体，水分蒸发后，会在粗骨料下界面产生界面缝。

图2 砂细度模数与抗压强度的关系

砂细度模数与抗压强度的关系如图2所示。 由图2可知，随着砂细度模数的增大，

M

-2.72、

M

-3.03和

M

-3.38的抗压强度不断增大，增长趋势为先慢后快。细度模数从2.72增长到3.03，自密实混凝土的7d、14d和28d立方体抗压强度分别增长了2MPa、2.2MPa和2.9MPa；而细度模数从3.03增长到3.38，分别增长了9.1MPa、7.9MPa和7.7MPa。

M

-3.38的7d、14d和28d抗压强度均最大，分别为51.7MPa、57.1MPa和62.2MPa。

图3 砂率与抗压强度的关系

砂率与抗压强度的关系如图3所示。由图3可知，随着砂率的增大，SP-0.40、SP-0.45和SP-0.50 的7d、14d和28d抗压强度均逐渐减小，下降趋势为先快后慢。SP-0.40的7d、14d和28d抗压强度均最大，分别为47.1MPa、53.8MPa和61.7MPa。与SP-0.40相比，SP-0.45、SP-0.50的7d抗压强度分别降低了13.8%和25.9%；14d抗压强度分别降低了12.7%和19.9%；28d抗压强度分别降低了14.7%和19.8%。究其原因，细度模数的减小和砂率的增大导致骨料的总表面积增大，需要足够多的水泥浆用以包裹并填充骨料，而胶凝材料的量一定，导致水泥浆量不足以有效包裹骨料并填充其空隙，造成骨料的粘结力下降，降低了混凝土强度。

2.2 抗折强度

将试验获取的折断破坏荷载取平均值后代入公式(3)，计算不同骨料粒径及砂率的自密实混凝土28d抗折强度

f

，结果如表2所示。

(3)

式中：

f

为混凝土抗折强度，MPa；

F

为试件破坏荷载，N；

l

，

b

，

h

分别为支座间距、试件的截面宽度和高度，mm；0.95为尺寸换算系数，无量纲；本试验中

l

=400mm、

b

=100mm、

h

=100mm。

由表2可以看出，与自密实混凝土的抗压强度相比，其抗折强度要小得多，仅为抗压强度的1/14～1/12，且随抗压强度的增大缓慢增大。随着粒径为5～10mm的粗骨料减少，10～20mm的粗骨料增多，抗折强度先减后增，与其抗压强度发展规律一致。CA-1∶0的抗折强度最大，为5.4MPa，与CA-1∶1相比，CA-1∶0、CA-0∶1的抗折强度分别提高了45.9%和18.9%。分析认为，混凝土抗折强度的大小取决于过渡界面的粘结强度，即由胶凝材料与骨料间的粘结力决定。CA-1∶0由于骨料粒径小，比表面积大，增大了与水泥浆的粘结面积，提高了粘结强度，宏观上表现为抗折强度的增大；大粒径骨料的界面过渡区较小粒径骨料更薄弱，受载前就存在数量更多且尺度更大的微裂缝。从某种意义上来说，微裂缝削弱了水泥浆体与骨料的粘结力，导致混凝土抗折强度的降低。

表2 抗折强度及折压比

由表2还可以看出，

M

-2.72、

M

-3.03及

M

-3.38的抗折强度均随细度模数的增加而增大。其中

M

-3.38的抗折强度最大，为4.8MPa，细度模数从2.72增大到3.38，抗折强度的增幅最高为29.7%，最低为10.8%。随着砂率的增大，自密实混凝土的抗折强度逐渐减小，SP-0.40的抗折强度最大，为4.2MPa。砂率从0.40增长到0.50，自密实混凝土的抗折强度的降幅最高为18.9%，最低为13.5%。细度模数及砂率对自密实混凝土抗折强度的影响原因与其抗压强度相同，由于篇幅原因不再赘述。由表2中数据计算可得出不同骨料粒径及砂率的自密实混凝土最大抗折强度与其最小抗折强度之差分别为2MPa、1.1MPa和0.7MPa，可以认为细度模数及砂率的改变对自密实混凝土抗折强度的影响程度较小。

2.3 折压比

折压比(抗折强度与立方体抗压强度之比)是评价混凝土抗裂性能的重要指标，折压比越大，混凝土脆性越小，韧性越大，抗裂性能越好。表2给出了不同骨料粒径及砂率的自密实混凝土28d条件下的折压比。由表2可以看出，随着粒径为5～10mm的粗骨料减少，10～20mm的粗骨料增多，折压比先减后增，即混凝土的韧性和抗裂性能先减后增。与CA-1∶1相比，CA-1∶0和CA-0∶1的折压比分别增大了17.2%和11.4%。因此在自密实混凝土应用中，可以通过减小粗骨料的粒径来满足工程实践对混凝土韧性和抗裂性能的要求，同时混凝土还具有足够的抗压强度及抗折强度。随着细度模数的增长，折压比逐渐增大，与

M

-2.72相比，

M

-3.03和

M

-3.38的折压比分别增大了5.7%和10%。随着砂率的增大，折压比逐渐增大，这与其抗压强度和抗折强度发展规律相反。砂率从0.40增大到0.50，折压比分别增长了5%和4.5%，折压比提高幅度不明显，可以认为砂率的改变对自密实混凝土折压比的影响较小。根据试验所测自密实混凝土抗折强度与抗压强度值散点的分布情况，以抗压强度

f

为横坐标，抗折强度

f

为纵坐标，利用origin9.0软件采用

y

=

ax

模型进行回归分析，得到自密实混凝土抗折强度

f

与抗压强度

f

的关系，如图4所示。

图4 抗折强度与抗压强度关系

将自密实混凝土28d立方体抗压强度值代入图4中的拟合方程，分别计算不同骨料粒径及砂率的自密实混凝土抗折强度，并与试验实测值比较，结果如表3所示。由表3中数据计算后可以得出不同骨料粒径及砂率的自密实混凝土抗折强度试验值与计算值比值的均值分别为1.002、1.045和0.999；均方差分别为0.055、0.017和0.005，计算值与试验实测值相关性高。因此，可用图4中的拟合方程表示不同骨料粒径及砂率的自密实混凝土抗折强度

f

与立方体抗压强度

f

的关系。

表3 抗折强度计算值与试验值

3 结论

(1)自密实混凝土的抗压强度随细度模数的增大不断增大，增长速率先慢后快；随砂率的增大不断减小，降低速率为先快后慢；随粒径为5～10mm的粗骨料减少,10～20mm的粗骨料含量的增多，自密实混凝土7d、14d抗压强度不断减小，28d抗压强度先减小后增大。

(2)自密实混凝土的抗折强度及折压比随粒径为5～10mm的粗骨料减少,10～20mm的粗骨料含量的增多而先减小后增大；随细度模数的增大不断增大；随砂率的增大抗折强度不断减小，而折压比不断增大。从折压比的提高幅度而言，砂率的改变对折压比的影响较小。

(3)拟合得到了不同骨料粒径及砂率的自密实混凝土抗折强度和立方体抗压强度的换算关系式，可为自密实混凝土的设计与施工提供参考。