粗骨料颗粒形状指数、级配对自密实混凝土工作性能的影响.pdf

2 0 1 1年 第 1期 (总 第 2 5 5期 ) Nu mb e r】 i n 2 0 1 1 ( T o ml No 2 5 5) 混 凝 土 Co n c r c t e 原材料及辅助物料 T ERI AL AND A工 I A CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 1 0 2 0 粗骨料颗粒形状指数、 级配对自密实混凝土 工作性能的影响 严琳 。杨长辉 。王冲 。 ( 1 深圳市建筑科学研究院有限公 司，广东 深圳 5 1 8 0 4 9 ；2 重庆大学，重庆 4 0 0 0 4 5 ) 摘要： 自 密实混凝土的“ 自密实” 性能的优劣， 可以以砂浆基材的流变体系和粗骨料品质、 级配的综合作用来评价。在砂浆基材性能良 好的情况下， 粗骨料的粒形和级配等成为了影响自 密实混凝土工作性能的重要因素。 本研究以性能良好的砂浆基材为前提， 研究了粗骨料 的形状指数和级配对 自密实混凝土拌合物流变性能和工作性能的影 响。 关键词 ： 自密实混凝土 ；颗粒形状指数 ；工作性能 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 l 一 0 0 7 5 0 3 I n f l u en c e o f c oar s e a ggr e ga t e s。 sh ap e i nde x a nd gr a da t i on i n s el f c ompa c t i n g c onc r e t e 。 S r h e ol ogi c al be ha vi or a nd wor k i ng pe rfor m a nc e Y AN Li n ， Y ANG C h a n g - hu i ， WANG C ho n g ( 1 S h e n z h e nI n s t i t u t e o f B u i l d i n gR e s e a r c hCo ， L t d ， S h e n z h e n 5 1 8 0 4 9 ， C h i n a ； 2 C h o n g q i n gUn i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5 ， C h ma ) Abs t r act： T h e s e l f - c o mpa c t i n g p e r f o r ma n c e o f t h e c o n c r e t e mi x t u r e c o u l d b e e v a l u a t e d wi t h t h e c o mb i n e d e ffe c t o f Mo r t a r s r h e o l o gic s y s t e m a n d the s h a pe q u a l i ty a nd g r a d i n g o f c o ars e a g g r e g a t e s Wh e n mo r t a r h a d we l l be h a v i o r ， the i mp o r t a n t a t t r i b u t e i n flu e nc e s e l f - c o mp a c t i n g c o n- c r e t e S wo r k i n g p e r f o r ma n c e are c o a r s e a g g r e g a t e s s h a pe a n d gr a d a t i o n Th e me th o d t h i s p a pe r ha v e b e e n u s e d t o i n v e s t i g a t e th e s e l f - c o mp a c t i n g t h e o r y i s t o i n v e s t i g a t e t h e i n fl u e n c e o fc o a r s e a g g r e g a t e s s h a p e i n d e x a n d gr a d a t i o n i n s e l f - c o mpa c t i n g c o n c r e t e S r h e o l o g i c a l b e h a v i o r a n d wo r k i n g p e r f o rm an c e u n d e r fi x e d h i g h p e rfo r m a n c e mo r t a r Ke y wor ds ： s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e； s ha p e i n d e x； wo r k i n gp e rfo r ma n c e 1 自密 实混凝 土的“ 自密实” 机 理 自密实混凝土的优势在于浇筑使用过程中无需施加任何 振捣， 仅在依靠 自重的推动下达到流平、 致密或较好填充的效 果完全填充至模板内任何角落和钢筋间隙( 图 1 为混凝土流平 的状态) 。 因而自密实混凝土拌合物的质量是否均匀稳定， 使用 效果较好 ， 关键在于如何处理砂浆体黏度、 粗骨料颗粒的大小 与分布、 骨料颗粒的形状、 粗骨料一 砂浆浆体之间的体积比等问 题。 因而需要通过掺入超塑化剂、 调整混凝土中粗骨料含量、 粗 细骨料比例、 砂浆体黏度和水泥浆体总量等途径， 使混凝土拌 合物的屈服应力 r 减小到适宜范围， 同时又具有足够的塑性黏 度 7 ， 使混凝土具有良好的黏聚性和保水性， 使得混凝土拌合物 图 1 自密实混凝土的流 平状态 收稿日期 ：2 0 1 0 - 0 8 2 4 在流动性能优良的同时， 能够在流动和浇筑过程中使粗骨料不 与砂浆体分离 ， 均匀分布在浇筑模型内， 形成密实且均匀的结 构， 满足自密实混凝土抗离析性能的要求。 自密实混凝土的“ 自密实” 性能可以归结为砂浆基材的流 变体系和粗骨料品质、 级配的综合效果。 因此， 研究砂浆基材的 流变特性以及粗骨料品质、 级配等对 自密实混凝土流变性能、 工 作性能的影响， 是探讨自密实混凝土“ 自密实” 机理的主要手段。 自密实混凝土的流变性能与砂浆基材的流变性能相关性 很强， 砂浆基材流变性能的变化规律直接影响自密实混凝土流 变性能的变化规律。 同时， 在砂浆基材性能良好的基础上， 粗骨 料的形状、 尺寸和级配同样对自密实混凝土的流变性能和工作 性能影响很大。 因此要配制出“ 自密实” 性能优越的自密实混凝 土， 需要选择性能良好的砂浆基材和使用形状指数较好 、 尺寸 和级配合理的粗骨料， 以保证自密实混凝土的黏聚性和良好工 作性能。 2 原材料及试验 方法 2 1 原材料及其性能指标 ( 1 ) 水泥 ： P O4 2 5 R级水泥， 化学成分见表 1 。 ( 2 ) 矿渣粉 ： 水淬高炉矿渣粉 ， 比表面积为4 9 0 0 c mV g ， 密 度为2 9 0 e g c m3 ， 化学成分见表 1 。 7 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 水 泥及矿物掺合料的化学成分 材料 化学成分 品种 C a O S i O2 A1 2 O3 F e 2 O 3 T i O2 Mg O S O 3 N a 2 O Mn O L o s s ( 3 ) 粉煤灰： I I 级灰， 比表面积为4 6 0 0 c m g ， 密度为2 3 3 g c m ， 化学成分见表 1 ( 4 ) 硅灰： 比表面积约为 2 0 x 1 0 c m2 g ， 化学成分见表 l 。 ( 5 ) 细骨料 ： 来 自于四川简 阳， 含泥量 2 2 ， 细度模数 2 7 3 ， 堆积密度 ： 1 6 4 0 k g m 。 ( 6 ) 粗骨 料 ： 石 灰石 碎石 ， 5 1 0 m m 级 配 和 1 0 - 2 0 m m 级 配复合使用 ； 其中 ， 5 - 1 0 mm级配石子 含泥量 O 5 ， 堆积密度 1 5 7 0 k g m ， 1 0 2 0 m m石子含泥量 0 2 ， 堆积密度 1 6 0 0 k g m 。 2 2试 验 方 法 混凝土拌合物 T 流动时间及坍落扩展度测试按 C C E S 0 2 ： 2 0 0 4 ( 自密实混凝土设计与施丁指南 【 1 要求。 3 粗 骨料 形状指数 对 自密实混凝 土工作性 能 的影响 粗骨料在混凝土拌合物流动过程中处于连续的砂浆包围 中， 其颗粒之间不直接接触或接触不多， 靠具有黏塑性的砂浆 体拖动粗骨料一起流动。 粗骨料在 白密实混凝土拌合物的流动 过程中， 必然处于相对滞后的状态： 粗骨料随着砂浆体一起流动 时流动性较差， 其阻碍作用取决于颗粒 的大小和形状 。 从 颗粒 形态而言 ， 针 、 片状结构在混凝 土拌 合物的流动 中 多呈平置状态( 见冈2 ( a ) ) ， 其颗粒的流动动力主要来自砂浆体 对垂直 于流 向的颗粒表面推动 力， 因此砂浆体 对针 片状骨 料运 动的推动力不够 ， 以致骨料与砂浆体 分离 ， 甚 至影响到临近 的 骨料流动性 ， 导致混凝土的流动性和稳定性变差 。 当粗骨料颗粒 形状较差， 含针片状颗粒较多时， 孔隙率和比表面积增大， 与砂 浆体接触面增加 ， 表面吸水量增加， 摩擦阻力增大， 致使混凝土 和易性降低； 一定量的砂浆体充填到颗粒间的孔隙中去， 剩余的 砂浆体数量减少 ， 导致混凝土拌 合物 内部起润滑作用砂浆层厚 度减少， 以致混凝土在整体运动过程中阻力增大。 而形状规则的 粗骨料在混凝土拌合物流动过程中受力较均匀能较好的保持拌 合物整体的稳定性， 使混凝土拌合物的黏聚性增强( 见图 2 ( b ) ) 能够很好的减小水泥用量 ， 提高混凝土拌合物的工作性能。 一 一一1 一 =r ， = 一 一 ( a 1 ( b ) 图 2 不 同形态的粗 骨料在 自密实混凝土 中的受力情况 粗骨料的几何形状特性可以用粗骨料的球度和形状指数 表示吲 ： 7 6 ( 1 ) 粗骨料颗粒球度。 设粗骨料颗粒 自然体积为 ， 紧密包 裹粗骨料颗粒的球的体积为 ， 颗粒体积 与球体积 V 之比 为粗骨料颗粒球度 O t ， a = V V ， 0 1 ， O 值越大 ， 颗粒形状越接 近球体 ， 反之则颗粒形状越接近针 片状 ( 图 3 ) 。 图 3 粗 骨料颗粒球度 ( 2 ) 粗骨料颗粒形状指数 。测得粗骨料颗粒球度 ， 将球度坐 标分成 1 0 2 0区间， 作卅粗骨料颗粒的球度分布率图( 图 4 ) 。 设 为球度区间( ， d ) 的平均球度 ： p d尸 = 1( O i- - O g i+ 1 ) ( 1 ) I U q i + 球 度 图 4 粗骨料颗粒球度的分布 只为粗骨料颗粒 在( O iq - O ： ) 内的分布率 ， 则粗 骨料颗粒形 状指数为： ， = ， ( 2) 粗骨料颗粒球度值越大且分布集中， 形状指数 ， 值越大， 粗 骨料颗粒形状越好 。 ( 3 ) 粗骨料颗粒形状指数计算。 本试验通过对原始粗骨料的 进 行筛分 、 选择性调整粗 骨料不 同颗粒形状 的含量 、 改变粗骨 料 的针片状含量等处理后 ， 配制出 3种不同性质 的粗骨料 ， 并计 算这 3种粗骨料的颗粒形状指数 ， ， 试验结果见表 2 。 试验结果显示 ( 见表 3 ) ， 粗骨料形状指数 由 0 4 7 4 3 减小到 0 3 7 8 5 ， T 流动时间增大、 坍落扩展度减小 、 L型流动仪高度比 口 ： 减小、 u型仪高度差 A h增大， 拌合物抗离析能力下降， 稳 定性变差。 说明粗骨料形状指数越大， T 流动时间越小、 扩展度 越大、 坍落度越大， 说明了粗骨料几何形状越好， 所配制的自密 实混凝土拌合物的黏度越小， 流动性越好， _T作性能越好。 因此， 配制工作性能良好的自密实混凝土， 推荐使用粗骨料针片状含 量少、 骨料粒形较好， 即粗骨料形状指数较好的粗骨料。 4 粗骨料尺寸、级配对 自密实混凝土工作性 能的影响 骨料尺寸和级配对混凝土的流动性影响显著。 混凝土需要 有较好的流动性， 必需要骨料尺寸合适和骨料级配理想。 骨料粒 径较大， 能提高混凝土的流动性， 增大混凝土坍落度； 但随粗骨 料粒径增大， 颗粒内部缺陷存在的机率增大， 同时在混凝土砂 浆基材黏度固定的情况下 ， 粗颗粒下沉速度加快， 容易造成混 凝土内颗粒分布不均匀， 甚至出现沉降离析， 从而影响了混凝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 粗骨料形状指数的计算 试 样 粗 骨 料 形 状 塑 垄 垦 壁 ! T soo 流 动 时 间L 型 流 动 仪 U 型 仪 ( ) 拌 合 物 稳 定 性 跳 桌 试 验 序号 指数 I 扩展度 坍落度 s H H m m 注 ： 大石子：小石子 ： 5 ：5 。 土的流动性 和耐久性。同样 ， 若粗骨料粒径太小 ， 使得石子的比 表面积增加 ， 孔隙率增大， 配制达到自密实混凝土标准的混凝 土势必要增加水泥用量 ， 提高成本； 同时， 粒径越小加工时黏附 在石子 表面上的粉尘越多 ， 给级配对混凝 土的和易性 、 经济性 有很大影响 ， 直接影响到混凝土的强度 、 抗渗 、 耐久性等。因此 ， 较好的骨料级配应当是孔隙率小， 以减少水泥用量并保证密实 度 ， 总表面积小 ， 以减少湿润骨料表面的需水量 ， 有少量的细颗 粒以满足和易性的要求等。因此， 在 自密实混凝土配制中， 自密 实混凝土时粗骨料 的最大粒径不超过 2 5 mm， 一般推荐最大粒 径小于2 0 m m为宜， 且孔隙率小于 4 0 为宜p ， 且针片状颗粒 含量要少； 若骨料的级配不好， 自密实混凝土的容易出现离析、 泌水等不 良现象。 为获得粗骨料的最优级配， 本试验通过选用不 同形状指数的石子 、 改变 5 1 0 mm石子和 1 0 2 0 m i l l 石子的 比 例， 研究粗骨料粒形和级配对自密实混凝土工作性能的影响。 根据维莫斯的“ 颗粒干扰” 学说， 较大颗粒含量高时， 整个 骨料的 比表面积较小 ， 客观上起到了增大水泥浆含量的作用 ， 提 高混凝土拌合物的流动性， 使混凝土具有较大的坍落度 ， 在一 定的和易性和水泥用量的条件下， 能减少用水量； 当较大颗粒 和细小颗粒含量达到一定较优比例时， 细小颗粒干扰较大颗粒 之间的距离， 使骨料颗粒之间的稳定性降低， 坍落度增大 ， 扩展 度增大； 但若较大颗粒含量继续增大 ， 细小颗粒含量继续减 小， 则颗粒干扰较小， 混凝土坍落度和扩展度反而不大【 5 j 。 因而， 控制 大小 石子 比例 ， 完善 粗骨 料 的级配 ， 能提 高混 凝土 的流 动性和填充性， 解决混凝土的离析和泌水的问题。l O 2 0 n l n l 石子含量过大 ， 混凝土拌合物的黏聚性变差 ， 抗离析能力也 变差。这是由于粒径较大的石子会增大石子问的接触， 增大混 凝土拌合物内摩擦力， 从而增大混凝土拌合物的流动阻力， 造 成混凝土拌合物工作性能变差； 在砂浆基材含量固定情况下， 对 限制 石子沉降 的能 力有限 ， 大石子含量高更容 易产生沉降 ， 增 大混凝 土拌合 物 中粗 骨料 的分 层离析 几率 。 同样 ， 随着 5 1 0 mm石 子含量 的增大 ， 自密实混凝 土 内部的密 实程度有所 提高， 但 5 1 0 r n t n石子含量过大 ， 也会造成混凝土拌合物的 黏度过小 、 流动阻力过小 ， 不足以限制大石子的沉降而造成 抗离析能力明显下降。 如表 4所示 ， 1 0 2 0iT t n l 石子 和 5 1 0 n i n石子 比例 为 5 ： 5 时， 自密实混凝土拌合物的工作性能指标最优； 1 0 2 0 mi l l 石子 和 5 1 0 l r r l 石子比例为 4 ： 6时， 与比例为 5 ： 5相比， 振动离析 率由 1 5 8 迅速下降到 5 6 1 ； 1 0 2 0 mm石子和 5 1 0 tur n石 子比例为 6 ： 4时 ， 与 5 ： 5相比坍落扩展度减小， 填充性能也稍 有下降。 表 4 粗骨料对 自密实混凝土工作性能的影响 注： 粗骨料形状指数 1 = 0 4 2 1 3 。 5结论 ( 1 ) 粗骨料形状指数越大， 说明其粒形越好， 针片状含量越 少， 所配制的自密实混凝土拌合物的黏度越小、 流动性越好， 工 作性能越好。 ( 2 ) l 0 2 0 I T l l n大石子含量过大更容易产生沉降， 增大混凝 土拌合物中粗骨料的分层离析几率， 5 1 0 n l n 1 石子含量过大， 也会造成混凝土拌合物的黏度过小 、 流动阻力过小 ， 不足以限 制大石子的沉降而造成抗离析能力明显下降。 在本次试验条件 下 ， 大石 子 ， J 、 石子 = 5 ： 5时 ， 能够使 自密实混凝土获得较优流变 性能和工作性能 。 下转第 8 0页 7 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 5 。 可以看 出随着秸杆掺量的增加 ， 试块的抗折强度逐渐升高， 抗压强度逐渐降低 。 材料 的内部缺 陷是试样破坏 的主要 因素 ， 当掺入秸杆纤维后 ， 由于秸杆纤维在材料 中处于三维任意分布 状态， 浆体硬化过程中改变了其内部结构， 减少了内部缺陷， 提 高了材料的连续性 ， 在材料受力过程 中秸杆纤维与基体共 同受 力变形， 纤维的牵连作用缓和了材料的荷载应力集中， 使基体 裂而不断并能进一步承受载荷， 可使材料的抗拉力增强 ， 从而 桔杆的加入使抗折强度得到提高； 因此， 在秸杆掺量合适的状 态下 ， 可使的材料的抗折强度有明 显的提高。 由于秸杆纤维材料 中主要起抗 拉作用 ， 则对抗压强度 没有增 加效果 ， 相反 由于秸 杆 的加入 ， 使整个体系 中水泥量的减少 ， 既水化产物 的减少 ， 因 此试样的抗压强度有所降低。 桔 杆) w ( 氧化镁+ 氯化镁 ) 图 4抗折 强度与秸杆掺量 的关 系 w ( 桔 杆1 w( 氧化镁+ 氯化镁 ) ， 图 5 抗压 强度与秸杆掺量 的关 系 2 2 2 秸杆掺量对密度 、 显气孔率和导热系数 的影响 对秸杆不同掺量所制材料的吸水率 、 孔隙率、 体积密度和 导 热系数见表 4 。 从 表 4可 以看出 ， B系 列试 样的体积 密度在 1 0 0 0 k g m 左右， 符合设计要求。试样的吸水率和显气孑 L 隙率掺 秸杆的 比不掺秸杆 的明显 的大 ， 而 随秸杆掺量增加吸水率和显 气孑 L 隙率略有增 加 ， 但 幅度很小 ， 这主要是 因为秸杆纤 维的加 入， 秸杆与水泥基体之间结合并不十分致密， 在水泥基体与秸 杆纤维之间存在着一定的孑 L 隙【=6 ， 正是基体与纤维问的结合带 来的孑 L 隙导致 厂 显气孑 L 率和吸水率的增加。 材料的导热系数最大的为不掺秸杆的B 0试样，当掺入秸 杆后明显降低， 且随秸杆掺量的增加降低， 也就是说秸杆的掺 人有助于提高材料的保 温隔热性能 ； 这主要 因为 ： 一方面 ， 秸杆 上接第 7 7页 参考文献 ： 1 】 C C E S 0 2 ： 2 0 0 4 ， 自密实混凝土设计与施工指南 s E 京： 中国建筑工 业 出版社 ， 2 0 0 5 2 徐飞 粗骨料颗粒形状评定方法的研究 J f_ 扬州大学学报： 自然科学 版 ， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 6 1 6 3 3 王雨利， 管学茂， 潘启东 ， 等 粗骨料颗粒级配对混凝土强度的影响 焦作工学院学报： 自然科学版， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 2 1 3 2 1 5 4 】王华生 ， 赵 慧如 混 凝土工程 便携 手册( K J 北 京 ： 机械 工业出版 社 ， 8 0 表 4 秸杆掺量与导热系数 、 密度 、 孔隙率和 吸水率的关系 本身为多微孑 L 结构材料 ， 具有 良好 的保温隔热性 能 ； 另一方面 ， 使 在料浆搅拌过程 中 ， 由于秸 杆纤维 的存在 ， 引入到料浆水 中 的空气大气泡被大量的纤维分割成小气泡， 从而减小材料中的平 均孑 L 径 ； 所以随秸杆掺量的增加 ， 材料 的保温隔热的性 能提高。 3结 论 ( 1 ) 以菱镁水泥为胶结料， 建筑垃圾为掺合料， 秸杆为保温 隔热填充料 ， 在掺 入适量的外加剂和 发泡 剂的情况下 ， 可制备 轻质保温墙体材料 ， 适用于非承重 围护结构的墙体保温材料 。 ( 2 ) 掺加适量的建筑垃圾粉有利于提高材料的强度， 当建 筑垃圾与氧化镁和氯化镁 比总量 比为 8 1 0 0时 ， 2 8 d 抗 压强度 达到 8 3 MP a ， 导热 系数为 0 0 9 2 W ( m K) 。 ( 3 ) 秸杆作为保温隔热填充料引入后， 在本试验条件下， 随 着秸杆掺量的增加， 抗折强度逐渐升高， 抗压强度逐渐降低。 保 温性能随秸杆掺量的增 加而提高 ， 当秸杆与氧化镁 和氯化镁 总 量 比为 1 2 1 0 0时 ， 所 制得的材料导热 系数为 0 0 6 8 W ( m K) ， 2 8 d抗压强度为 6 8 MP a 。 参考文献： 1 1 马欣 外掺料对秸秆一 氯氧镁水泥基材料耐水性的影响f J _河南建材， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 7 6 7 7 2 】 谢正保， 魏志坚 ， 蒋彬斌， 等 浅谈我国城市建筑垃圾管理存在的问 题及对策f J 1 农村经济与科技， 2 0 1 0 ， 2 1 ( 1 ) ： 9 8 9 9 f 3 3 李惠， 王雨 我国无机非金属固体类建筑垃圾的资源化途径初探fJ 1 吉林建筑工程学院学报 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 6 ) ： 1 5 1 7 4 J C HA N J ， U Z I n fl u e e e o f f l y o n t h e p r o p e r t i e s o f m a g n e s i u m o x y c h l o r i d e e e n l e n l叨Me a s u r i n g ， M o n i t o ri n g a n d Mo d e l i n g C o n c r e t e P r o p e i e s ， 2 0 06： 3 4 7 3 5 2 5 关辉， 吕建福， 巴恒静 氯氧镁水泥基材料体积稳定性研究 J 】 深圳大 学学报 ： 理工版， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 3 ) ： 2 9 6 3 0 0 6 曹旭辉 ， 朱祥， 钟春伟 ， 等 舀 草纤维 镁水泥复合材料的性能研究 J 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 5 ) ： 6 1 6 3 【 7 】王立久 ， 穆木兰 植 物纤维生产水泥基泡沫保 温墙体材 料的研究 J 1 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 6 1 6 2 ， 6 6 作者简介： 张长森( 1 9 5 7 一 ) ， 男， 教授， 主要从事无机非金属材料科研 和教学。 单位地址 ： 江办省盐城市亭湖区迎宾大道 9号 盐城工学院材料工程 学院( 2 2 4 0 0 3 ) 联 系电话 ： 1 3 7 7 0 0 3 8 9 5 6 2 0 01 5 盾明， 朱伟勇流态混凝土粗集料最佳级配的研究加 高校应用数学 学报， 1 9 9 0 ( 9 ) ： 3 9 7 4 0 2 作者简 介 单位地 址 联 系电话 严琳( 1 9 8 2 一 ) ， 硕士研究生， 主要从事新型建筑材料研究。 深圳I 市福田区上梅林梅坳三路 2 9 号 深圳市建筑科学研 究院有限公司( 5 1 8 0 4 9 ) l 35 9 0 4 7 3 O】 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m