配比参数对SCC工作性能影响的试验研究

2021-06-30李晟文

太原学院学报(自然科学版) 2021年2期

杨巧，李晟文，王辉

(1.江海职业技术学院土木工程学院江苏扬州，225100；2.九州职业技术学院土木工程系江苏徐州，221116)

0 引言

自密实混凝土之所以属于高性能混凝土行列，是因为它具有较好的流动性且为现场施工带来便利[1]。鉴于以上优势，其被许多的施工单位应用到实际工程中。尽管它的应用越来越广，但是目前仍没有统一的配合比计算方法，并且由于自身性能原因对原材料要求很高，且对不同地区的原材料有不同的敏感性和适应性，故本文结合江苏省的实际情况和环境进行深入地研究和分析，试配出符合江苏地域材料性能的配合比。

1 试验原材料

试验采用扬州的亚东牌 P·O 42.5 级水泥，密度3 000 kg/m3，烧失量4.88%，初凝200 min，终凝255 min，3 d、28 d抗折强度分别为5.5 MPa、8.2 MPa，3 d、28 d抗压强度分别为27.9 MPa、46.5 MPa.粗骨料采用粒径5～16 mm连续级配的石子，表观密度为2 720 kg/m3，压碎值为9.99%.细骨料选用细度模数为2.584、Ⅱ级配区砂，表观密度为2 330 kg/m3；粉煤灰采用镇江的Ⅰ级灰，细度6.0%，需水量92%，烧失量1.03%，三氧化硫质量分数0.61%，表观密度2 520 kg/m3；S95级矿粉流动度比98%，含水量0.3%，烧失量0.66%，三氧化硫质量分数2.656%，表观密度2 860 kg/m3.

本试验选用PCA-9聚羧酸高效减水剂，该减水剂为棕红色液体。为了确定其减水率，特做了胶砂试验，在PCA-9聚羧酸用量为1.0%时，减水率为19%.本试验选用扬州自来水。

2 试验方法和配合比选择

2.1 混凝土性能试验

自密实混凝土填充性与间隙通过性性能试验方法按JGJ/T 283-2012规程进行。

2.2 试验配合比及正交试验

试验的基本配合比选用固定砂石体积含量法进行设计，接着选取影响因素及每个因素的水平值，最后利用正交试验进行优化。

自密实混凝土配合比参数为：粗骨料的体积分数0.3；砂浆中砂的体积分数0.44.粉煤灰18%，矿粉18%，水泥64%；水胶比取0.44，由于减水剂对混凝土减水效果较水泥有所降低，按照前面试验经验取减水率为15%，经计算配合比如表1.

表1 C30混凝土配合比Table 1 C30 concrete mix proportion 单位：kg·m-3

2.2.1试验因素

首先在基本配合比基础上进行了减水剂的四组平行试验。减水剂确定后，选取砂率及水胶比进行九组水平试验，试验结果见表2，扩展度随3个因素变化趋势见图1.

表2 3因素平行试验结果Table 2 Results of 3-factor parallel test

图1 扩展度随减水剂、砂率、水胶比掺入量的变化Fig.1 Extent changes with water reducing agent, sand ratio and water-binder ratio

1)减水剂。减水剂对于自密实混凝土性能的重要性是不言而喻的，通过掺入1.2%，1.0%，0.9%，0.8%减水剂的四组试验发现：掺入量为1.2%时，其泌水严重；掺入量为0.8%时，有点粘稠，扩展度较小；掺入量为1.0%时，对应的扩展度最大并且T500(坍落扩展度达到500 mm时所需要的时间)为1.44 s，性能均匀不泌水。最终确定掺量为1.0%.见表2。

2)砂率。文献[2]指出：砂率选取43%～55%时，对应的自密实混凝土性能较优；假如砂率过大，无法保证流动性，稳定性就较差。通过平行试验结果分析发现，表2中砂率为50.8%时，坍落扩展度值减小，T500为3.24 s，并且中间骨料堆积严重，误差棒最大(见图1)。因此以下正交试验中取44.8%、46.8%和48.8%三个水平。

3)水胶比。通过水胶比4组平行试验发现：水胶比在0.4～0.44时，SCC均匀、不泌水且T500都在2 s之内；但是水胶比取0.40时，垂直两个方向塌落扩展度相差比较大，从图1误差棒范围可以看出。最终选取水胶比0.44.

4)粉煤灰掺量：试验过程中发现，粉煤灰可以减少塌落度损失，但是大掺量会降低其早期强度[2]。高用量粉煤灰的应用在国外已经相当普遍，但很多国家都将结构用量限定在30%以内[3]。最终，本次试验选取 13%、18%和 23%三个水平。

5)矿粉掺量。文献[4]指出拌合物中加入矿粉后不仅能够弥补强度缺陷，并且会有许多优势。由此，矿粉选取 13%、18%和 23%三个水平。试验因素及水平见表3.

表3 因素水平表Table 3 Factor level table

2.2.2考核指标

拌合物的填充性性能采用坍落扩展度、T500和中边差指标来测试，间隙通过性性能采用PA值及中边差指标衡量。坍落扩展度(SF1、SF2)、T500(VS1、VS2)、坍落扩展度与J环扩展度差值(PA1、PA2)技术指标按照JGJ/T 283-2012规程附录A执行。中边差主要反应粗骨料在细骨料中的综合性能，其值小则说明两者能够均匀的拌合在一起，2 cm以内是最好的[5-6]。

2.3 正交表

L9(34)如表4所示，九组拌合物性能皆为均匀，不泌水。A2、A8、A9的试验过程见图2.表5为极差分析的结果。影响趋势见图3.

表4 试验方案及结果Table 4 Test scheme and results

图2 A2、A8、A9的坍落扩展度与J环扩展度Fig.2 Collapse extent and J-Ring extent of A2, A8 and A9

表5 正交试验结果极差分析Table 5 Orthogonal test range analysis

(a)坍落扩展度

(b)T500

(c)坍-中边差

(d)PA

(e)J-中边差

2.4 试验结果分析

2.4.1 各因素对坍落扩展度的影响

坍落扩展度反应了拌合物的流动性和填充性，数值越大代表其性能越好。由表5显示，各要素对其影响显著性排序由大到小依次为：粉煤灰掺量，砂率，矿粉掺量。由图3(a)可见，坍落扩展度随着砂率的增大而减小，这种现象是因为其值变大会导致骨料表面积的增大，而这时在骨料周围起润滑作用的浆体层变薄，因此流动性就降低[7]。而随着其他两个因素的增加而变大，但是当达到一定数值时，这种影响效应就会减缓。效应减缓是由于粉煤灰的体积要比水泥大30%，当其用量比例过大，浆体体积就会大幅度增加，这就使浆体与固体颗粒更好地融合在了一起，从而使拌合物的粘聚性变得更好，因此抵消了其润滑作用，使流动性减少[8]。

2.4.2 各因素对T500流动时间的影响

T500同样反应了其流动性和填充性，性能好对应的值就小。由表5可知，各成分对T500的影响排序由大到小依次为：粉煤灰掺量，矿粉掺量，砂率。从图3(b)可知，T500随着粉煤灰掺量、矿粉掺量、砂率值增大先减少后变大。当砂率、粉煤灰、矿粉增加到一定程度，会容易造成离析，因而其值在合适范围内，才能发挥最佳优势。由表4可知本次九组试验，T500均小于2 s，达到VS2级要求。

2.4.3 各因素对中边差的影响

中边差主要反应了粗细骨料的均匀混合能力，其值越小两者混合越均匀。由表5可以看出，在有阻力或无阻力的情况下，各因素对坍-中边差、J-中边差影响排序由大到小均为：粉煤灰掺量，砂率，矿粉掺量。从图3(c)、图3(e)可见，随着粉煤灰用量比例的增加，中边差显著减少，可见粉煤灰的润滑作用，可以将石子均匀带着流动，使抗分离能力提高。对比发现，当有阻力出现时，这种效应能力减弱。

2.4.4 各因素对PA的影响

PA反应了间隙通过性，对应的数值越大表示其性能越差。由表5得知各成分对间隙通过性的影响排序由大到小依次为：砂率，粉煤灰掺量，矿粉掺量。从图3(d)中可以发现，砂率增加对间隙通过性是一个先减弱后增强的过程，这是由于砂率越大，粗骨料所占比重越少，J环对其阻碍效果越不明显。而随着粉煤灰用量比例的增大，其间隙通过能力越强，这是由于它的微粒呈球状光滑而致密，因此它的掺入可减少内摩阻力。

综上所述，得到四组可能的最优配合比，A1B2C2，A2B2C2，A3B3C1，A3B3C2，按照综合平衡比较，砂率对PA是最主要的影响因素，其选择A3，砂率对扩展度也是重要影响因素，而扩展度选择A1，故因素水平砂率A1与A3通过试验确定，粉煤灰掺量B是最敏感因素，因此因素水平粉煤灰掺量B2与B3亦通过试验确定，由于矿粉C是最不敏感因素，并且四组中有3组C2，因此矿粉选择C2.最终得到A1B2C2、A3B2C2、A1B3C2、A3B3C2四组最优配合比。其中A1B2C2、A3B3C2对应正交试验第2组与第9组试验，只需验证A3B2C2、A1B3C2两组试验。最后结果显示，A3B2C2达到最优，对应指标见表6.