基于最紧密堆积理论的自密实混凝土制备与性能研究.pdf

基于最紧密堆积理论的自密实混凝土制备与性能研究时宇袁罗小东袁彭丙杰袁吴涛袁陶俊袁黄小川渊成都建工赛利混凝土有限公司袁四川 成都 610300冤摘要院基于最紧密堆积理论袁对砂石和胶凝材料进行了最紧密堆积设计袁选用最佳配合比制备了高速铁路CRTS芋型板式无砟轨道自密实混凝土袁并对其性能进行了测试遥 结果表明院当 m2 区砂颐m3 区砂=6颐4袁m5耀10 mm 石颐m5耀10 mm 石=4颐6袁水泥尧粉煤灰尧矿粉质量比为 7.0颐0.5颐2.5袁水胶比为 0.35袁膨胀剂掺量为 5%时袁所制备的自密实混凝土性能良好袁扩展度可达 660680 mm袁T500为 46 s袁28 d 抗压强度跃40 MPa袁56 d 干燥收缩臆400伊10-6袁满足相关标准要求遥关键词院最紧密堆积原理曰CRTS芋型板式无砟轨道自密实混凝土曰制备曰性能中图分类号院TU528.041文献标识码院Adoi:10.19761/j.1000-4637.2023.09.017.06Preparation and performance research of self-compacting concrete based ondense packing theorySHI Yu,LUO Xiaodong,PENG Bingjie,WU Tao,TAO Jun,HUANG Xiaochuan(Chengdu Seller Concrete Co.,Ltd.,of CDCEG,Chengdu 610300,China)Abstract:Based on the dense packing theory,the design of the dense packing of sand and cementitious materials wascarried out.The optimal mix proportion was selected to prepare the high-speed railway CRTS芋 type slab ballastless trackself-compacting concrete,and its performance was tested.The results show that when mzone 2 sand颐 mzone 3 sand=6颐4,m510 mm stone颐m510 mm stone=4颐6,the mass ratio of cement,fly ash,and mineral powder is 7.0颐0.5颐2.5,water binder ratio is 0.35,and thecontent of expansion agent is 5%,the self-compacting concrete has good performance.The expansion can reach to 660680 mm,T500is 46 s,28 d compression strength跃40 MPa and 56 d drying shrinkage臆400伊10-6,meeting relevantstandard requirements.Keywords:Dense packing theory;High-speed railway CRTS芋 type slab ballastless track self-compacting concrete;Preparation;Performance0引言当代交通运输和出行方式中袁城市轨道交通因具有节约城市用地尧出行效率高尧成本低尧节能环保尧较高的安全保障等优势袁是我国交通运输建设发展的重要方向1遥 我国在引进尧消化尧吸收国外先进轨道技术的基础上袁 开发出具有自主知识产权袁可应用于城市轨道交通工程建设中的轨道板遥 该轨道板具有传力明确尧易维修尧整体性好等特点2-3遥 轨道板与下部基础底座之间设置了一层特殊填充层结构袁该填充层基本处于封闭状态袁在灌注混凝土时无法振捣袁仅靠重力填满轨道板内部空间袁这就要求填充层材料具有较高的自流平性能袁通常填充层材料采用自密实混凝土遥 此外袁填充层内部封闭袁其中布满钢筋网片尧绝缘卡子尧防裂网和垫片袁会对自密实混凝土的流动起到阻碍作用4-6袁且自密实混凝土中的气泡无法排出遥 因此袁自密实混凝土还需具有良好的间隙通过性尧自填充性尧稳泡性7-9遥目前袁自密实混凝土在城市轨道交通工程中的应用时间相对较短袁高流动性与高体积稳定性渊少离析尧少泌水冤之间的关系研究还相对较少10遥 本文基于最紧密堆积原理袁 调整胶凝材料和骨料的比例袁 制备高速铁路 CRTS芋型板式无砟轨道自密实混凝土袁并对其工作性尧强度和干缩性能进行测试袁以期为相关研究提供借鉴遥1试验概况1.1原材料胶凝材料院淤四川洋房水泥股份有限公司生产的P 窑 O 42.5 级水泥袁7 d 水化热 310 kJ/kg袁 比表面积335 m2/kg曰于四川双实建筑有限公司生产的 S95 级矿粉袁比表面积 470 m2/kg袁表观密度逸2.8 g/cm3袁28 d圆园23 年第 9 期混 凝 土 与 水 泥 制 品圆园23 晕燥.99 月悦匀陨晕粤 悦韵晕悦砸耘栽耘 粤晕阅 悦耘酝耘晕栽 孕砸韵阅哉悦栽杂September17-%活性指数 98%袁流动度比 97%曰盂成都搏磊粉煤灰综合开发有限公司生产的粉煤灰袁细度渊45 滋m 方孔筛筛余冤8.0%袁需水量比 94%袁烧失量 3.0%遥胶凝材料的化学组成见表 1遥表 1胶凝材料的化学组成Table 1Chemical compositions of cementitious materials胶凝材料MgOSO3SiO2Al2O3Fe2O3CaOMnONa2O+K2O其他烧失量水泥矿粉粉煤灰3.125.70要2.032.891.5421.4032.2951.754.1514.7925.433.20要6.6963.4836.47要要4.21要要要3.251.313.653.571.31要要圆园23 年第 9 期混凝土与水泥制品总第 329 期骨料院 粒径为 510 mm尧1016 mm 的碎石曰2区尧3 区中砂袁细度模数分别为 3.0 和 2.2曰标准砂遥外加剂院聚羧酸减水剂 GK-3000尧UEA 膨胀剂遥水院自来水遥1.2试验方法1.2.1Dinger-Funk 模型采用 Dinger-Funk 模型确定填充层自密实混凝土粉料与骨料比例遥 Dinger-Funk 最紧密堆积模型方程见式渊1冤遥fCPFT=渊Dn-DSn冤/渊DLn-DSn冤渊1冤式中院D 为颗粒粒径尺寸曰n 为颗粒分布系数曰DL为最大颗粒粒径尺寸曰DS为最小颗粒粒径尺寸曰fCPFT为砂石颗粒的大小低于 D 的累计体积比例遥颗粒分布系数 n 取值范围为 0.1耀0.7袁 当 n 为0.4耀0.7 时袁适用于粗颗粒较多的级配计算曰当 n约0.4时袁适用于细颗粒较多的级配计算遥 考虑胶凝材料的粒径尺寸袁 本文选择 n=0.25 和 n=0.31 作为理论系数进行分析遥为了判定胶凝材料尧砂尧石实际筛分曲线与理想 Dinger-Funk 曲线的离散程度袁引入拟合系数 滓袁滓 越大袁说明实际曲线与理论曲线的拟合程度越高遥滓 计算公式见式渊2冤尧式渊3冤遥滓=1-移渊yi-yi忆冤2移渊yi-y忆冤2渊2冤y忆=1n移yi渊3冤式中院yi为粒径小于 i 的粉体颗粒百分数曰y忆为按照Dinger-Funk 方程计算得到的粒径小于 i 的粉体颗粒累计百分数曰yi忆为按照 Dinger-Funk 方程计算得到的粒径小于 i 的粉体材料累计百分数的平均值遥以此方法计算粉料与骨料理论 Dinger-Funk 曲线与实际曲线的离散度袁 得到最紧密堆积条件下的材料比例袁 最终确定自密实混凝土的胶凝材料和骨料用量遥1.2.2砂尧石筛分试验根据 GB/T 14684要2022叶建设用砂曳11对砂进行筛分袁并计算其累计筛余遥 根据 GB/T 14685要2022叶建设用卵石尧碎石曳12对碎石进行筛分袁并计算其累计筛余尧孔隙率尧紧密堆积状态下的堆积密度遥1.2.3激光粒度测试采用激光粒度仪测胶凝材料的粒径分布遥1.2.4胶砂性能测试按照 GB/T 17671要2021叶水泥胶砂强度检验方法渊ISO 法冤曳13进行胶砂流动度尧抗压强度试验遥 胶凝材料的活性指数根据 GB/T 51003要2014叶矿物掺合料应用技术规范曳计算得到14遥1.2.5自密实混凝土竖向膨胀率测试根据 Q/CR 596要2017 叶高速铁路 CRTS芋型板式无砟轨道自密实混凝土曳15对自密实混凝土进行竖向膨胀率测试遥1.2.6自密实混凝土工作性尧抗压强度测试按照 JGJ/T 283要2012叶自密实混凝土应用技术规程曳16测试自密实混凝土的坍落扩展度尧 扩展时间尧J 环障碍高差和 L 型仪充填比遥 按照 GB/T50081要2019叶混凝土物理力学性能试验方法标准曳17成型尺寸为 150 mm伊150 mm伊150 mm 的立方体试件袁在标准条件温度渊20依2冤益袁相对湿度 95%以上下养护到 28 d袁测试试件的抗压强度遥1.2.7自密实混凝土干燥收缩测试按照 JGJ/T 283要201216对自密实混凝土进行干燥收缩测试遥2结果与讨论2.1砂尧石筛分试验2.1.1砂砂筛分试验结果如表 2 所示遥由表 2 可知袁2 区砂粒径为 1.182.36 mm 的颗粒略少袁而 3 区砂粒径为 1.182.36 mm 的颗粒相对较 多 遥 2 区 砂 的 0.60 mm 筛 孔 累 计 筛 余 量 为63.05%袁3 区 砂 的 0.60 mm 筛 孔 累 计 筛 余 量 为38.86%袁均满足Q/CR 596要201715中填充层自密实18-g图 2碎石的堆积密度与孔隙率Figure 2Stacking density and porosity of crushed stones图 1砂筛分曲线Figure 1Sieving curves of sand筛孔尺寸/mm筛余百分率/%2 区砂分计 2 区砂累计3 区砂分计3 区砂累计4.752.361.180.600.300.15筛底1.6524.118.518.816.210.310.21.6525.7544.2563.0579.2589.5599.762.6315.179.7411.3223.3318.6818.772.6317.827.5438.8662.1980.8799.64表 2砂筛分结果Table 2Sieving results of sand012345粒径/滋m理论Dinger-Funk 曲线袁滓=1.0Z10X0袁滓=0.969Z9X1袁滓=0.981Z8X2袁滓=0.990Z7X3袁滓=0.996Z6X4袁滓=0.998Z5X5袁滓=0.996Z4X6袁滓=0.991Z3X7袁滓=0.982Z2X8袁滓=0.970Z1X9袁滓=0.954Z0X10袁滓=0.935100806040200公称粒径/mm2.36 mm4.75 mm9.50 mm16.00 mm5耀1010耀1695要7999493要80累计筛余/%方孔筛余表 3碎石筛分结果Table 3Sieving results of crushed stone试验组堆积密度1 6001 4001 2001 00080060040020000.4350.4300.4250.4200.4150.4100.4050.400空隙率组别水泥粉煤灰矿粉标准砂水基准组F25K05F20K10F15K15F10K20F05K254503153153153153150112.590.067.545.022.5022.545.067.590.0112.51 350225表 4胶砂的配合比Table 4Mix proportions of mortar表 5胶凝材料的活性指数Table 5Activity index of cementitious materials组别7 d 活性指数/%基准组F25K05F20K10F15K15F10K20F05K25100.061.870.470.174.978.128 d 活性指数/%100.083.082.483.2104.1107.5基于最紧密堆积理论的自密实混凝土制备与性能研究时宇袁罗小东袁彭丙杰袁等混凝土对砂的要求袁故将 2 区砂和 3 区砂搭配使用遥改变 2 区砂和 3 区砂比例袁 得到不同比例砂的实际筛分曲线袁与理论 Dinger-Funk 曲线进行拟合袁结果如图 1 所示袁其中袁Z 为 2 区砂曰X 为 3 区砂遥由图 1 可知袁随着 3 区砂比例的增加袁滓 先增大后减小曰 当 m2 区砂颐m3 区砂=6颐4 时袁滓=0.998 达到最大袁拟合效果最佳遥 整体而言袁两种砂的 滓 以 6颐4 为界袁呈对称分布袁当 m2 区砂颐m3 区砂=6颐4 时袁砂的综合细度模数为 2.7袁满足 Q/CR 596要201715对砂细度模数的要求遥 因此袁本文填充层自密实混凝土试验选取m2 区砂颐m3 区砂=6颐4遥2.1.2碎石碎石筛分结果见表 3遥将碎石按粒径 1016 mm 与 510 mm 搭配成不同比例袁共计 11 组袁510 mm 碎石比例按 10%梯度逐渐升高袁不同比例碎石对应堆积密度和空隙率测试结果如图 2 所示袁其中袁L10 为 1016 mm 碎石占比 100%曰L9M1 为 1016 mm 碎石占比 90%袁510 mm 碎石占比 10%袁其余编号依此类推遥由图 2 可知袁 随着 510 mm 碎石比例的增加袁堆积密度先增加后降低袁整体变化较小曰孔隙率先降低后增加遥 当 m1016 mm 石颐m510 mm 石=6颐4渊L6M4冤时袁堆积密度最低渊1 608 kg/m3冤袁孔隙率最小渊40.4%冤遥 因此袁L6M4 即为最佳碎石比例袁本文填充层自密实混凝土试验选取 m1016 mm 石颐m510 mm 石=6颐4遥2.2胶砂性能试验结果设计胶砂试验的配合比如表 4 所示遥 表中组别编号院F 为粉煤灰曰K 为矿粉曰 数字为占胶凝材料质量的百分比遥 表 5 为胶凝材料的活性指数测试结果袁 假定基准组 7 d 和 28 d 的活性指数均为100.0%遥 图 3 为胶砂流动度与抗压强度测试结果遥19-粒径/滋m实际粒径累计分布/%理论粒径累计分布/%水泥粉煤灰矿粉F25K05F20K10F15K15F10K20F05K25n=0.25n=0.310.52.84.66.79.914.518.724.131.140.186.40.110.219.127.838.251.060.971.481.389.7100.00.117.635.752.671.489.797.5100.0100.0100.0100.00.112.723.133.647.163.574.884.991.093.495.30.112.223.434.346.961.370.879.286.592.499.80.111.922.833.345.760.069.678.486.092.199.50.111.722.232.444.558.768.577.785.691.899.30.111.421.531.443.357.467.476.985.191.599.10.111.220.930.542.156.166.276.284.791.198.8020.228.234.842.250.356.162.368.975.9100.0017.725.131.438.646.752.659.066.073.4100.0平均粒径/滋m60.760.059.258.557.853.951.1滓/%n=0.2589.089.990.691.391.8100.0要n=0.3184.685.886.988.088.9要100.0表 6胶凝材料体系中矿物掺合料的粒度分布Table 6Particle size distribution of mineral admixtures in cementitious material system试件7 d 抗压强度28 d 抗压强度6050403020100图 3胶砂的流动度与抗压强度Figure 3Fluidity and compressive strength of mortar280260240220200180流动度圆园23 年第 9 期混凝土与水泥制品总第 329 期由表 5 可知袁随着矿粉掺量的增加袁胶凝材料的7 d 和 28 d 的活性指数均相应增大遥由图 3 可知袁 加入不同比例矿物掺合料后袁胶砂的流动度均有所提高袁 其中袁F25K05 组胶砂的流动度最大袁为 255 mm遥 随着矿粉掺量的增加袁胶砂流动度下降遥 这是由于粉煤灰主要为球状颗粒袁矿粉则主要为不规则多角形状袁 当粉煤灰掺量下降袁且矿粉掺量同时增加时袁会导致粉煤灰的野滚珠效应冶下降遥由图 3 还可知袁F05K25 组胶砂的抗压强度最高袁28 d 抗压强度达 47 MPa曰F10K20 组胶砂 28 d抗压强度为 46 MPa袁与基准组相差不大遥基于 Dinger-Funk 曲线对不同胶砂试验配合比进行拟合袁得到的水泥-粉煤灰-矿粉三元胶凝材料体系的粒度分布袁结果见表 6遥由表 6 可知袁F05K25 的实际曲线与理论曲线的拟合程度最高袁 当 n=0.25 时袁滓 可达 91.8%袁 当 n=0.31 时袁滓 可达 88.9%遥 F10K20 组尧F15K15 组的 滓相对于其他组较高袁故填充层自密实混凝土试验选取 F05K25尧F10K20尧F15K15 组胶凝材料比例遥2.3自密实混凝土竖向膨胀率试验结果填充层自密实混凝土在轨道板结构中主要起承载和传力作用袁其与上层轨道板之间的黏结性能直接决定轨道板的使用寿命18遥 界面黏结性能一方面由界面粗糙程度尧 润湿程度等界面本身性能决定曰另一方面也受自密实混凝土自身收缩变形的影响19遥 竖向膨胀率是表征自密实混凝土早期竖向变形的重要指标袁可以用来评价自密实混凝土与上层轨道板黏结性能的好坏20遥通常袁加入一定量膨胀剂可以明显改善混凝土的竖向膨胀率袁故本文对填充层自密实混凝土膨胀剂掺量进行研究遥不同膨胀剂掺量自密实混凝土的配合比见表7袁其中袁UEA 膨胀剂掺量为胶凝材料总质量的 5%尧10%遥 24 h 竖向膨胀率测试结果见表 8遥由表 8 可知袁未掺膨胀剂的自密实混凝土 24 h内持续收缩袁易引起自密实混凝土和轨道板上层结构出现分离遥 掺膨胀剂的自密实混凝土 16 h 前收缩袁16 h 后持续膨胀遥 考虑经济成本袁填充层自密实混凝土膨胀剂掺量选取 5%遥2.4自密实混凝土工作性尧抗压强度试验结果2.4.1工作性根据前文试验结果袁参考 JGJ/T 283要201216和TB/T 3275要2018叶铁路混凝土曳设计了自密实混凝20-kg/m3P1P2P3339323305242322120115110527527527352352352338338338508508508024488.738.738.731701701702 区砂3 区砂5耀10 mm10耀16 mm组别水泥粉煤灰矿粉砂石膨胀剂减水剂水表 7不同膨胀剂掺量自密实混凝土的配合比Table 7Mix proportions of self-compacting concrete with different contents of expansion agents图 5J 环障碍高差与 L 型仪填充比Figure 5J-ring blocking step and L-channel filling ratio表 9自密实混凝土的配合比Table 9Mix proportions of self-compacting concrete表 8竖向变形率测试结果Table 8Vertical deformation rate test results膨胀剂掺量/%竖向变形率伊10-64 h8 h12 h16 h20 h24 h0510-754-1 025-1 350-831-1 273-1 427-1 042-1 360-1 462-746-948-835-7583578-8214607753233423053233423053233423052324224649446973651151221099298876973655275185355275185355275185353523463583523463583523463583383333433383333433383333435084985155084985155084985152426232426232426238.739.278.268.739.278.268.739.278.261701701701701701701701701702 区砂3 区砂5耀10 mm10耀16 mm水泥/渊kg/m3冤粉煤灰/渊kg/m3冤矿粉/渊kg/m3冤砂/渊kg/m3冤石/渊kg/m3冤膨胀剂/渊kg/m3冤减水剂/渊kg/m3冤水/渊kg/m3冤D1D2D3D4D5D6D7D8D9组别水胶比0.350.330.370.350.330.370.350.330.37D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9试验组扩展度7006005004003002001000图 4扩展度与 T500Figure 4Lump and T5001086420T5002015105098969492908886D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9J 环障碍高差L 型仪填充比试验组基于最紧密堆积理论的自密实混凝土制备与性能研究时宇袁罗小东袁彭丙杰袁等土的配合比袁见表 9遥 自密实混凝土工作性测试结果见图 4尧图 5遥由图 4尧图 5 可知袁当水胶比为 0.33 时袁相较于水胶比为 0.35尧0.37袁 自密实混凝土的扩展度较小袁T500最大袁L 型仪填充比较低遥 这是由于当水胶比较低时袁自密实混凝土的黏聚性较大袁塑性黏度也较大袁减水剂掺量一定时袁自密实混凝土流动所需时间更长遥 因此袁D2尧D5 和 D8 组存在流动时间过长的问题遥 当水胶比为 0.37 时袁D6 组和 D9 组的 J 环障碍高差超过 18 mm袁L 型仪填充比较低遥 综合考虑袁水胶比为 0.35 的自密实混凝土的工作性相对较优遥2.4.2抗压强度自密实混凝土的抗压强度如图 6 所示遥由图 6 可知袁D2 组试件 28 d 的抗压强度最高袁为 54 MPa袁D7 组试件 28 d 的抗压强度最低袁为43 MPa遥 可见袁 所制备的自密实混凝土满足Q/CR596要201715中 28 d 抗压强度跃40 MPa 的要求遥综合考虑工作性和抗压强度袁填充层自密实混凝土选择水胶比为 0.35遥2.5自密实混凝土干燥收缩试验结果选取 D1尧D4 和 D7 组进行自密实混凝土干燥收缩试验袁结果如图 7 所示遥由图 7 可知袁随着龄期的延长袁自密实混凝土的21-D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9图 6自密实混凝土的抗压强度Figure 6Compressive strength of self-compacting concrete试件7 d28 d60504030201000102030405060龄期/dD7D4D1350300250200150100500图 7自密实混凝土的干燥收缩Figure 7Drying shrinkage of self-compacting concrete圆园23 年第 9 期混凝土与水泥制品总第 329 期干燥收缩增大遥 D7 组粉煤灰掺量较 D1 和 D4 组高袁56 d 时袁D7 组试件的干燥收缩值为 315伊10-6袁较 D1组和 D4 组渊275伊10-6和 298伊10-6冤分别增加了 40伊10-6和 17伊10-6袁虽然 D7 组试件的干燥收缩最大袁但依然满足 Q/CR 596要201715中对 56 d 干燥收缩臆400伊10-6的要求遥3结论本文基于最紧密堆积原理对自密实混凝土进行配合比设计袁当 m2 区砂颐m3 区砂=6颐4袁m1016mm 石颐m510mm 石=6颐4袁水泥尧粉煤灰尧矿粉质量比为 7.0颐0.5颐2.5袁水胶比为 0.35袁膨胀剂掺量为 5%时袁所制备的填充层自密实混凝土的综合性能较好袁抗压强度及干燥收缩均满足 Q/CR 596要201715及相关标准要求遥参考文献院1 张勇,张庆新,李化建,等.自密实混凝土基本工作性能与其静态稳定性间的关系J.硅酸盐学报,2016,44(2):261-267.2 马昆林,冯金,龙广成,等.流变参数对自密实混凝土等效砂浆静态稳定性的影响J.硅酸盐学报,2017,45(2):196-205.3 张超平,孙洪硕,孙丽娟.CRTS芋型板式无砟轨道自密实混凝土充填层施工技术探究J.中国设备工程,2018(18):99-103.4 高洪军.CRTS芋型板式轨道结构充填层自密实混凝土稳定性测试J.安徽建筑,2018,24(3):165-169.5MESBAHHA,YAHIAA,KHAYATKH.Electricalconductivitymethodtoassessstaticstabilityofself-consolidatingconcreteJ.CementandConcreteResearch,2011,41(5):451-458.6 GOKCE H,SULEY M.A new method for determination ofdynamic stability of 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