粗集料堆叠率对自密实混凝土性能的影响.pdf

2 0 1 5 年 第 2期 ( 总 第 3 0 4 期 ) N u mb e r 2 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 0 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M AT ERI AL AND ADM I NI 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 5 0 2 0 2 0 粗集料堆叠率对 自密实混凝土性能的影响 沈卫国 ， 李正昊 ， 谭昱 ， 李新玲 ，张川 ( 武汉理工大学 a 硅酸盐建筑材料国家重点实验室，b 材料科学与工程学院， c 加州大学 伯克利? 昆 凝土科学技术联合实验室， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 研究了自密实混凝土中粗集料的堆叠率和级配对 自密实混凝土流动性、 间隙通过性 、 填充性能和强度的影响。 研究表 明： 随着粗集料堆叠率的增大 ， 自密实混凝土的各种工作性会逐渐变差 ， 随着级配的细化 自密实混凝土工作性则改善， 但混凝土 强度则会随着堆叠率 的增大而增大， 随级配的细化强度则降低。 由此 可见， 在粗集料用量和级配设计方面， 工作性和强度之间存 在对立关系， 在满足自密实混凝土工作性的前提下尽可能增加粗集料用量 ， 采用较粗的级配有利于力学性能的提高。 关键词：自密实混凝土； 堆叠率 ； 级配 ； 工作性； 强度 中图分类号： T U 5 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 5 ) 0 2 0 0 7 3 0 3 S t a c k c o a r s e a g gr e g a t e r a t i o on t h e p r o p e r t i e s o f s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e SHEN W e i gu o a , b , c ，LIZhe n g ha o ， TAN Yu ， LI Xi nl i n g ， ZHANG Chu a n g ( a S c h o o l o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n d En g i n e e ri n g ， b S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f S i l i c a t e Ma t e ria l s f o r Ar c h i t e c t u r e ， c WUTUC B e r k e l e y J o i n t La b o r a t o r y o n C o n c r e t e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， Wu h a n 4 3 0 0 7 0， Ch i n a ) Abs t r a ct ： S t u d i e d t h e i n flue n c e s o f g r a d a t i o n a n d p a c k i n g r a t i o o f c o a r s e a g g r e ga t e o n the f l u i d i t y， pa s s i n g a b i l l i t y t h r o ug h g a ps ， f i l l i n g p e rfo r ma n c e a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e ( S C C) b y u s i n g t h r e e c o ars e a g g r e g a t e g r a d i n g a n d p a c k i n g r a t i o s ( 0 5， 0 6， 0 7 ) T h e r e s u l t i n d i c a t e s tha t t h e wo r k a b i l i t y o f S C C wo u l d b e wo r s e wi th i n c r e a s e o f p a r k i n g r a t i o a n d i n c r e a s e o f the me a n pa r t i c l e s i z e o f c o ars e a g g r e g a t e Ho we v e r ， the me c h a n i c a l s tre n g th o f SCC wo u l d i n c r e a s e wi t h p a r kin g r a tio o f c o a r s e a g g r e g a t e a n d m e a n s i z e o f t he c o a r s e a g g r e g a t e Ob v i o us l y t h e r e i s a c o nt r a r y i n flu e n c e b e t we e n the c o n t e n t o f c o ar s e a g g r e g a t e a nd the pa r t i c l e g r a d a t i o n o f i t o n t h e wo r k a bi l i t y a n d the s t r e ng t h s Th e r e f o r e t o me e t a n a p p r o p ria t e wor ka b i l i t y o f S CC， i nc r e a s e o n c oars e a g g r e g a t e c o n t e n t a n d me a n s i z e o f c o a r s e a g g r e g a t e gr a d a ti on wi l l c o n t r i bu t e t o the s t r e n g t h of S CC K e y wo r d s： s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e； p a c kin g r a t i o ； g r a d a t i o n； wo r k a b i l i ty ； s e n g th 0 引 言 由于社会和经 济的发展 ， 技术熟练 的混凝土工人 日渐 变少 ， 施工操作简单 ， 节约人力 的 自密实混凝土应时而 出。 自密实混凝土被定义为在保有 良好抗离析性的前提下具有 高流动性 ， 从而能够免去振捣 、 仅依靠 自身流动充满模板 、 包裹钢筋达到密实状态的高性能混凝土 ， 属于高流动性混 凝土的高端部分 。 新拌 自密实混凝土的关键性能指标包 括以下几个方面 ： ( 1 ) 超好的流动性 能 ； ( 2 ) 合适 的 自消气 功能 ； ( 3 ) 优 良间隙通过能力 ； ( 4 ) 良好 的抗离析能力 。 自密实混凝土 的概 念最早 出现于 1 9 8 6年 ， 是 由 日本 学者 O k a m u r a 所提出通过改进施 工工艺流程制备 高耐久 的混凝 土结构 。 O k a mu r a 认 为通过 限制 骨料含量 、 选 取低 水胶比 、 利用高效减水剂可配制出性能优越 的 自密实混凝 土。 其技术原则 概括为 ： ( 1 ) 粗集料 含量取 其堆积密 度 的 5 0 ； ( 2 ) 细集料 占砂浆体积的 4 0 左右 ； ( 3 ) 水胶比( 体积 比) 取值区间为 0 9 ， 1 0 ； ( 4 ) 超塑化剂的掺量与最终水 胶 比由拌合物 的自密实性能确定 。 这种设计方法被称 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 6 1 8 为“ E t 本方法” 。自密实混凝 土 的发 展大概可分 为三个 阶段 ： 首 先是 2 0世 纪 8 0年 代后 期 在 日本 的提 出与 应 用 ， 并且 在主跨度为 1 9 9 0 m的 明石海大桥成 功应用 。 其 次为 2 0世纪 9 0年代中后期在欧洲 的发展 ， 第三是本世纪 初 中国学者 N a n S u 、 K C H s u 等学者对 自密实混凝土设计 理念的突破 。 ， 被认为是一种“ 中国方法” 。 笔者通过抛填粗骨料增加了 自密实混凝土强度 的同时 大幅度降低 了混凝 土中胶凝材料用量 。 堆叠 率 ( P a c k i n g R a t i o ， P R ) 是反映粗集料在混凝土中堆叠和填充情况的指标： P R一 墨 主塑篡 量 r 1 、 一 粗集料松堆密度 k g m 本试验 中研究 了 值为 0 5 0、 0 6 0、 0 7 0和不 同集料 级配的 自密实混凝土 的工作性能及与强度 ， 探讨在保证 自 密实混凝 土性能的前提下提高粗集料用量 ， 降低胶凝材料 用量的可行性。 1 原材料和试验 方法 1 1 原材料 水泥 ： P 0 5 2 5级水泥 ， 其主要物理性能见于表 1 。 7 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 水泥的物理性能 矿渣微粉 ( G G B S ) 为 $ 9 5级 ； 粉煤 灰 ( F A) 为 I 级粉 煤灰。 天然砂 ： 采用 中粗 江砂 ， 细度 模数 为 2 8 0 ， 含泥 量 1 ， 表观密度 为 2 6 5 0 k g m 。 粗集料最 大粒径 为 2 5 m m 的碎石 ， 压碎值为 1 2 4 ， 表观密度为 2 7 1 0 k g m 。 外加剂 采用 S P C R 8聚羧酸高性能减水剂 ， 减水率 约为 2 8 。 还 有用于流变性改性剂的文莱胶 ， 拌和用水为 自来水 。 1 2试 验 方 法 新拌混凝土的工作性能通过坍落度桶 、 J 型环 、 u型箱 来测试。 其检验方法按 J G J T 2 8 3 -2 0 1 2 ( 自密实混凝土应 用技术规程 。 力学性 能依据 国家标 准 G B T 5 0 0 8 1 2 ( 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标准 中相关规定进行试验。 1 3试 验 配 合 比 碎石级配是 由 A集 料 4 7 5 9 5 m m 与 B集料 9 5 1 9 1 6 1 3 2 9 5 4 7 5 2 3 6 筛分粒度 m m 图 1 碎石的颗粒级配 表 2列出了 9种配合 比， 分别是三种不 同堆叠率下三 种不 同碎石级配的配合 比。 并且按照这 9种配合比进行混 2 5 m m两种碎石 以不同比例混合而得到的三种不 同级配 凝土拌制并成型 。 表 2 不同堆叠率和级配组成的配合比设计 2结 果 与讨 论 2 1 粗集料级配及堆 叠率对拌合物流动性的影响 T 指 白密实 混凝 土扩展 度达 到 5 0 0 m m 所 需 的时 间， 反映了 自 密实混凝土的流动性 ， 由图2可以看出， 自密实 T 随着粗集料堆叠率的增大有上升趋势， 但均在 5 1 5 S 的 区间范围之内， 能满足 自密实混 凝土的要求 ； 相 同堆 叠率 情况下随着颗粒级 配的变细 ， 自密 实 T 。 。 变短 ， 在 比较小 的堆 叠率 下 ， 这种影 响尚不 明显 ， 如在堆叠率为 0 5的条 件下 ， 级配的影响不明显 ， 在高堆叠率情况下 ， 趋 势线 的斜 率更大 ， 这表明这时级配对粗集料高堆叠率 自密实混凝 土 的 T 影响更为显著 ， 即粗集料 总量越 多的情况 下平均 粒 径越小 T 值越小 。 2 2 级配组成及堆 叠率对拌合物通过性 的影 响 自密实混凝 土应在 穿过钢筋 网时不 出现粗集料 的离 析现象。 笔者采用 J 环研究了不同堆叠率和级配对 自密实 混凝土的间隙通过性能影响作 了对 比研究 ( 图 3 ) 。 从 图 3 可 以看见出 ， 随着 自密实混凝土 中粗集料堆叠率 的增大 内 外高程差相应增 大 ， 但都在 1 5 mm之 内。 这是 由于堆叠率 增大其砂浆体积减少 ， 增加集料间以及集料与钢筋之间的 7 4 摩擦 阻力所致 。 但是其颗粒级配的细化 ， 高程差逐渐减小 ， 这是因为集料粒径 的降低 有助于提高 自密实混凝 土的抗 离析性 ， 在堆叠率低的情况下级配的改变带 来高程差更大 的降低 。 P R和 级 图2 P R及级配组成对拌合物 T 的影响 2 3 级配与堆叠率对混凝土回填性能的影响 自密实混凝土必须具有 良好 的 回填性能满 足复杂混 凝土结构的施工 ， 采用 u形箱研究 了自密实混凝土的回填 性( 填充性) ， 由图 4可 以看 出 u 型箱的 回填高 度与 自密 实混凝土 中粗集料堆叠率成反比的， 级配的细化有利于 自 密实混凝土回填性能的改善 ， 在高堆叠率情况下级 配对 回 填高度 的影响更 明显。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m PR= 0 5 P R= 0 6 P R= 07 1 2 3 1 2 3 l 2 3 P R和级 配 图 3 P R及级配组成对拌合物通过 J环的影响 吕 g 邃 粗 叵 璐 回 蜒 副 RR和 级 配 图4 P R及级配组成对拌合物 u型箱回填高度的影响 2 4 堆叠率及级配对抗压强度和抗折强度的影响 如图 5 、 6显示 了不 同堆 叠率及相 同堆叠率 不 同级配 粗 自密实混凝土 7 ， 2 8 d抗压 强度和抗折强 度。 由图可 以 看出 ， 随着堆叠率的增加 ， 抗 压强度有所提 高； 当堆叠率为 0 7时 ， 自密实 昆 凝土 的抗压强度高达 8 3 4 MP a ； 而在相 同 堆叠率的情况下 ， 不同级配对 自密实混凝土 的抗压强度影 响 明显 ， 级 配的细化 导致 强度 的显 著降低 ， 在堆叠 率较大 的自密实混凝土 中， 这种效用更为显著。 RR和级 配 图5堆叠率及级配组成对 S C C 7 、 2 8 d 抗压强度的影响 、 憩 P R= 0 5 P R= O6 P R= O 7 A 。 、 oI。 、 口 一7d 一 2 8 d I 2 3 I 2 3 I 2 3 RR和级配 图 6堆叠率及级配组成对 S C C 7 、 2 8 d抗折强度的影响 由于堆叠率 的提高带来 的抗压强度增加 主要 由于粗 集 料含量增加 ， 粗集料颗粒 之间相互嵌 锁程度有所 上升 ， 粗集料 间的平均 自由程 减小 ， 裂纹在扩 展过程 中， 易受 到 粗集料 的阻碍 ， 从而起 到阻止裂纹扩展 的作 用。 可以看出 自密实混凝土 的抗压强度随着堆叠率提高而增加 。 堆叠率对 自密实 昆 凝 土抗折强度 的变 化规律和抗压 强度基本一致 。 从 以上研究可 以看 出 ： 堆叠率 的增加对 自 密实 昆 凝土工作性都有不 同程度 的降低 ， 级配 的细化则有 不 同程度 的改善。 对于混凝土 的力学 性能而 言， 堆叠率 的 增加则显著 的增加 了混凝土的抗折抗压强度 ， 级配 的细化 则对强度有不 同程度 的降低 ， 所 以在 自密实混凝土设计时 要把握好工作性和强度之间的关 系， 在保证工作性 的前提 下 ， 尽可能采用有利于混凝土力学性能的配合 比设计方案。 3 结 论 ( 1 ) 随着堆叠率增大 ， 拌合物 T 随之增大 ， 高堆叠率 情况下 ， 级配 的细化 降低 了 T 。 。 ， 级 配对 T 的影 响更 为 显著 ； ( 2 ) 随着堆叠率的增大， 拌合物通过性能降低， J 环内 外高程差增大 ， 级配 的细化 降低 了高程差 ， 在堆 叠率低 的 情况下级配对通过性影响更大； ( 3 ) 随着堆叠率的增大 ， 拌合物 回填性能减弱 ， u型箱 B室回填高度减小； 级配细化增加了提回填性能； ( 4 ) 堆叠率的增加 显著增 加了 自密实混凝 土的强度 ， 级配的细化显著降低了混凝土强度。 参考文献： ： 1 G O O D I E R C I D e v e l o p m e n t o f s e l f c o m p a c t i n g c o n c r e t e J S tr u c t u r e s a n d B u i l d i n g s ， 2 0 0 3 ( 1 1 ) ： 4 0 5 4 1 4 2 H U N G E R M A n I n t e g r a l d e s i g n c o n c e p t f o r e c o l o g i c a l s l e f c o m p a c t i n g c o n c r e t e D E i n d h o v e n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T h e Ne t h e r l a n d s P ri n t e d b y ： Un i v e r s i t e i t s d r u k k e r i j 3 3 0 K A M【 R A H S e l f c o m p a c ti n g h i 曲一 p e r f o r m a n c e c o n c r e t e J C o n c r e t e I n t e r n a ti o n a l ， 1 9 9 7 ， 1 9 ( 7 ) ： 5 0 5 4 4 O K A MU R A H， O U C H I M S e l f c o m p a c t i n g c o n c r e t e d e v e l o p me n t ， p r e s e n t ， a n d f u t u r e， RI LEM ， Pr o c 1 s t I n t e rn a t i o n a l RI LEM S y mp o s i u m o n S e l fComp a c t i n g Co n c r e t e， 1 9 9 9： 3 1 4 ：5 B R O U WE R S H J H， R a d i x H J S e l f c o m p a c t i n g c o n c r e t e ： t h e o - r e fi c a l a n d e x p e r i m e n t a l s t u d y J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 20 0 5， 3 5： 21 1 621 36 6 3 E R N S T F M L， e t a 1 MS c T h e s i s T U E C C O 0 0 0 9 ， E i n d h o v e n Un i v e r s i t y o f Te c h no l o g y， Fa c ul t e i t Bo u wk u n d e， Ca pa c i t e i t s g r o e p C o n s t r u c t i e f O n t w e r p e n ， E i n d h o v e n ， T h e N e t h e r l a n d s ， 2 0 0 0( i n D u t c h ) 7 3 S U N， MI A O B A n e w me th o d f o r mi x d e s i g n o f me d i u m s e n g t h c o n c r e t e wi t h l o w c e me n t c o n t e n t r J C e me n t&C o n c r e t e Co m p o s i t e s ， 2 0 0 3， 2 5： 21 522 2 8 3 S H E N W G， C A I Z ， Z H A N G T ， e t a 1 I n v e s t i g a t i o n o n the s c a t t e r i n g一舢i n g c o a r s e a g g r e g a t e s e l f c o n s o li d a t i n g c o n c r e t e J M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s 2 01 0 4 3： 1 3 4 3 1 3 5 0 作 者简 介 ： 联系地址 ： 联 系 电话 ： 沈卫国( 1 9 7 1 一 ) ， 男 ， 研究员 ， 工学博士 ， 研究方向： 道 桥建筑材料。 武汉理工大学材料科学与工程学院( 4 3 0 0 7 0 ) 1 3 3l 71 2 5 5 3 9 7 5 加 m 5 0 g g毫 妲酶 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m