粉煤灰改善自密实混凝土间隙通过性的研究

2023-02-28林明新任凤鸣彭健锋陈沛棋熊子豪

广东土木与建筑 2023年1期

林明新，任凤鸣，彭健锋，陈沛棋，王庆，熊子豪

（1、大建建筑集团有限公司广州 511430；2、广州大学土木工程学院广州 510006）

0 引言

自密实混凝土（Self-Compacting Concrete，简称SCC）是一种具有良好流动性和抗偏析性能好的高性能混凝土，它在浇筑过程中可以流过并填充模具每一处钢筋之间的间隙和角落［1-2］。自密实混凝土于1986年在日本首次开发出来，凭借其良好的性能可以大大提高钢筋混凝土结构的可靠性和耐久性［3］。与传统混凝土相比，自密实混凝土能缩短工期，降低结构寿命周期成本，同时掺加粉煤灰等工业废料后能降低生产过程中二氧化碳的排放从而带来社会效益［4］。粉煤灰作为自密实混凝土中常用的辅助性胶凝材料之一［5］，粒径要小于水泥且呈球形颗粒，不仅有利于提高混凝土的流动性，还能起到填充作用从而降低混凝土中的孔隙率［6］，提高新拌混凝土的稳定性［7］。为探究粉煤灰掺量对自密实混凝土间隙通过性的影响作用，本研究通过采用10%到40%粉煤灰等体积替代水泥，系统地测试粉煤灰掺量对自密实混凝土间隙通过性的影响。

1 原材料及配合比

本研究水泥为42.5R型普通硅酸盐水泥，表观密度为3.10 g/cm3，比表面积为1 295.9 m2/kg。粉煤灰为I级粉煤灰，表观密度2.42 g/cm3，比表面积为1 534.0 m2/kg，主要晶相为石英（SiO2）和莫来石（Al6Si2O13）。水泥与粉煤灰的氧化物分析结果如表1所示，粒径分布曲线如图1所示。粗骨料为破碎花岗岩，最大粒径为26.5 mm，表观密度为2.73 g/cm3。砂为天然河砂，表观密度为2.61 g/cm3，细度模数2.2。外加剂采用减水率为28%的聚羧酸系高效减水剂。

表1 原材料氧化物分析（质量百分数）Tab.1 Chemical Compositions of Cementitious Materials（wt.%）

图1 水泥与粉煤灰的粒径分布曲线Fig.1 Particle Size Distributions of Cement and Fly Ash

为研究不同粉煤灰掺量对SCC 间隙通过性的影响，将试验分为5 组，粉煤灰体积替代率分别为0，10%，20%，30%和40%，参照《自密实混凝土应用技术规程：JGJ/T 283—2012》［8］进行自密实混凝土配合比设计，具体如表2所示。根据规范EN 12350［9］，开展了J 型环试验和L 型流动度试验来评价自密实混凝土的间隙通过性。

表2 试验所用配合比Tab.2 Mix Proportions （kg/m³）

2 试验方法

2.1 J型环试验

试验过程中首先将扩展度板找平，清洗并润湿扩展度板和坍落度桶，坍落度桶放置于扩展度板中央位置并保持位置，确保混凝土不会从坍落度桶下方泄漏。将J形环放在扩展度板上，集中围绕着坍落度桶。按住坍落度桶，在30 s 内填满坍落度桶，不进行任何人工振捣或机械压实，并清除坍落度桶顶部多余部分混凝土。在此期间，清除底板上溢出的混凝土，确保底板全部潮湿，但没有任何多余的水。在不影响混凝土流动的情况下，1～3 s 内一次性垂直提起坍落度桶，待混凝土流动稳定后，测量混凝土拌合物的最大直径d1和垂直于d1的直径并记录为d2。把直尺放在J 型环的顶端，在中心位置和J 型环外的4 个位置测量直尺下边与混凝土表面之间的相对高度差，在x方向测量两个量度单位，在y方向测量两个量度单位（垂直于x），分别表示为h0，hx1，hx2，hy1，hy2，如图2⒝所示。

图2 J型环试验装置示意图Fig.2 Schematic Diagram of J-Ring Test Device （mm）

2.2 L型流动度试验

L 型流动度试验装置如图3 所示。试验前应在水平基础上放置L 型仪，并使用水平仪检查水平度。润湿L 型仪所有内表面，但不要沾染过多的水分，关闭垂直部分和水平部分之间的闸门。将混凝土从容器内倒入L 型仪的储箱中，无须进行任何人工振捣或机械压实，然后刮去L 型仪顶部多余混凝土，使混凝土与L 型仪垂直部分的顶部平齐。以平滑、连续的动作完全打开滑动闸门，让混凝土流入水平部分。当流动停止后，测量混凝土△H1（1#、2#、3#、4#）的4 个高度和△H2（1#、2#、3#）的3个高度。混凝土H1的平均高度是L 型仪垂直部分的高度与△H1的4 个高度的平均值之间的高度差。混凝土H2的平均高度是L 型仪水平部分的高度与△H2的3个高度的平均值之间的高度差。

图3 L型流动度试验装置示意图Fig.3 Schematic Diagram of L-Box Test Device （mm）

3 结果讨论与分析

不同粉煤灰掺量自密实混凝土的J型环间隙通过性结果如表3所示。

表3 J型环试验结果Tab.3 Results of J-Ring Tests （mm）

基于上述数据，可以计算出评价自密实混凝土的J型环间隙通过性指标PJ，具体计算如式⑴所示：

其中，△Hx1、△Hx2、△Hy1和△Hy2分别是x、y方向上混凝土顶部到J 型环外顶部的4 个高度差（mm）；△H0是中心位置混凝土顶部到J型环内顶部的高度差（mm）。PJ 的物理意义是J 型环内外障碍高度差。PJ 的数值越小，代表J型环内外新拌混凝土的高度越接近，新拌混凝土的间隙通过性越好，反之则越差。不同组别的J 型环间隙通过性如图4 所示，可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，自密实混凝土的J 型环间隙通过性呈先降低后增加的趋势发展。当粉煤灰掺量达到30%以上时，自密实混凝土的J型环间隙通过性优于对照组。这说明粉煤灰超过一定含量会改善自密实混凝土的间隙通过性能［10］。

图4 J型环试验结果Fig.4 Result of J-Ring Tests

不同粉煤灰掺量自密实混凝土的L 型仪间隙通过性结果如表4所示。

表4 L型仪试验结果Tab.4 Results of L-Box Tests （mm）

同样地，自密实混凝土的L型仪间隙通过性PL可以通过式⑵计算出来：

L型仪通过率（PL）=△Y/△X⑵

其中，△Y为L型仪垂直部分（Y方向）的混凝土的平均深度（mm）；△X为L 型仪水平段末端（X方向）混凝土的平均深度（mm）。PL 表示L 型仪混凝土通过率，PL的数值越大，表示新拌混凝土穿越钢筋的能力越好，反之则越差。不同组别的间L 型仪间隙通过性如图5所示，可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，自密实混凝土的L 型仪间隙通过性呈先增加后降低的趋势发展。总的来说，掺入粉煤灰后，自密实混凝土的间隙通过性都有所改善。这是因为粉煤灰的球形颗粒形状，减少了颗粒之间以及浆体与钢筋之间的摩擦力［11］，有效改善自密实混凝土的间隙通过性［12］。当粉煤灰掺量达到20%时，自密实混凝土的L 型仪间隙通过性达到最佳。