基于紧密堆积理论研究细骨料对UHPC性能的影响

2021-10-30张士萍牛龙龙

南京工程学院学报（自然科学版） 2021年3期

曹鑫,张士萍,牛龙龙,杨慧

(1. 安徽建筑大学土木工程学院, 安徽合肥 230601;2. 南京工程学院建筑工程学院, 江苏南京 211167;3. 江苏双龙集团有限公司, 江苏南京 211106)

1 材料及其试验方法

1.1 材料

采用句容台泥水泥有限公司生产的硅酸盐水泥(PⅡ52.5R);山东博肯能源科技有限公司生产的硅灰;Ⅱ级粉煤灰;聚羧酸高效减水剂(减水率为30%);钢纤维的长度为13 mm,等效直径为0.21 mm;拌合水为自来水;天然河砂作为骨料填充,考虑砂子各个等级的粒径,取砂子的粒径在0.15～4.75 mm.

1.2 试验方法

1.2.1 配合比

粉煤灰、硅灰的掺量各定为胶凝材料的10%,即水泥的用量为胶凝材料的80%,高效减水剂为胶凝材料的3%,其中砂胶比定为1,水胶比定为0.18,钢纤维的含量为体积质量分数的1.5%.

1.2.2 试件制备

参照《超高性能混凝土制备与工程应用技术规程》(DB13/T 2946—2019)进行操作.根据设计的配合比,首先称量各种材料,将水泥、硅灰、粉煤灰依次加入搅拌锅,充分搅拌均匀混合后加入减水剂和水,当出现浆体时,再徐徐加入按照分布模数配比好的天然砂,继续搅拌,最后多次少量的加入钢纤维,重复搅拌直至均匀为止.每种配合比倒入事先准备好并刷上少量油的三联试模(宽40 mm×高40 mm×长160 mm),在装入时需要适当振捣.按照规范养护24 h后脱模,标准养护至指定龄期(3、7、28 d).

1.2.3 试验的测试方法

根据《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671—1999)测量试件抗压、抗折强度;根据《水泥胶砂流动性测定方法》(GB/T 2419—2005)测量试件坍落扩展度.

1.2.4 试验数据结果分析

取一组试件测出数据的平均值作为该组抗折强度的试验数据.完成抗折强度测试后,得到6个试块,取这6个数据的平均数作为抗压强度的试验数据,如果其中有1个数据超出平均值的±10%,那么取剩下5个数据的算数平均值,如果其中还有数据超出此次平均值的±10%,则该组数据无效,将需要重新测定.

1.2.5 砂子的颗粒级配

《标准建筑用砂》(GB /T 14684—2011)中规定了细度模数的计算公式为：

(1)

式中:Mx为细度模数;A1、A2、A3、A4、A5、A6分别为4.75、2.36、1.18、0.60、0.30、0.15 mm 筛的累计筛余百分率.

砂按照细度模数分为3.7～3.1 mm的粗砂、3.0～2.3 mm的中砂、2.2～1.6 mm的细砂.为了了解Mx的本质,设m1、m2、m3、m4、m5、m6分别表示4.75、2.36、1.18、0.60、0.30、0.15 mm筛上的分级质量,那么Mx的公式可以演绎为：

(2)

由于A1=0,Abrams D F提出砂的细度模数计算式变为[3]:

(3)

2 结果与讨论

2.1 细骨料的级配

贺业邦[4]通过研究认为分布模数n=0.4～0.7适用于粗颗粒比较多的级配情况,n≤0.4适用于细颗粒比较多的级配.本文主要研究砂子粒径在0.15～4.75 mm、0.33≤n≤0.40条件下超高性能混凝土抗压、抗折、流动性的变化.各个粒径范围在不同分布模数n下所占的百分含量见表1.

表1 不同分布模数下各粒径范围所占百分比 %

图1为天然砂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区颗粒级配曲线,图2为这3种分布模数下各天然砂粒径范围所占比例曲线.

由图2可见,当0.33≤n≤0.40时,这5种分布模数下天然砂的颗粒级配都属于Ⅰ区颗粒级配.

(a) Ⅰ区

图2 5种分布模数下砂颗粒级配曲线

2.2 分布模数对超高性能混凝土工作性能的影响

图3为不同分布模数n下超高性能混凝土流动性的试验结果.由图3可见,随着分布模数的增加,流动性按照线性变化小幅度增加;从表1中各个粒径所占的百分比不难看出,当分布模数从0.33变化到0.40时,粒径在0.15～0.30 mm、0.30～0.60 mm、0.60～1.18 mm的天然砂含量分别下降了1.37%、1.06%、0.44%;粒径在1.18～2.36 mm和2.36～4.75 mm的天然砂含量分别增加了0.58%、2.56%.分布模数0.33、0.35、0.37、0.39、0.40相对应的细度模数分别为3.45、3.48、3.50、3.53、3.54,同样是增加的趋势.

图3 不同n下超高性能混凝土流动性变化曲线

随着分布模数的增大,其对应砂子粒径中细砂的含量在减少,粗砂的含量在增大,细度模数也从3.45逐渐增加到3.54.图3中所显示的坍落扩展度也在稳步变大.试验表明,砂浆扩展度随着砂子细度模数增大成比例增加,两者几乎是线性关系.砂子细度模数每减小0.1,坍落扩展度约降低10 mm.这是因为砂子变粗,它的比表面积减小,包裹砂子的表面后,剩下的泥浆将会起到润滑的作用,泥浆增加会致使流动性增加[5];另外,粗砂表面积小,会导致它的饱水性比较差,泌水率大,显得粗糙,和易性差;细砂的饱水性好,几乎不泌水,和易性也比较好[6].

2.3 分布模数对超高性能混凝土强度的影响

图4为不同分布模数下超高性能混凝土抗压强度、抗折强度3、7、28 d的试验结果.

(a) 抗压强度

由图4可见：在不同龄期3、7、28 d的抗压强度和抗折强度均在分布模数n=0.37时效果最好,达到峰值,其余两侧的数值有所下降；龄期越长,抗压和抗折强度均呈现稳步上升的趋势；在0.33≤n≤0.40、养护28 d时，最低抗压强度和峰值之间的差值为17.2 MPa,对峰值157.5 MPa的影响为10.9%，同理可得7 d的影响为20.3%,3 d的影响为12.2%；抗折强度的变化大体与抗压强度曲线吻合，在3 d和7 d的折线中,分布模数在0.37和0.39时变化较小,基本持平的趋势.本试验研究结果与文献[7]基本一致,紧密堆积理论中n=0.37时堆积更加密实.