后摻粗骨料工藝對(duì)高性能泵送混凝土性能影響研究

賈金青，王東來(lái)，葉 浩，張建成

(大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

后摻粗骨料工藝對(duì)高性能泵送混凝土性能影響研究

賈金青，王東來(lái)，葉 浩，張建成

(大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

為解決建筑工程中高性能泵送混凝土的環(huán)境問(wèn)題、成本問(wèn)題，基于粗骨料嵌鎖效應(yīng)和界面水灰比強(qiáng)度理論，在保證高性能和泵送要求的條件下，提出了后摻骨料工藝，并對(duì)不同粗骨料后摻比例下的混凝土進(jìn)行了力學(xué)性能和抗凍性能的研究。結(jié)果表明，隨著粗骨料后摻比例的增大，7 d、28 d混凝土抗壓強(qiáng)度持續(xù)增大，而28 d混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈先增大后減小的趨勢(shì)；在凍融循環(huán)作用下，質(zhì)量損失率的上升速率呈先減小后增大的趨勢(shì)，而抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量以及超聲波速的下降速率均呈先減小后增大的趨勢(shì)。據(jù)此建議本C30高性能泵送混凝土的粗骨料最佳后摻比例為20%。關(guān)鍵詞： 后摻骨料工藝；力學(xué)性能；抗凍性能；工程應(yīng)用

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平不斷的提高以及城市化建設(shè)的不斷深入，土木工程建設(shè)也進(jìn)入到了一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段，但隨之帶來(lái)的卻是霧霾等嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。相關(guān)報(bào)告顯示，我國(guó)由于嚴(yán)重的空氣污染每年的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)5 658.8億元[1]，而這其中因建筑工程建設(shè)所造成的損失又占有很大比例。對(duì)于工程建設(shè)行業(yè)而言，其污染的源頭主要在于建筑材料混凝土的生產(chǎn)和使用，因此實(shí)現(xiàn)混凝土“綠色化”對(duì)行業(yè)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展具有里程碑式的意義。

目前，國(guó)家“十三五”規(guī)劃也對(duì)建材工業(yè)提出了具體的發(fā)展指導(dǎo)意見，其中建議水泥行業(yè)向綠色低碳方向發(fā)展，鼓勵(lì)有條件的骨干水泥企業(yè)進(jìn)一步延伸至建筑骨料、砂石骨料、預(yù)拌混凝土、水泥制品部件等相關(guān)領(lǐng)域，大力發(fā)展建筑工程使用的高性能、綠色和多功能的混凝土。由此可見，政策上的支持也為“新型綠色高性能混凝土”的推廣應(yīng)用提供了保證。

從混凝土材料的發(fā)展歷史[2]來(lái)看主要經(jīng)歷了傳統(tǒng)混凝土、泵送混凝土、高性能混凝土再到現(xiàn)如今提倡的綠色高性能混凝土幾個(gè)階段。傳統(tǒng)混凝土是從早期的波特蘭水泥發(fā)展而來(lái)，受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，混凝土多為現(xiàn)場(chǎng)拌制，也因此造成了大量環(huán)境和噪聲污染；之后減水劑的發(fā)明和泵送技術(shù)的進(jìn)步實(shí)現(xiàn)了混凝土的工業(yè)化和商品化，直到現(xiàn)在普通泵送混凝土仍在工程建設(shè)中占有很大比例，盡管泵送混凝土的出現(xiàn)提高了工效，節(jié)省了人力，保證了質(zhì)量并消除了噪音，但卻并未解決生產(chǎn)中的環(huán)境污染和能源消耗問(wèn)題，而且隨著時(shí)間的推移一些季節(jié)變化明顯的地區(qū)的混凝土耐久性問(wèn)題也凸顯出來(lái)；為此，國(guó)內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)開展了以混凝土耐久性設(shè)計(jì)為核心的高性能混凝土的研究并付諸于工程實(shí)際應(yīng)用之中，雖然高性能混凝土生產(chǎn)過(guò)程中使用了粉煤灰等工業(yè)廢料，一定程度上緩解了環(huán)境污染，但是由于其水泥用量并未明顯減少，因而并沒(méi)有從根本上解決生產(chǎn)水泥所引起的大量污染和環(huán)境消耗，同時(shí)較高的成本也限制了其進(jìn)一步推廣使用。從我國(guó)的現(xiàn)狀來(lái)看，為了保持經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題已變得越來(lái)越嚴(yán)峻，因此研制一種高社會(huì)效益化和低成本化的綠色高性能混凝土已勢(shì)在必行。為此，本人通過(guò)查閱發(fā)現(xiàn)，“粗骨料嵌鎖效應(yīng)[3-4]”和“界面水灰比強(qiáng)度理論[5-6]”可以有效地實(shí)現(xiàn)混凝土的“綠色化”，目前國(guó)內(nèi)很多學(xué)者利用此理論進(jìn)行了綠色混凝土的研發(fā)和應(yīng)用，取得了很好的效果，如沈衛(wèi)國(guó)等[7-8]提出的“拋填骨料混凝土”，但實(shí)際案例多為橋梁、道路以及水利工程，而在多高層建筑工程方面的研究和應(yīng)用還很匱乏。鑒于此，本課題組在發(fā)明了一種綠色混凝土施工設(shè)備的基礎(chǔ)上提出了“后摻骨料工藝”。本文通過(guò)調(diào)整不同粗骨料后摻比例，對(duì)后摻骨料混凝土的力學(xué)性能和抗凍性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)采用的水泥為大連小野田水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為大連華能電廠生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料為大連瓦房店產(chǎn)的天然河砂；基準(zhǔn)和后摻粗骨料為遼寧某石場(chǎng)生產(chǎn)的粒徑為5 mm～20 mm連續(xù)級(jí)配花崗巖碎石；減水劑為大連Sika公司生產(chǎn)的ViscaCrete3301聚羧酸高性能減水劑；緩凝劑為阿拉丁葡萄糖酸鈉；拌合用水為潔凈的城市自來(lái)水。

化學(xué)外加劑是制備高性能混凝土不能缺少的主要技術(shù)材料之一[9]，本研究同時(shí)采用高效減水劑和緩凝劑，可以很好地抑制坍落度損失，提高混凝土強(qiáng)度和耐久性，從而使混凝土達(dá)到高性能化。

1.2 試件方案及試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，為了模擬混凝土由商品混凝土站至澆筑工作面前的實(shí)際效果，實(shí)驗(yàn)室制備時(shí)，先用強(qiáng)制性攪拌機(jī)拌合好基準(zhǔn)混凝土，之后每隔5 min攪拌30 s，持續(xù)30 min，最后摻入骨料再攪拌30 s得到后摻骨料混凝土。粗骨料后摻比例分別為0%、10%、15%、20%、25%(體積分?jǐn)?shù)，指分別向1 m3基準(zhǔn)混凝土中加入0 m3、0.10 m3、0.15 m3、0.20 m3、0.25 m3的后摻粗骨料)，其中0%指基準(zhǔn)高性能泵送混凝土，將其作為對(duì)照組。按照規(guī)范《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10](GB/T50081—2002)和《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11](GB/T50082—2009)的要求分別制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm、100 mm×100 mm×400 mm的試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期后，分別測(cè)定試塊7 d和28 d抗壓強(qiáng)度、28 d劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，以及經(jīng)過(guò)25次、50次、75次和100次凍融循環(huán)后的各強(qiáng)度指標(biāo)、動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失及超聲波速變化情況。試驗(yàn)采用大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)室的相關(guān)設(shè)備。本基準(zhǔn)混凝土為了滿足泵送的要求，經(jīng)過(guò)了大量的前期試配，最終得到的基準(zhǔn)混配合比、后摻骨料混凝土配合比以及各配比所用試塊件如表1所示。

表1 試驗(yàn)混凝土配合比及試件數(shù)量

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 工作性試驗(yàn)現(xiàn)象

為了驗(yàn)證后摻粗骨料以后混凝土能否滿足施工要求，對(duì)不同粗骨料后摻比例的混凝土進(jìn)行了坍落度和坍落度經(jīng)時(shí)損失[12]的測(cè)定，坍落度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 坍落度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，基準(zhǔn)混凝土坍落度滿足《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》[13](JGJ/T 10—2011)中關(guān)于最大泵送高度達(dá)到200 m時(shí)，入泵坍落度達(dá)到190 mm～220 mm的要求；而后摻比例為25%時(shí)，其坍落度和經(jīng)時(shí)損失后的坍落度也能滿足規(guī)范關(guān)于混凝土澆筑板、梁和大型及中型截面的柱子等(坍落度30 mm～50 mm)、配筋密列的結(jié)構(gòu)(坍落度50 mm～70 mm)和配筋特密的結(jié)構(gòu)(坍落度70 mm～90 mm)的要求，并且由于粗骨料級(jí)配范圍為5 mm～20 mm，所以，雖然骨料體積含量增多，但在機(jī)械振搗作用后，其仍能很好穿過(guò)鋼筋間隙。

當(dāng)粗骨料體積后摻比例≤15%時(shí)，坍落度狀態(tài)保持良好，新拌混凝土在重力作用下均勻、緩慢下降；當(dāng)粗骨料體積后摻比例為20%時(shí)，由于骨料含量的大幅度增加，因而流動(dòng)性有所下降，但黏聚性和保水性依舊正常，未出現(xiàn)離析、泌水現(xiàn)象，說(shuō)明可以滿足施工要求；當(dāng)粗骨料體積后摻比例為25%時(shí)，新拌混凝土?xí)谙侣溥^(guò)程中突然出現(xiàn)一側(cè)崩塌現(xiàn)象，混凝土流動(dòng)性和黏聚性變差，拌合物看起來(lái)比較散，呈粒狀，這是由于當(dāng)粗骨料后摻量達(dá)到一定值后，所占比重過(guò)高，致使?jié){體相對(duì)含量降低，包裹性不好。通過(guò)拌合物和易性狀態(tài)建議粗骨料最佳體積后摻量為20%。

2.2 抗凍試驗(yàn)現(xiàn)象

將后摻骨料混凝土長(zhǎng)方體試件放置到凍融試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行凍融循環(huán)，在放入凍融機(jī)之前不同后摻比例的試件表面均完好無(wú)損；在經(jīng)歷25次凍融循環(huán)后，各試件表面無(wú)明顯變化；50次凍融循環(huán)后，后摻比例為0%和25%的試件表面出現(xiàn)微小孔洞，部分棱角有損壞；75次凍融循環(huán)后后摻比例為10%、15%和20%的試件表面部分出現(xiàn)小孔隙，0%和25%的試件表面出現(xiàn)混凝土掉渣現(xiàn)象；100次凍融循環(huán)后，后摻比例為10%、15%和20%的試件表面出現(xiàn)不同程度的掉渣和脫落現(xiàn)象，0%和25%的試件表面出現(xiàn)嚴(yán)重的混凝土掉渣現(xiàn)象，有的甚至出現(xiàn)骨料外露，但試件均未凍壞。之所以產(chǎn)生上述試驗(yàn)現(xiàn)象，有如下幾點(diǎn)原因：(1) 試件均未凍壞說(shuō)明不同粗骨料后摻比例的混凝土抗凍等級(jí)均高于F100，滿足高性能混凝土高耐久性的設(shè)計(jì)要求；(2) 基準(zhǔn)混凝土(后摻比例0%)試件由于粗骨料含量偏低，漿體富余量較多，造成混凝土內(nèi)部孔隙較多，孔隙率偏高，使得混凝土內(nèi)部毛細(xì)管與外界有較多通路，外界水分容易浸入，因而抗凍性稍差；(3) 后摻比例25%的試件則是由于后摻粗骨料量過(guò)多，致使?jié){體含量不足，包裹性不好，而且由于其振搗所需時(shí)間較長(zhǎng)，容易過(guò)振，間接引起內(nèi)部孔隙增多，抗凍性稍差；(4) 后摻比例10%、15%以及20%的試件，由于后摻粗骨料的適量摻加，使后摻入的干燥粗骨料吸收了基準(zhǔn)混凝土多余的水分，相對(duì)減少漿體富余量，改善了混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，降低了孔隙率，緩解混凝土的滲透性，提高了抗凍的耐久性。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 立方體抗壓強(qiáng)度

分別測(cè)定7 d、28 d后摻骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度及經(jīng)過(guò)25次、50次、75次及100次凍融循環(huán)后的立方體抗壓強(qiáng)度，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖4所示。

圖1 不同齡期及不同后摻比例下混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖1可知，C30高性能泵送混凝土立方體7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度均隨粗骨料后摻比例的增加而增大。當(dāng)后摻比例為25%時(shí)，強(qiáng)度提高最多，相比基準(zhǔn)混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別增加了7.1 MPa和7.7 MPa，提高比率達(dá)到23.5%和18.9%?？箟簭?qiáng)度之所以提高主要包括以下兩方面原因：(1) 粗骨料是混凝土組成材料中強(qiáng)度最高、化學(xué)和體積穩(wěn)定性最好、耐久性最好的成分[14-16]，隨著后摻骨料的加入，混凝土中粗骨料含量逐漸增多，粗骨料間逐漸達(dá)到嵌鎖密實(shí)[17-18]的狀態(tài)，與此同時(shí)，隨著粗骨料間形成有效嵌鎖，在混凝土中逐漸建立起一個(gè)整體骨架結(jié)構(gòu)，從而使得強(qiáng)度骨架作用得以發(fā)揮；(2) 后摻的粗骨料表面干燥且有孔隙，其加入后可以將因重力作用而富集在骨料表面的多余拌合水分進(jìn)行吸收，有效地降低了界面水灰比，并通過(guò)與富余漿體的結(jié)合提高了新生界面區(qū)的密實(shí)程度[7,19]，從而使混凝土抗壓強(qiáng)度得到提高。

圖2 不同后摻比例下抗壓強(qiáng)度齡期變化率

由圖2所示曲線可知，C30高性能泵送混凝土立方體抗壓強(qiáng)度齡期變化率隨粗骨料后摻比例的增加而先增大后減??；其中后摻粗骨料以后齡期變化率隨后摻量增多而持續(xù)降低，并且當(dāng)后摻比例為10%、15%和20%時(shí)，變化率均比基準(zhǔn)混凝土高，而后摻比例為25%時(shí)反而比基準(zhǔn)還低，之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)椋?1) 與基準(zhǔn)混凝土相比，后摻比例為10%、15%和20%的混凝土由于粗骨料的適量摻加使得其在7 d以后骨料強(qiáng)度骨架作用開始凸顯，與此同時(shí)，后摻骨料與富余漿體的化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)作用也要比原骨料與水泥砂漿的后期反應(yīng)增強(qiáng)作用明顯；(2) 后摻比例為25%的混凝土由于后摻骨料過(guò)多，致使?jié){體量不足，對(duì)后摻骨料包裹性不好，其強(qiáng)度變化主要表現(xiàn)為前期骨料的強(qiáng)度骨架作用。

圖3 后摻骨料混凝土抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖4 抗壓強(qiáng)度損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

由圖3可知，不同粗骨料后摻比例混凝土的抗壓強(qiáng)度均隨凍融次數(shù)的增加而下降。從曲線的趨勢(shì)來(lái)看，當(dāng)后摻比例不大于20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降速率隨著后摻比例的增加而減小，這是因?yàn)楫?dāng)粗骨料后摻量未達(dá)到最佳后摻量時(shí)，隨著粗骨料的摻入，混凝土的密實(shí)度提高，內(nèi)部的孔隙和微裂縫相對(duì)減少，抗凍效果更好；當(dāng)后摻比例為25%時(shí)，雖然在同一凍融循環(huán)次數(shù)下的強(qiáng)度僅比后摻20%時(shí)小，但其下降速率甚至比基準(zhǔn)混凝土更快，這是因?yàn)楹髶酱止橇线^(guò)多致使沒(méi)有足夠的砂漿對(duì)所有骨料完全包裹，反而由于多余骨料的裸露造成混凝土內(nèi)部孔隙增多使抗凍效果變差。而從圖4曲線的趨勢(shì)來(lái)看，同樣是后摻比例20%時(shí)在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的強(qiáng)度損失率最低，后摻比例25%時(shí)最高，規(guī)律和原因與前述相吻合；并且不同后摻比例混凝土抗壓強(qiáng)度損失率在100次凍融循環(huán)后均未超過(guò)規(guī)范規(guī)定的25%上限指標(biāo)，表明沒(méi)有試件凍壞，仍滿足高性能的要求。

通過(guò)混凝土抗壓試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，建議粗骨料最佳體積后摻量為20%。

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

分別測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后摻骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度及經(jīng)過(guò)25次、50次、75次及100次凍融循環(huán)后的劈裂抗拉強(qiáng)度，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 不同后摻比例下混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

圖6 后摻骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖5可知，C30高性能泵送混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度隨粗骨料后摻比例的增加先增大后減小。當(dāng)后摻比例為20%時(shí)強(qiáng)度提高最多，相比基準(zhǔn)混凝土增加了0.5 MPa，提高比率達(dá)到17.2%；而當(dāng)后摻比例為25%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)椋?1) 適量的后摻粗骨料增加了混凝土內(nèi)部密實(shí)度，同時(shí)粗骨料含量增加也相對(duì)延緩了從裂縫到形成貫穿破壞斷面的過(guò)程；(2) 摻入過(guò)多的粗骨料反而降低了混凝土內(nèi)部密實(shí)度，而且粗骨料畢竟是脆性材料，抗拉強(qiáng)度并不高，因此數(shù)量增多并未從本質(zhì)上提高抗拉強(qiáng)度。

由圖6可知，不同粗骨料后摻比例的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度均隨凍融次數(shù)的增加而下降。從曲線的趨勢(shì)來(lái)看，當(dāng)后摻比例不大于20%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度下降速率隨著后摻比例的增加而減小；當(dāng)后摻比例為25%時(shí)，在同一凍融次數(shù)下的強(qiáng)度僅比基準(zhǔn)大，并且其強(qiáng)度下降速率與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。上述情況原因與抗壓強(qiáng)度變化原因相同，不過(guò)相比于抗壓強(qiáng)度的改善效果，抗拉強(qiáng)度的變化并不明顯，這主要是因?yàn)榛炷梁痛止橇隙紝儆诖嘈圆牧稀?/p>

通過(guò)混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，建議粗骨料最佳體積后摻量為20%。

3.3 劈裂抗拉與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

通過(guò)后摻骨料混凝土試件28 d抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，計(jì)算不同后摻比例下的拉壓比結(jié)果見表3。

表3 后摻骨料混凝土拉壓比

研究表明，混凝土材料拉壓比越大，其脆性越小，變形能力和韌性越好；反之混凝土抵抗變形能力越差[20]。由表3可知，后摻骨料混凝土拉壓比在0.061～0.072之間，其中后摻比例為20%時(shí)最大，說(shuō)明此時(shí)變形能力最強(qiáng)；后摻比例為25%時(shí)最小，說(shuō)明此時(shí)變形能力最弱；而后摻比例為10%和15%時(shí)與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。此規(guī)律與前文規(guī)律相一致。

3.4 抗折強(qiáng)度

分別測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后摻骨料混凝土抗折強(qiáng)度及經(jīng)過(guò)25次、50次、75次及100次凍融循環(huán)后的抗折強(qiáng)度，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 不同后摻比例下混凝土抗折強(qiáng)度

由圖7可知，C30高性能泵送混凝土28 d抗折強(qiáng)度隨粗骨料后摻比例的增加先增大后減小。當(dāng)后摻比例為20%時(shí)強(qiáng)度提高最多，相比基準(zhǔn)混凝土增加2.15 MPa，提高比率達(dá)到17.2%；當(dāng)后摻比例為25%時(shí)，抗折強(qiáng)度與基準(zhǔn)相比幾乎沒(méi)有提高。

圖8 后摻骨料混凝土抗折強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖8可知，不同粗骨料后摻比例的混凝土抗折強(qiáng)度均隨凍融次數(shù)的增加而下降。從曲線的趨勢(shì)來(lái)看，當(dāng)后摻比例不大于20%時(shí)，抗折強(qiáng)度下降速率隨著后摻比例的增加而減??；當(dāng)后摻比例為25%時(shí)，在同一凍融次數(shù)下的強(qiáng)度僅比基準(zhǔn)大，并且其強(qiáng)度下降速率與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。由此可見，抗折強(qiáng)度變化規(guī)律與抗拉相同。

通過(guò)混凝土抗折試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，建議粗骨料最佳體積后摻量為20%。

3.5 質(zhì)量損失、動(dòng)彈性模量及超聲波速

分別測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后摻骨料混凝土的初始質(zhì)量、相對(duì)動(dòng)彈性模量、動(dòng)彈性模量、超聲波速及經(jīng)過(guò)25次、50次、75次及100次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失、相對(duì)動(dòng)彈性模量、動(dòng)彈性模量和超聲波速，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，如圖9～圖12所示。

圖9 后摻骨料混凝土質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖10 后摻骨料混凝土動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖11 后摻骨料混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融次數(shù)的關(guān)系

圖12 后摻骨料混凝土超聲波速與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖9可知，不同粗骨料后摻比例混凝土的質(zhì)量損失率均隨凍融次數(shù)的增加而增大。當(dāng)凍融循環(huán)25次時(shí)，不同后摻比例混凝土質(zhì)量損失率均較小，差異不大；從凍融循環(huán)50次開始，出現(xiàn)明顯差異，其中后摻比例不大于20%時(shí)，相同凍融質(zhì)量損失率上升速率隨著后摻比例的增加而減?。缓髶奖壤秊?5%時(shí)，其上升速率與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。這同樣說(shuō)明未摻入骨料或摻入骨料過(guò)多時(shí)，混凝土內(nèi)部孔隙和表面微裂紋較多，它們的延伸降低了骨料間以及骨料與水泥砂漿間的黏結(jié)力，使其在凍融循環(huán)作用下保持形態(tài)的能力相對(duì)較差，而后摻入適當(dāng)骨料會(huì)減少內(nèi)部孔隙和裂紋，提高密實(shí)度，增強(qiáng)黏結(jié)力，進(jìn)而提升抗凍性能。從整體結(jié)果來(lái)看，不同后摻比例混凝土質(zhì)量損失率在100次凍融循環(huán)后均未超過(guò)規(guī)范規(guī)定的5%上限值，同樣說(shuō)明各試件沒(méi)有凍壞，滿足高性能的要求。

混凝土的動(dòng)彈性模量可以用來(lái)表示內(nèi)部孔洞 和縫隙的多少，動(dòng)彈模越大說(shuō)明超聲波繞過(guò)的路程越短，傳播時(shí)間越少即混凝土密實(shí)程度越高[21]。

由圖10、圖11可知，不同粗骨料后摻比例混凝土的動(dòng)彈性模量和相對(duì)動(dòng)彈性模量均隨凍融次數(shù)的增加而減小。從圖10曲線走勢(shì)來(lái)看，當(dāng)后摻比例不大于20%時(shí)，初始動(dòng)彈性模量隨著后摻比例的增加而增大，這是因?yàn)楹髶奖壤礁?，干燥的粗骨料吸收混凝土成型養(yǎng)護(hù)后空隙中留存的游離水越多，從而使毛細(xì)孔壁受到的滲透壓力和膨脹壓力疊加作用越小，減少了微裂縫，增加了密實(shí)度，從而動(dòng)彈性模量升高；后摻比例為25%時(shí)，骨料過(guò)多反而由于包裹不足增加了內(nèi)部孔隙，因而其初始動(dòng)彈性模量較低。而后隨著凍融循環(huán)條件的施加，微裂縫寬度持續(xù)擴(kuò)大加快了試件劣化速率，致使各后摻比例混凝土動(dòng)彈性模量均出現(xiàn)下降，其中基準(zhǔn)和后摻比例25%的混凝土尤為明顯。不過(guò)從圖11可知，凍融100次后不同后摻比例混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量均未低于初始的60%，說(shuō)明無(wú)凍壞試件，抗凍性良好。

混凝土超聲波速可以用來(lái)衡量混凝土內(nèi)部裂縫、蜂窩以及凍融循環(huán)引起的缺陷和損傷的大小，波速越大即聲波在混凝土中傳輸時(shí)間越短，說(shuō)明混凝土越密實(shí)，強(qiáng)度也越高[22]。

由圖12曲線變化趨勢(shì)可知，不同粗骨料后摻比例混凝土的超聲波速均隨凍融次數(shù)的增加而減小。當(dāng)后摻比例不大于20%時(shí)，超聲波速下降速率隨著后摻比例的增加而減??；后摻比例為25%時(shí)，開始時(shí)超聲波速僅比20%時(shí)小，當(dāng)凍融循環(huán)100次后，超聲波速甚至比基準(zhǔn)混凝土還小，即后摻比例25%時(shí)，超聲波速下降速率最大。由此表明，適量摻入粗骨料可減少內(nèi)部裂紋，增加混凝土密實(shí)度；但摻入過(guò)多時(shí)，由于漿體明顯不足，反而增多內(nèi)部孔隙和蜂窩現(xiàn)象，從而造成試件受凍融引起的損傷更大。但凍融100次后超聲波速仍都大于4 000 m/s，表明未引起深度損傷，整體抗凍能力較強(qiáng)。

綜上，通過(guò)混凝土抗凍試驗(yàn)相關(guān)指標(biāo)結(jié)果來(lái)看，建議粗骨料最佳體積后摻量為20%。

4 結(jié) 論

(1) 后摻骨料混凝土隨著粗骨料后摻比例的增加，抗壓強(qiáng)度呈持續(xù)增大的趨勢(shì)，劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，在凍融循環(huán)作用下，質(zhì)量損失率的上升速率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量以及超聲波速的下降速率均呈先減小后增大的趨勢(shì)。由此得出，本文配合比制得的C30高性能泵送混凝土的最佳粗骨料后摻比例為20%。

(2) 后摻骨料混凝土的力學(xué)性能和抗凍性能的提升，一方面是因?yàn)榛鶞?zhǔn)混凝土中漿體有富余，內(nèi)部未形成有效嵌鎖，后摻骨料的加入使得粗骨料含量增多，骨料間的嵌鎖效應(yīng)增強(qiáng)，同時(shí)由于粗骨料的高體積穩(wěn)定性，在混凝土中形成了強(qiáng)度骨架效應(yīng)；另一方面是因?yàn)榛炷潦怯纱止橇?、水泥砂漿及兩者間界面區(qū)組成，后摻入的粗骨料表面是干燥且有孔隙的，其加入后將原骨料與砂漿界面間富集的多余水分吸收，有效地降低了界面水灰比，提高了新生界面區(qū)的密實(shí)度，從而改善了基準(zhǔn)混凝土的各方面性能，并且在最佳后摻量時(shí)效果達(dá)到最佳。

(3) 后摻骨料混凝土施工設(shè)備的發(fā)明為后摻骨料工藝今后推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，后摻骨料工藝具有良好的社會(huì)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，以此制備出的后摻骨料混凝土是一種新型綠色高性能混凝土，對(duì)實(shí)現(xiàn)建材工業(yè)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)意義重大。

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Experimental Study on Properties of High Performance Pumping Concrete with After-mixing Coarse Aggregate and Its Application Prospect

JIA Jinqing, WANG Donglai, YE Hao, ZHANG Jiancheng

(TheStateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

In order to solve the environmental problems and high cost issue of high-performance pumping concrete in construction engineering under the condition of ensuring high performance and pumping requirements, the after-mixing coarse aggregate technology has been proposed based on the coarse aggregate interlocking effect and the strength theory of interfacial water-cement ratio. The mechanical properties and frost resistance of concrete with different after-mixing coarse aggregate proportion were analyzed in this research. The results show that the compressive strength of 7 d and 28 d increases continuously, while the splitting tensile strength and flexural strength of 28 d increases first and then decreases with the increase of after-mixing coarse aggregate proportion. Under the action of freeze-thaw cycles, the increasing rate of mass loss ratio decreases first and then increases, while the descent rate of the compressive, tensile, flexural strength, dynamic elastic modulus and ultrasonic wave velocity decrease first and then increase. Therefore it is recommended that the best after-mixing proportion of the C30 high-performance pumping concrete is 20%.

after-mixing coarse aggregate technology; mechanical properties; frost resistance; engineering application

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.001

2017-01-16

2017-02-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51078059、51178078)

賈金青(1962—)，男，河北滄州人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事結(jié)構(gòu)工程、巖土工程及工程新材料的研究和開發(fā)應(yīng)用。 E-mail：keyknown@163.net

王東來(lái)(1991—)，男，遼寧沈陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程、工程新材料的開發(fā)應(yīng)用。E-mail：dut2017wangdl@163.com

TU528.041

A

1672—1144(2017)03—0001—07