膠凝材料用量對新拌自密實混凝土性能的影響*

李方賢 韋江雄 王輝誠 王景平 裴新意 余其俊

(1.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510640;2.中廣核工程有限公司，廣東深圳518124)

自密實混凝土(SCC)是指新拌混凝土具有高流動度而不離析、不泌水，能在不經(jīng)振搗或少振搗的情況下，完全依靠自身重力作用充滿模板每一個角落，達到充分密實和獲得最佳性能的混凝土［1-2］.自密實混凝土由于無需振搗，大大減少了對環(huán)境造成的噪音污染，符合城市建設(shè)施工發(fā)展的需要，已逐漸成為現(xiàn)代混凝土發(fā)展的一個重要方向.它通過對骨料、外加劑、膠凝材料等組分的合理選擇與配合比優(yōu)化，有效地解決了流動性與抗離析性之間的矛盾［3-5］.目前有關(guān)SCC的研究主要集中在如下幾個方面: (1)基于各種模型的自密實混凝土配合比設(shè)計方法［6］;(2)各種細摻合料在自密實混凝土中的應(yīng)用，如粉煤灰、白云石粉、偏高嶺石、礦渣、稻殼灰等［7-9］;(3)自密實混凝土的耐久性，如收縮、徐變、碳化、抗氯離子滲透性等［10-11］;(4)自密實混凝土工作性能的仿真模擬分析［12-13］;(5)自密實混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，如界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)、早期水化結(jié)構(gòu)等［14-15］.國內(nèi)外研究表明，為達到自密實混凝土高工作性能的要求，除必須摻加高效減水劑和摻合料外，大多數(shù)情況下混凝土還應(yīng)有低水膠比和高膠凝材料用量，自密實混凝土配合比中的膠凝材料總量多大于500kg/m3［16-17］.但有關(guān)膠凝材料用量對自密實混凝土性能的影響，特別是對新拌混凝土性能(如流變性能、氣孔結(jié)構(gòu)、絕熱溫升等)的影響的研究較少.自密實混凝土的流變參數(shù)是自密實混凝土配合比設(shè)計和工作性能的重要影響因素，新拌自密實混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)與后期硬化混凝土的耐久性密切相關(guān)，混凝土絕熱溫升是衡量混凝土本身放熱能力的根本依據(jù)，也是大體積混凝土溫度控制的一個重要指標(biāo).因此，新拌自密實混凝土的性能為硬化混凝土的性能提供了重要保證.

為此，文中著重探討了膠凝材料用量對新拌自密實混凝土工作性能、氣泡特征參數(shù)(含氣量、比表面積、間距系數(shù)和氣泡孔徑分布)、流變性能和絕熱溫升的影響，以期對自密實混凝土的配合比設(shè)計及硬化混凝土耐久性指標(biāo)的評估提供有益的參考.

1 原材料

水泥，珠江水泥廠P.Ⅱ42.5，密度3100 kg/m3;粉煤灰，珠海電廠Ⅰ級粉煤灰，密度2 300 kg/m3;砂，陽江核電站人工砂，細度模數(shù)2.6，表觀密度2650kg/m3;石，陽江核電站5～16 mm碎石，含泥量0.4%，壓碎指標(biāo)值8.3%，表觀密度2700kg/m3，堆積密度1520 kg/m3;外加劑，BASF公司的自密實混凝土專用外加劑.水泥、粉煤灰的化學(xué)成分如表1所示.

表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of cement and fly ash %

2 試驗方法與配合比

對不同膠凝材料用量的自密實混凝土進行擴展度、V型漏斗、U型箱、L型箱、T50、分層度檢測;采用Germann Instruments公司生產(chǎn)的AVA-3000型新拌混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀研究新拌自密實混凝土拌合物的氣泡特征參數(shù);用 Brookfield公司生產(chǎn)的RS-SST Rheometer流變儀來測定篩除石子后拌合物中砂漿的流變參數(shù);采用清華大學(xué)研制的混凝土絕熱溫升儀測試自密實混凝土的絕熱溫升.不同膠凝材料用量的自密實混凝土配合比如表2所示.

表2 自密實混凝土配合比Table 2 Mix proportion of self-compacting concrete kg/m3

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 膠凝材料用量對自密實混凝土工作性能的影響

不同膠凝材料用量的自密實混凝土的擴展度、V型漏斗、U型箱、L型箱、T50和分層度測試結(jié)果如表3所示.由表3可見，隨膠凝材料用量的變化，坍落擴展度在600～700 mm之間波動，混凝土基本上達到了自流平狀態(tài).膠凝材料用量在480～550kg/m3之間時，混凝土都可以達到大流動性的要求，U型填充高度達到或超過320mm，說明自密實混凝土的鋼筋通過性能較佳.膠凝材料用量不同時，L型流動度比介于0.85～0.88之間，無明顯差異;當(dāng)膠凝材料用量較小時，漿體對骨料的包裹不足，V型流過時間和T50時間較長;膠凝材料用量在480～550 kg/m3之間時，V型流過時間和T50時間差別較小.不同膠凝材料用量的分層度都小于10%，說明所配制自密實混凝土的抗離析性能好.

表3 不同膠凝材料用量的新拌自密實混凝土的工作性能Table 3 Workability of fresh self-compacting concrete with different dosages of cementitious material

3.2 膠凝材料用量對自密實混凝土氣泡特征參數(shù)的影響

膠凝材料用量不同時新拌自密實混凝土的氣泡特征參數(shù)(含氣量、氣泡比表面積、氣泡間距系數(shù)和氣泡孔徑分布)如圖1所示.

圖1 不同膠凝材料用量的自密實混凝土的氣泡特征參數(shù)Fig.1 Air void parameters of self-compacting concrete with different cementitious material contents

由圖1(a)可見，隨膠凝材料用量的增加，自密實混凝土拌合物的含氣量逐漸降低，當(dāng)膠凝材料用量為550 kg/m3時，混凝土拌合物的含氣量只有0.9%.原因可能是膠凝材料用量大時，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)相對密實，孔隙相對較少，因此，測定的新拌自密實混凝土含氣量會降低.由圖1(b)和1(c)可看到:膠凝材料用量由460 kg/m3增大到500 kg/m3時，氣泡比表面積增加，氣泡間距系數(shù)減小，氣孔結(jié)構(gòu)得到改善;而膠凝材料用量由500 kg/m3增至550kg/m3時，氣泡比表面積由 93.6 mm－1降為36.3mm－1，氣泡間距系數(shù)由149μm突增至699μm，氣孔結(jié)構(gòu)反而劣化.由圖1(d)可以看到，膠凝材料用量為460、480、500和550kg/m3的新拌混凝土氣泡孔徑小于300 μm的氣孔分別占32.8%、63.3%、74.3%和7.3%，大氣泡(氣泡孔徑在500～1000μm之間)含量分別為30.7%、8.7%、5.2%和55.2%，即膠凝材料用量為480和500kg/m3時，微小氣泡占絕大部分，此兩種膠凝材料用量的混凝土氣泡比表面大于25mm－1，氣泡間距系數(shù)小于200μm，氣孔結(jié)構(gòu)較佳;膠凝材料用量為550 kg/m3時，小氣泡含量低于10%，大氣泡占絕大部分，因此，雖然其含氣量很少，但氣泡比表面大于25mm－1，氣泡間距系數(shù)高達669μm，氣孔結(jié)構(gòu)較差.在水灰比一定的條件下，膠凝材料用量較大，相對應(yīng)的用水量也較大，由于水化反應(yīng)消耗的水較少，使得薄膜結(jié)合水、自由水相對較多，從而導(dǎo)致水泡聚集結(jié)合形成大氣泡的機率增大.膠凝材料用量為550kg/m3的自密實混凝土用水量達到180kg/m3，相比其它3種膠凝材料用量的自密實混凝土用水量，增幅較大，導(dǎo)致其大氣泡也大幅增多.因此，控制自密實混凝土的膠凝材料用量，對調(diào)節(jié)氣孔結(jié)構(gòu)具有一定的作用.

3.3 膠凝材料用量對自密實混凝土流變性能的影響

3.3.1 不同膠凝材料用量自密實混凝土的流變性能

圖2為不同膠凝材料用量的自密實混凝土剪切速率－剪切應(yīng)力曲線.由圖2可見:不同膠凝材料用量下SCC的剪切應(yīng)力都隨著剪切速率的提高逐漸增加;在相同剪切速率下，隨著膠凝材料用量的增加，剪切應(yīng)力增加.

圖2 自密實混凝土的剪切速率－剪切應(yīng)力曲線Fig.2 Shear rate-shear stress curves of self-compacting concrete

利用最小二乘法對試樣的各曲線進行線性擬合(膠凝材料用量為460、480、500、550 kg/m3時，擬合曲線相關(guān)系數(shù)依次為0.970 0、0.989 5、0.973 5、0.9601)，得出4個試樣的Binham流變參數(shù)指標(biāo)，見表4.由表4可知:隨著膠凝材料用量的增加，體系的塑性黏度η和屈服應(yīng)力呈增加的趨勢;當(dāng)膠凝材料用量由500 kg/m3增加到550 kg/m3時，塑性黏度和屈服應(yīng)力突增，分別增加了60.2%和73.5%;而膠凝材料用量由460 kg/m3增加到500 kg/m3時，塑性黏度和屈服應(yīng)力值增加平緩.這可從兩方面來解釋:一是從材料組成上來分析，混凝土可以看成是以漿體為分散相、集料為固相的混合體，而分散相的濃度是影響體系流變性的重要因素之一，膠凝材料用量越大，分散相濃度越高，分散相粒子之間彼此更容易相互牽制，體系流動時推動分散相粒子所消耗的能量就更大，即塑性黏度相應(yīng)增大;二是從微觀上分析，隨著膠凝材料用量增大，水化所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更易形成，結(jié)構(gòu)更加緊湊，體系流動起來所需破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的力就更大，即屈服應(yīng)力更大.

表4 不同膠凝材料用量的自密實混凝土的流變參數(shù)Table 4 Rheological parameters of self-compactiong concrete with different dosage of cementitious material

屈服應(yīng)力小，表明體系內(nèi)顆粒間連接松散，體系流動性得到改善，使其在較低的剪切應(yīng)力下就可發(fā)生流動，但同時會對體系的抗離析性產(chǎn)生負(fù)面影響，因此，要解決好流動性和抗離析性之間的矛盾，自密實混凝土的膠凝材料用量應(yīng)控制在合理范圍之內(nèi).

3.3.2 不同膠凝材料用量自密實混凝土的觸變性

不同膠凝材料用量自密實混凝土的觸變曲線如圖3所示，對其上升段和下降段曲線分別進行Binham流體方程擬合，得到的上下段流變參數(shù)的差值及觸變環(huán)面積見表5.從表5可看到，隨著膠凝材料用量的增加，觸變環(huán)面積增加，體系觸變結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變差，膠凝材料用量由460kg/m3增加到500kg/m3時，觸變環(huán)面積增加緩慢，而當(dāng)膠凝材料由500kg/m3增加為550kg/m3時，觸變環(huán)面積出現(xiàn)突增，所以，當(dāng)膠凝材料用量大于500kg/m3時，體系的穩(wěn)定性大大降低.體系的塑性黏度變化值Δη和屈服應(yīng)力變化值Δ也隨著膠凝材料用量的增加而增加，即體系的破壞程度也增大，可恢復(fù)性變?nèi)?體系上升階段與下降階段流變參數(shù)的變化反映了兩階段絮凝體的變化.在上升階段，由于絮凝體比較多，阻力大，剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化比較大;在下降階段，部分絮凝體在上升階段已經(jīng)被破壞了，因此阻力減小，剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化減緩.由于上、下兩階段剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化不同，使得上、下兩階段的流變曲線不重合，產(chǎn)生觸變環(huán).隨著膠凝材料用量的增加，體系形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更多，形成的觸變結(jié)構(gòu)也較多，因此，體系的觸變性較強.

圖3 自密實混凝土的觸變曲線Fig.3 Thixotropic curves of self-compacting concrete

表5 不同膠凝材料用量的自密實混凝土的觸變性能參數(shù)Table 5 Thixotropic parameters of self-compactiong concrete with different dosages of cementitious material

3.4 膠凝材料用量對自密實混凝土絕熱溫升的影響

不同膠凝材料用量的自密實混凝土絕熱溫升曲線和溫升速率曲線如圖4和5所示.由圖4可見，隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的最高絕熱溫升逐漸增大，分別為44.40、47.23、48.20和49.14℃，約在第3天內(nèi)達到峰值.在這種情況下，如果排熱不暢，短期內(nèi)可因蓄熱而導(dǎo)致較大的內(nèi)外溫差，而此時由于混凝土的齡期短，強度發(fā)展還不充分，極易產(chǎn)生溫度裂縫.由圖5可見，隨著膠凝材料用量的增加，絕熱溫升速率峰值增加，絕熱溫升速率峰值分別為2.76、2.84、2.98和3.40℃/h，分別出現(xiàn)在混凝土拌合后的15.6、16.0、17.4和16.8h.這可能是由于膠凝材料用量大，最初期的水化熱多，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的溫度高，從而促進了膠凝材料的水化，溫升速率增加.因此設(shè)計自密實混凝土?xí)r，在保證強度和工作性能的前提下，要盡可能取較小的膠凝材料用量.

圖4 自密實混凝土的絕熱溫升曲線Fig.4 Adiabatic temperature rise curves of self-compacting concrete

圖5 自密實混凝土的溫升速率曲線Fig.5 Temperature rising rate curves of self-compacting concrete

4 結(jié)論

通過對不同膠凝材料用量的新拌自密實混凝土的工作性能、氣泡特征參數(shù)、流變性能和絕熱溫升進行研究，得出如下結(jié)論:

(1)膠凝材料用量在480～550kg/m3之間時，自密實混凝土的流動性、鋼筋通過性和抗離析性能較佳.

(2)膠凝材料用量由460 kg/m3增至500 kg/m3時，含氣量逐漸減小，氣泡比表面積增加，氣泡間距系數(shù)減小，小氣泡含量增加;而當(dāng)膠凝材料用量由500kg/m3增加至550 kg/m3時，含氣量降低，大氣泡含量增加，氣孔結(jié)構(gòu)劣化.

(3)在相同剪切速率下，隨著膠凝材料用量的增加，剪切應(yīng)力增大;隨著膠凝材料用量的增加，體系的塑性黏度和屈服應(yīng)力以及塑性黏度的變化值和屈服應(yīng)力變化值也增大，觸變環(huán)面積增加，體系觸變結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變差.

(4)隨著膠凝材料用量的增加，自密實混凝土的最高絕熱溫升和絕熱溫升速率峰值增大.

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