砂率對干硬性混凝土性能的影響

郭傲，趙鐵軍，王鵬剛，陸文攀

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島266033)

砂率對干硬性混凝土性能的影響

郭傲，趙鐵軍，王鵬剛，陸文攀

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島266033)

研究了砂率對干硬性混凝土力學(xué)性能及耐久性能的影響，對不同砂率的干硬性混凝土試件進行力學(xué)試驗、快速凍融試驗、毛細(xì)吸水試驗，測定不同砂率下干硬性混凝土試件的抗壓強度、相對動彈模量、質(zhì)量損失和毛細(xì)吸水特性。試驗結(jié)果表明:隨著砂率的增大，干硬性混凝土抗壓強度和相對動彈模量先升高后降低;質(zhì)量損失和單位面積吸水量均隨著砂率的增加而減小。綜合評定，砂率45%時干硬性混凝土力學(xué)性能和耐久性能指標(biāo)最優(yōu)。

干硬性混凝土 砂率 力學(xué)性能 耐久性

干硬性混凝土是指塌落度不大于10 mm，維勃稠度在10～30 s的混凝土。具有低水灰比、快硬早強等特點，可立即拆模，增加模板周轉(zhuǎn)速率，從而提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。目前干硬性混凝土主要用于預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)領(lǐng)域，此外，在地基、路面、大壩等大體積工程領(lǐng)域，干硬性混凝土也得到了廣泛應(yīng)用［1］。

砂率是砂子占骨料總量的比率。砂率的變動，會使骨料的總表面積有顯著改變，從而對混凝土拌合物的和易性有較大影響，也是影響干硬性混凝土強度及耐久性能的主要因素之一。強衛(wèi)等［2］研究了用水量和砂率對道路碾壓混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響，用水量130 kg/m3、砂率37%最適宜;何錦云等［3］研究了砂率對混凝土和易性和強度的影響，得出了砂率是影響普通混凝土和易性的主要因素，但對于強度影響不大;翁興中等［4］研究了砂率對道面混凝土工作性、強度、耐磨性、水滲透性和抗凍性的影響，得出了砂率約為30%時，道面混凝土各項性能指標(biāo)最佳，提出道面混凝土的最佳砂率為28%～32%。試驗研究結(jié)果表明，砂率是影響混凝土性能的主要因素，隨著砂率的不同，混凝土的力學(xué)性能和耐久性能差異較大。目前，對干硬性混凝土的研究還處于初步階段，其中關(guān)于砂率對干硬性混凝土性能影響方面的研究較少［5-7］。本文利用正交試驗進行配合比設(shè)計，主要研究砂率對干硬性混凝土抗壓強度、抗凍性、毛細(xì)吸水特性的影響規(guī)律，為實際工程中干硬性混凝土的制備及應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗概況

1)原材料

試驗采用的水泥為青島山水水泥廠生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥，其基本性能指標(biāo)如表1所示;粗骨料選用粒徑5～10 mm和10～20 mm兩種連續(xù)級配的玄武巖碎石;細(xì)骨料為最大粒徑5 mm的河砂，細(xì)度模數(shù)2.9;拌合水為普通自來水。

表1 水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

2)試驗方案

本文采用正交試驗，選用砂率、膠凝材料用量、礦物摻合料用量、摻合料摻加比例4個參數(shù)，作為考察因素，每個因素均選4個水平，4個因素各水平的取值見表2。根據(jù)選擇的因素和水平情況，選用L16(44)正交表，其正交試驗配合比見表3。

3)試件制備、養(yǎng)護與測試

干硬性混凝土試件的制作步驟:①將碎石、砂子、水泥依次倒入攪拌機中，攪拌1 min，使之混合均勻;②將稱量好的自來水緩慢加入攪拌機中(水的加入量根據(jù)新拌混凝土的工作性確定)，直至混凝土拌合物滿足工作性要求，總攪拌時間為3 min;③新拌混凝土攪拌完成后，將其裝入設(shè)計的專用模具中;④將專用模具置于振動臺振動加壓2 min;⑤振動完畢后立即拆模，取出試件并移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室進行養(yǎng)護;⑥養(yǎng)護至相應(yīng)齡期，取出試件，測試其力學(xué)性能、抗凍性能及毛細(xì)吸水性能。

表2 4個因素各水平的取值

表3 正交試驗配合比kg/m3

2 結(jié)果與分析

2.1 砂率對干硬性混凝土強度的影響

干硬性混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至相應(yīng)齡期后進行抗壓強度試驗，依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》(GB/T 50081—2002)測定?？箟涸囼灲Y(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，干硬性混凝土抗壓強度隨砂率的增加先增大后減小。砂率為45%時，抗壓強度達(dá)到峰值，齡期56 d時，砂率45%混凝土抗壓強度為40 MPa，較砂率35%，40%，50%的試件抗壓強度分別提高了44.66%，29.18%，13.37%。

砂率較低時，水泥砂漿不能完全填充粗骨料間的空隙，拌合物缺漿，混凝土流動性下降，試件成型后內(nèi)部空隙較多，不密實，故試件強度較低;隨著砂率提高，水泥砂漿增多，粗骨料表面能夠被漿體充分包裹，流動性增大，試件成型后空隙率減少，內(nèi)部更加密實，因而干硬性混凝土強度提高。

由于砂子的比表面積比粗骨料大，砂率過大時，隨著砂率增加，在水泥漿用量一定的條件下，骨料表面包裹的漿量減薄，粘結(jié)力降低，潤滑作用下降，流動性降低，不易形成理想的骨料嵌鎖型結(jié)構(gòu)，從而使硬化后的混凝土密實性降低，影響混凝土的強度發(fā)展。同時過高的砂率也破壞了粗集料之間的機械咬合力，這也是強度下降的一個主要原因。砂率由45%降低到40%，35%時，混凝土56 d抗壓強度分別下降22.33%和31.46%，混凝土28 d抗壓強度分別下降22.59%和30.87%，說明干硬性混凝土抗壓強度對砂率變化很敏感。綜合來看，砂率45%時混凝土強度最高。

2.2 砂率對干硬性混凝土抗凍性的影響

首先制備100 mm×100 mm×100 mm干硬性混凝土試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護24 d，再將試件放入水中浸泡4 d，待試件達(dá)到飽水狀態(tài)后，根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行凍融循環(huán)試驗，達(dá)到相應(yīng)凍融循環(huán)次數(shù)時將試件取出進行測試。結(jié)果見圖2和圖3。

圖1 不同砂率干硬性混凝土的齡期與抗壓強度關(guān)系曲線

圖2 相對動彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

圖3 質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

由圖2可知，干硬性混凝土試件相對動彈模量在經(jīng)56次循環(huán)后出現(xiàn)了暫時性的上升，但就其總的變化過程而言仍呈下降趨勢。砂率45%和50%的干硬性混凝土，經(jīng)歷了168次凍融循環(huán)后其相對動彈模量仍在90%以上，其抗凍性較好;砂率40%和35%的干硬性混凝土，經(jīng)歷了168次凍融循環(huán)后其相對動彈模量在75%以上。

由圖3可知，干硬性混凝土試件在凍融循環(huán)期間質(zhì)量損失率呈現(xiàn)上升趨勢。由質(zhì)量損失率反映出砂率為45%，50%，40%，35%時抗凍性依次由強到弱。這與相對動彈模量反映的規(guī)律一致。這是因為混凝土中砂的主要作用是填充粗骨料間的孔隙，孔隙率降低使得混凝土更加密實。適當(dāng)提高砂率可以改善混凝土拌合的流動性和黏聚性，增大整體穩(wěn)定性和勻質(zhì)性，試件成型后孔隙率小，密實度大，抗凍性能隨之提高。但砂率超過一定范圍后，砂率的增大使得混凝土拌合物流動性下降，進而導(dǎo)致混凝土的勻質(zhì)性變差。同時，由于砂表面積過大，漿體相對減少，部分骨料未被完全包裹，降低了骨料間界面粘結(jié)力，抗凍性下降［8-10］。45%砂率干硬性混凝土試件經(jīng)168次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率最低，說明其抗凍性最好。

2.3 砂率對干硬性混凝土毛細(xì)吸水特性的影響

首先將試件切割成100 mm×100 mm×50 mm，烘干至恒重，將試件中除了與水接觸的底面及與其相對面之外的其余四個側(cè)面用密封材料進行密封，確保試件沿一維方向吸水;然后將試件放入容器中，緩慢倒入自來水，直至液面高出試塊底面(4±1)mm;從水溶液與試塊底部接觸時刻開始計時，分別在吸水時間為0，0.5，1，2，4，8，12，24 h時取出試塊，將其表面液態(tài)水用濕布擦拭干凈，用電子天平稱取試件質(zhì)量，再立即放回容器中，計算試件毛細(xì)吸水量。毛細(xì)吸水量隨時間變化曲線見圖4。

由圖4可知，干硬性混凝土中毛細(xì)吸水過程早期吸水速度快、吸水量大，曲線呈線性增長，后期吸水速度降低、吸水量減少，曲線趨于平緩;單位面積吸水量隨著砂率的增大而減小。吸水24 h時，砂率為50%的干硬性混凝土試件單位面積吸水量比砂率45%，40%，35%試件依次降低了4.55%，26.29%，44.36%。這是因為砂率較低時粗集料之間的孔隙未被填充密實，因而孔隙率大，混凝土單位面積吸水量大。隨著砂率的提高，孔隙率減小，混凝土內(nèi)部更加密實，從而使混凝土單位面積吸水量逐漸降低。

圖4 單位面積吸水量與時間關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1)干硬性混凝土抗壓強度隨砂率的增加先增大后減小，砂率45%時干硬性混凝土的抗壓強度最大。

2)隨著砂率的增大，干硬性混凝土的相對動彈模量先增大后降低，與強度變化規(guī)律一致。隨著砂率的增大，質(zhì)量損失率逐漸降低。綜合看來，砂率45%時干硬性混凝土抗凍性最佳。

3)干硬性混凝土的單位面積吸水量隨著砂率增大而逐漸降低。50%砂率干硬性混凝土的單位面積吸水量與45%砂率時相比變化不大。

［1］馮乃謙.實用混凝土大全［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.

［2］強衛(wèi)，曹春，黃聰華，等.用水量和砂率對道路碾壓混凝土性能的影響［J］.混凝土與水泥制品，2003(6):21-22.

［3］何錦云，李瑞瞡，王繼宗.砂率對砼和易性及強度影響的試驗研究［J］.河北建筑科技學(xué)院學(xué)報，2002(4):27-29，43.

［4］翁興中，張廣顯，韓照，等.砂率對道面混凝土性能的影響［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013(2):239-244.

［5］張士萍，鄧敏，唐明述.混凝土凍融循環(huán)破壞研究進展［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報，2008(6):990-994.

［6］周學(xué)，于紅生，劉林明.混凝土配合比設(shè)計中砂率選擇方法探討［J］.商品混凝土，2007(5):43-46.

［7］張維國.關(guān)于混凝土配合比設(shè)計中砂率的確定［J］.交通科技與經(jīng)濟，2003(1):12-13，17.

［8］姚保新.特長隧道耐久性混凝土配合比設(shè)計及施工控制［J］.鐵道建筑，2014(1):121-124.

［9］蒙瑋，汪興達(dá)，莊慶平，等.礦物摻合料對箱梁混凝土長期變形性能的影響研究［J］.鐵道建筑，2014(9):134-136.

［10］朱凱.摻粉煤灰煤矸石輕骨料混凝土性能研究［J］.鐵道建筑，2014(3):118-121.

Influence of sand ratio on performance of hard concrete

GUO Ao，ZHAO Tiejun，WANG Penggang，LU Wenpan
(School of Civil Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao Shandong 266033，China)

T he influence of sand ratio on the durability and mechanical performance of the hard concrete was studied.For this purpose，mechanical test，accelerated freeze-thawtest and capillary water absorption test are conducted to concrete of different sand ratio，so as to calculate the compressive strength，relative dynamic modulus，mass loss and water absorption ability of the specimens.T he results indicate that with the increase of sand ratio，both the compressive strength and relative dynamic modulus rise up first，which then tends to decline;while mass loss and water absorption ability of the specimens display a decreasing pattern.45%of sand ratio is found to be the preferable choice in terms of mechanical performance and durability.

Hard concrete;Sand ratio;M echanical performance;Durability

TU528.31

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.38

1003-1995(2015)02-0137-04

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-05-10;

2014-09-10

國家973基金項目(2009CB623203)

郭傲(1989—)，女，山東濟南人，碩士研究生。