砂率对自应力混凝土坍落度的影响.pdf

2 0 1 4 年 第 1期 (总 第 2 9 1期 ) Nu mb e r l i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 预拌混凝土 READY MI XED CONCRETE 砂率对 自应力混凝土坍落度的影响 满腾 ，王伯昕 。金贺楠 ( 吉林大学 建设工程学院，吉林 长春 1 3 0 0 6 1 ) 摘要： 自 应力混凝土( S S C) 因要获得工程所需的自应力水平， 自应力水泥用量较大， 拌合物的工作性能受较大影响， 故其配合 比设计与普通混凝土有较大差别 。 从砂率对新拌 自应力混凝土坍落度韵影响人手 ， 利用直角坐标系和半对数坐标 系下砂率一 坍落 度关系 ， 分析得到自应力混凝土最佳砂率取值范围。 同时根据试验数据对经典的 F u l l e r 砂石理想级配关系式进行修正 ， 以适应 自 应力混凝土配合比设计需要 。 进而提出利用改进 F u l l e r 公式下的整体细度模数以及粗 、 细集料细度模数求得最佳砂率范围的方 法 ， 为 自应力混凝土的工程应用提供设计参考。 关键词 ： 砂率 ；自应力混凝土 ；坍落度；F u l l e r 公式 ；级配 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 9 8 0 3 I n f l u e n c e o f s a n d r a t i o o n t h e s l u mp o f s e l f - s t r e s s i n g c o n c r e t e M AN Te ng， WANG Bo x i n， J I N He na n ( C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， J i l i n U n i v e r s i t y ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 6 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： As s e l f - s t r e s s i n g c o n c r e t e ( S S C) i s s u p p o s e d t o g e t s e l f - s t r e s s i n g l e v e l n e e d b y t h e c o n s t r u c t i o n ， a l a r g e q u a n t i ty o f e x p a n s i v e c e me nt s a r e h e n c e d e man d e d， whi c h ma k e s a g r e a t d i ffe r e n c e t o t h e wo r k i ng p e rfo r ma n c e o f t he mi xt u r e a n d t h e mi x d e s i g n o f SSC f r o m t h e c o mmo n c o n c r e t e Ba s e d o n t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n s a n d r a t i o an d s l u mp， the e f f e c t o f s an d r a t i o o n s l u mp o f fle s h s e l f - s t r e s s i n g c o n c r e t e wa s i n v e s t i g a t e d M e anwh i l e ， a c c o r d i n g t o t h e r e s u l t o f s l u mp t e s t s ， F u l l e r f o r mu l a wa s r e c t i fi e d t o s a t i s f y t h e mi x d e s i gn o f S S C The n， a ne w a p p r o a c h t o fi nd t h e o p t i mi z e d s a nd r a t i o o f SSC wa s p r o p os e d a s a r e f e r e n c e f o r c o ns t ruc t i o n de s i gn K e y w o r ds ： s a n d r a t i o ； s e l f - s t r e s s i n g c o n c r e t e； s l u mp； F u l l e r S f o r mu l a ； gra d e 0 引言 混凝土是现 当代土木工程 中应用最为广泛 的结构 材 料， 自应力混凝土因其自身在约束条件下能够建立较大的 预压应力值( 8 1 2 MP a ) t ” ， 从而使混凝土基体具有较高的 抗裂性能和抗弯性能 ， 在实际的混凝土工程中( 特别是在 混凝土结构构件中) 有着很广泛的应用前景。 但目前自应力 混凝土配合 比设计并没有规范的方法 ， 其主要原因是 ： 一方 面 自应力混凝土中水泥用量较大 ， 可能会远超过 J G J 5 5 2 0 1 l 普通混凝土配合 比设计规程 规定的最大水泥用量， 难 以用规范方法得 出； 另一方面 ， 自应力混凝土的配合 比 设计并不是以抗压强度作为设计指标的， 而是以约束条件 下能够达到的自应力水平作为设计依据 ， 因而难以建立 ca 应力混凝土各组分与 目标 自应力值的定量关系 2 。 在实际 应用中， 自 应力混凝土往往采用试配的方法进行配合比设计。 自应力 混凝土 多相 、 多孑 L 、 非 均质 的特点 以及组成材 料 日益复杂化和工程上对其性能的高要求直接决定了其 配合比设计的重要性。 而砂率的选择， 作为配合比设计的重 要环节 ， 显得尤为重要 。 收稿 日期：2 0 1 3 - 0 7 - 0 4 基金项 目：国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 0 8 2 0 7 ) 98 砂率是指混凝土中细集料的质量占集料总质量的百 分率。 随着砂率的变化， 集料的孔隙率和总表面积可以显著 改善， 特别是砂率可以对混凝土拌合物的工作性能产生影 响。 一般来说 ，砂率过大或过小均会影响混凝土的工作性 能， 严重者还会影响体积稳定性 。 如前所述 ， 在普通混凝土设计中， 规定有最大水泥用 量 ， 并在此基础上根据集料类型进行砂率选择， 这可能完 全不适合自应力混凝土水泥用量较大的情况。 另外， 近些年 水泥工业方面进展显著 ， 而规范给出的砂率推荐使用范 围 已不能完全适应现有混凝土新材料的情况。 例如， 在 普通 混凝土配合比设计规程 中， 水灰比达到 0 4 0 ， 碎石最大粒 径为 1 6 l i l n l 时， 砂率应选择在 3 0 3 5 范 围内 ， 这与此后 试验的结果完全不符。 本文对砂率和自应力混凝土拌合物 坍落度之间的关系进行了试验研究， 分析自 应力混凝土中砂 率对拌合物流动性的影响， 考虑其设计过程中的砂率选择 问题， 为实际工程自应力混凝土配合比设计提供参考依据。 1 原材料及试验方法 1 1 原材料 ( 1 ) 水泥： 采用国内某水泥供应商生产的4 0级安全型 自应力硫铝酸盐水泥。 ( 2 ) 细集料 ： 选用优质河砂 ， 其 中一组筛分析情况见 图 l ( a ) ， 平均细度模数经计算为 2 5 0 9 ， 中砂 。 ( 3 ) 粗集料： 选用石灰岩碎石作为粗集料， 公称粒径 5 1 6 m m， 其筛分析情况见图 1 ( b ) 。 ( 4 ) 超塑化剂 ： 使用第三代聚羧酸盐混凝土高性能超 塑化剂 。 1 2 配合 比设计 根据自应力混凝土目标 自应力值和强度要求， 选择水 灰比为 0 3 6 ， 灰集比为 1 ： 2 ， 选用砂率分别为 1 0 0 、 9 0 、 筛孔尺寸 mm ( a ) 细集料筛分 曲线 计筛余率， 0 3 0 9 1 2- 3 9 2 6 8 2 48 2 6 7 2 5 8 9 5 2 6 8 0 、 7 0 、 6 5 、 6 0 、 5 0 、 4 0 、 3 0 、 2 0 共计 1 1 组 ， 分 别在超塑化剂掺量占水泥质量的 0 3 0 、 0 2 5 、 0 2 O 三种 情况下考察砂率变化对拌合物坍落度的影响， 超塑化剂掺量 均符合厂家推荐掺量。 其配合比分组情况见表 1 ， 试验分组 编号中， A、 B 、 C分别表示超塑化剂掺量占水泥质量的0 3 0 、 0 2 5 、 0 2 0 o ， 数字 1 - 1 1 表示砂率由2 0 0 0 到 1 O 变化。 1 3 试 验 方 法 按照 S L 3 5 2 -2 0 0 6 ( ( 水工混凝土试验规程 要求进行 自应力混凝土拌合物坍落度试验， 每组配合比进行三次坍 落度试验 ， 取平均值 。 图 1 集料筛分析曲线图 表 1 配合E E 分组情况 筛孔尺寸 mm ( b ) 粗集料筛分曲线 2 试验 结果分析与讨论 2 1 坍落度试验结果及分析 超塑化剂掺量在水泥用量的 0 3 0 时( 图 2 ( a ) 曲线 3 ) ， 随着砂率的减少， 拌合物坍落度逐渐增大， 由 1 0 m i 1 左右 升至 2 0 0 mm以上， 坍落度增加速率也由慢到快变化， 在砂 率减小到 6 0 时， 坍落度曲线达到最大点， 此后曲线出现 短暂下降段 ， 当砂率继续减少时， 坍落度值随砂率变化几 乎不产生明显变化， 且砂率为 2 0 3 0 时， 拌合物出现离 析现象。 曲线实际上并没有出现普通混凝土砂率一 坍落度 曲线的峰值情况 。 当超塑化剂掺量在水泥用量的 0 2 5 时( 图 2 ( a ) 曲 线 2 ) ， 砂率一 坍落度曲线变化规律与超塑化剂掺量 0 3 0 相 似。 砂率减小至 6 0 左右时增速变缓， 在砂率减小至 5 0 5 5 处出现坍落度最大值， 砂率 4 0 5 0 段出现短暂下降 段 ， 此后坍落度基本不变 ， 直至离析。 当超塑化剂掺量在水泥用量的 O 2 0 时( 图 2 ( a ) 曲 线 1 ) ， 随着砂率的减少， 拌合物坍落度逐渐变大， 由 1 0 n l l T l 左右升至 1 0 0 m i l l 以上， 坍落度增加速率也由慢到快变化， 在砂率减小到 6 0 后 ， 出现下降段 ， 至砂率 5 0 ， 但是此 后， 坍落度仍能随砂率的减小而增大， 不出现离析现象。 曲 线并没有出现普通混凝土砂率一 坍落度凸线的峰值情况。 自应力混凝土配合比设计中， 拌合物的工作性能很大 程度上取决于超塑化剂的掺量 ， 但是由砂率控制的集料密 实程度是 自应力形成的重要条件， 由图2 ( a ) 中三条曲线可 以看出， 砂率大于 6 0 时， 随着砂率的减小， 坍落度显著增 加 ， 砂率 6 0 - 4 5 范围内， 曲线出现下降段， 此后趋于稳 定或逐步上升， 结合不同级配下的砂石混合料密实度试验 ( 图3 ) ， 可以认为砂率在 6 0 4 5 范围内有最佳砂率。 在半对数坐标系下， 图 2 ( b ) 中的三条曲线的变化趋势 更加明显， 砂率一 坍落度对数曲线明显呈现出双折线特点， 砂率为 6 0 出为曲线拐点， 当砂率大于 6 0 时， 混凝土拌 合物密实度明显不够， 当砂率小于 4 5 时拌合物离析可能 性增加。 显然与普通混凝土设计中 3 0 3 5 的砂率取值 不符。 此外， 普通混凝土的砂率一 坍落度曲线往往类似抛物 线， 当砂率小于最佳砂率时， 混凝土坍落度将会变小； 而在 自 应力混凝土配合比设计中， 因为水泥用量大， 水灰比小， 因而掺人的减水剂量较大， 使得砂率小于最佳砂率时， 曲线 下降段较少， 或仍能继续上升 ， 直至拌合物离析。 2 2 自应力混凝土配合比设计的砂率选择 一 般认 为混凝土拌合物 中固体部分的密实程度越大 ， 混凝土拌合物工作性能越好， 在集料级配合比面各国学者 提出过不同的理想级配曲线模型。 F u l l e r 提出过砂石的理想级配关系式 ： 9O 3 0 2 5 籁 2 0 靛 1 5 ： 蜜 1 0 0 5 砂 率 ( a ) 砂率一 坍落度曲线 +曲线6 ：超塑化剂掺量0 3 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 l O O 砂 率 ( b ) 砂率一 坍落度对数曲线 图 2 砂率一 坍落度 曲线及砂率一 坍落度对数 曲线 砂率 ， 图 3 砂石混合料密实度与砂率关系 l0 老 ) 式中： 固体颗粒通过筛孔 d的百分比； D 骨料最大粒径。 B o l o m e y 继而又提 出了最有名 的理想颗粒粒 径分布 计算关系式： l0 0 -A b) 砉 ) 式 中： A 常数 ， 其值取决于新拌混凝土的工作性能和集 料类 型。 文献 6 认为， 宜按照干硬I生 混凝土( 坍落度值 1 0 mm) 、 低塑性混凝土( 坍落度值 1 0 4 0 m i l 1 ) 、 塑性混凝土( 坍落度 值 5 0 9 0 m l n ) 、 流动性混凝土( 坍落度值 1 6 0 m m) 分别考虑连续级配 计算式。 将 F u l l e r 公式改为： V 砉 (3 ) 此处 n为系数。 当为干硬性混凝土时 ， n 取 1 0 ； 当为低 1 0 0 塑性混凝土时 ， n取 1 5 ； 当为塑性 混凝土 时 ， n 取 2 0 ； 当为 流动性混凝土时 ， n 取 2 5 ； 当为大流动f 生 混凝土时， n 取3 0 。 由理想级配关系式可以求得理想砂石级配条件下的 细度模数 ， 在最佳砂石结合中细集料的数量用 表示 ， 粗集料的数量用( 1 ) 表示 ， 其组合细度模数应该与理想 细度模数 相同 5 1 。 即有 ： M x M 0 、 一 x ) M L 4 ) 式中 ： 细集料细度模数 ， 应按文献 5 计算 ； 粗集料细度模数， 应按文献 5 计算。 即可得 到， 最佳砂率应为 ： ：Mf g - M r 、 M M 、 经计算 ， 细集料按文献 5 计算的细度模数平均值为 2 6 0 2 7 5 ， 粗集料按算得的平均细度模数为 5 9 6 7 6 。 由公 式 ( 7 ) 即可得到级配关 系式 ( 3 ) ( 5 ) 对应的砂率情况 。 具体 情况 由表 2 给 出。 表 2 各公式对应最优砂率计算值 由各公 式求 出的最佳砂率可 以看 出 n = 2 5 与 B o l o m e y 公式基本一致 。 而试验得 出的最佳砂率应在 4 5 6 0 ， 这 与 n = 2 0 和 n = 2 5的式( 5 ) 计算出的结果较为相似， 两者误 差在 5 左右 ， 因此建议 自应力混凝 土配合 比设计 中砂率 选取 的上 限应应用 n = 2 5的改进 F u l l e r 公 式进行计算 ， 而 砂率选取的下限应根据经典 的 F u l l e r 公式计算得到 。 具体 取值应根据灰集比和 自应力混凝土工作性 能选取 3 改进 F u ll e r 公式应用于 S S C砂率取值的可 行性 根据 自应力需求 ， 需要配制水灰 比 0 3 8 ， 灰集 比 1 ： 2 5 的自应力混凝土， 另有粗、 细集料的级配曲线如图 4 、 5 所 示 ， 粗 、 细集料 的细度模数分别为 2 5 4 4 3 、 5 9 9 8 6 ， 减水剂 掺量取为水泥用量的 O 1 8 ， 通过多组砂率情况下坍落度 试验得到最佳砂率 ， 用以验证上述方法计算 自应力混凝土 最佳砂率的可行性 。 计筛余率 0 2 1 5 1 3 2 8 2 5 1 2 4 9 2 7 71 4 3 93 1 8 筛孔尺寸 mm 图 4 细集料筛分析 曲线 首先利用式( 3 ) ， 分别取 n = 2 0 和 n = 2 5 ， 得到粗细集料 总体理想筛分曲线， 并求得理想细度模数， 再由式( 5 ) 求出 最佳砂率范围 ： 4 6 3 5 5 4 下转第 1 0 5页 ( 2 ) 掺加 3 0 超细粉煤灰可显著降低 2 8 d 硬化水泥浆 体的孔隙率， 优化孔径分布； 硅灰部分取代超细粉煤灰的 三元体系中， 2 8 d 硬化水泥浆体的总孔隙率进一步降低， 硅灰掺量为 8 时， 总孔隙率最低且平均孑 L 径最小。 复合水 泥粉体压实体空隙率与硬化浆体孔结构、 抗压强度具有 良 好 的对应关系 ， 压实体空 隙率越低 ， 硬化水 泥浆体 总孔 隙 率越低， 有害孔含量越少， 抗压强度越高。 ( 3 ) 砂率在 3 8 5 0 范围内时， 砂石骨料混合体系空 隙率随着砂率的增加呈现出先降低再增加的趋势， 砂率在 4 5 时， 砂石骨料混合体系空隙率最小， 其值约为 2 1 1 。 ( 4 ) 基于紧密堆积理论 ， 调整胶凝材料体和砂石骨料堆 积密度， 可以配制出胶凝材料总量 6 5 0 8 0 0 k g m3 ， 水泥用量 3 2 5 - 4 0 0 k g m3 ， 2 8 d 抗压强度 1 3 5 1 V i P a ， 6 0 d 抗压 强度 1 4 5 MP a 的超高强自 密实 凝土； 集中胶凝协 匡 沩 7 0 0 k g m ， 时 ， 超高强 自密实混凝土 6 0 d 抗压强度达到 1 5 2 5 MP a 。 参考 文 献 ： 【 1 】冯乃谦 高性能混凝土与超高性能混凝土的发展和应用 J 施工 技术 ， 2 0 0 9 ， 3 8 ( 4 ) ： 1 - 6 【 2 蒲心诚， 王冲， 王志军， 等 C I O 0 一 C 1 5 0 超高强高性能混凝土的强 度及变形性能研究 J 混凝土 ， 2 0 0 2 ( 1 0 ) ： 3 - 7 3 3 蒲心诚， 王冲， 刘芳， 等 特超强高性能混凝土的研制与展望 J 】 筛 孔尺 寸 mm 图 5 粗集料筛分析 曲线 此后 ， 取砂率为 2 0 、 3 0 、 4 0 、 5 0 、 5 4 、 5 8 、 6 2 、 7 0 、 8 0 、 9 0 、 1 0 0 ， 分别进行坍落度试验， 得到以下数据。 根据图 6 中曲线7和曲线 8 ， 可以大致判断其最优砂率 出现在 4 0 5 8 范围内 ， 与之前通过细集料 细度模数 、 粗 集 料细度模数 和改进 F u l l e r 级配 曲线细度模数计算 出 的 最佳砂率范围较吻合。 因此可以判定上述方法用于自应力 混凝土砂率选取中的可行性。 砂率， 图 6 砂率一 坍落度 曲线及砂率一 坍落度对数 曲线 混凝土与水泥制品， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 1 - 5 【 4 】万朝均 高强超高强高性能混凝土配合比设计经验探讨 J 】 混凝 土 ， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 4 1 4 3 【 5 GO L T E RMAN N P， J O HAN S EN V， P AL B O L L P a e k n g o f a g g r e g a t e： a n a l t e r n a t i v e t o o l t o d e t e r mi n e t h e o p t i ma l a g g r e g a t e mi x J AC I M a t e ri a l s J o u r n al， 1 9 9 7 ， 9 4 ( 5 ) ： 4 3 5 4 4 3 6 L A R R A R D F D ， S E D R A N T O p t i m i z a t i o n o f u l t r a - h i g h - p e r f o r m a n c e c o n c r e t e b y t l l e u s e o f a p a c k i n g mo d e l J C e me n t a n d C o n c r e t e Re - s e a r c h ， 1 9 9 4 ， 2 4 ( 6 ) ： 9 9 7 1 0 0 9 【 7 】沈业青 水泥压实体结构的评价与其硬化体的孔结构及性能【 D 】 南京 ： 南京工业大学， 2 0 1 0 8 】8 杨文 ， 程宝军 ， 刘小琴 微珠对水泥基胶凝材料性能的影响研 究 混凝土， 2 0 1 3 ( 6 ) 9 9 廉慧珍， 童良， 陈恩义 建筑材料物相研究基础 M 】 北京： 清华大 学出版社， 1 9 9 6 ： 1 1 8 1 1 9 I O WA N G A i q i n ， Z H A N G C h e n g z h i ， Z H A N G N i n g s h e n g T h e t b e o r e t i c a n aly s i s of t h e i n f l u e n c e of t he pa r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n of c e m e n t s y s t e m o n t h e p r o p e rt y o f c e m e n t 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 ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 1 1 ) ： 1 7 2 1 1 7 2 6 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 ： 程宝军( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 硕士 ， 研究方向 ： 水泥混凝土。 武汉市洪山区珞狮南路 248号 中建商品混凝土有限 公司技术中心办公楼2 1 1 室( 4 3 0 0 0 0 ) 1 3 6 5 9 8 5 491 l 4结 论 ( 1 ) 通过新拌自 应力混凝土的砂率 坍落度曲线， 得到自 应力混凝土在水泥用量较大( 接近或超过5 5 0 k g m， ) 时坍落度 随砂率变化曲线， 并将曲线简化为半对数坐标下的双折线模型。 ( 2 ) 根据试验数 据 ， 对 F u l l e r 砂石理想 级配关 系式进 行改进， 以适应自应力混凝土配合 比设计 ， 并与实际情况 对 比。 提 出了利用经典 F u l l e r 公式和 n = 2 5的改进 F u l l e r 公式计算自应力混凝土砂率取值范围的方法。 ( 3 ) 改进 F u l l e r 理想级配曲线方法基于致密配合比法 设计 ， 改变了传统的并且不利于自应力混凝土设计的砂率 选取方法。 采用粗 、 细集料筛分析数据 ， 并配合改进 F u l l e r 理想级配 曲线 ， 由纯理论角度求得集料最佳使用 比例， 可省 去传统的试配法的繁琐过程， 提高效率。 参考文献 ： 1 王伯昕 简支转连续体系自应力法加固旧桥试验研究 D 大连： 大连理工大学， 2 0 0 8 2 李世龙 制管用自应力混凝土的配合比设计 J 】 混凝土与水泥制 品， 1 9 9 2 ( 5 ) ： 4 0 4 4 3 王立久淮 最1 圭 砂率数割 院叨； 昆凝土， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 2 9 - 3 2 4 王立久 建筑材料学【 M E 京： 中国电力出版社， 2 0 0 8 【 5 】 Ma r i o C o l l e p r d i ， 等 混凝土配合比设计【 M 刻数华， 李家正， 译 北 京 ： 中国建材工业出版社 ， 2 0 0 9 ( 6 ) 6 傅沛兴普通混凝士砂石级配的研究叨建筑材料学报， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 1 _ 6 7 】 S L 3 5 2 -2 0 0 6 ， 水工混凝土试验规程 S 【 8 】 吴中伟， 张鸿直 膨胀混凝土 M】 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 0 作者简介： 满腾( 1 9 9 0 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 混凝土及预 应力混凝土结构。 联系地址： 吉林省长春市西民主大街 9 3 8 号 吉林大学建设工程 学院建筑工程系( 1 3 0 0 6 1 ) 联系电话 ： 1 5 0 4 3 0 6 6 7 5 6 1 05