基于漿體體積富余系數(shù)的混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能研究*

孟令凱，周新剛，蘇智慧，劉相如

（煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264005）

基于漿體體積富余系數(shù)的混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能研究*

孟令凱，周新剛，蘇智慧，劉相如

（煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264005）

本文引入漿體體積富余系數(shù) γp用來描述骨料體積和漿體體積的平衡狀況。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種水膠比的混凝土，通過調(diào)整混凝土中骨料體積和漿體體積來改變漿體的富余情況，研究了 γp對(duì)混凝土拌合物工作性及硬化后強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和滲透性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，0.46和 0.36水膠比混凝土的漿體體積富余系數(shù)分別為γp=0.251和 γp=0.630 時(shí)，混凝土拌合物坍落度及硬化后抗壓強(qiáng)度指標(biāo)最優(yōu)，且具有較好的體積穩(wěn)定性和抗?jié)B透性。在最優(yōu)漿體體積富余系數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合最大密實(shí)度理論和絕對(duì)體積法，建立了基于最優(yōu)漿體體積富余系數(shù)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。

漿體富余系數(shù)；工作性；強(qiáng)度；體積穩(wěn)定性；配合比設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計(jì)是計(jì)算—試配法，其計(jì)算依據(jù)是在混凝土組成與一般性能的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到粗略配合比，再經(jīng)過試配得到以強(qiáng)度為目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法，它沒有充分考慮骨料粒型、表面粗糙度等因素對(duì)混凝土性能的影響，僅以骨料最大粒徑和坍落度確定用水量[1]。隨著對(duì)混凝土性能的要求越來越高，基于性能的混凝土配合比設(shè)計(jì)研究越來越受到重視。骨料堆積密實(shí)度、最優(yōu)砂率、漿骨比等指標(biāo)對(duì)混凝土的性能具有重要影響，也是基于性能的混凝土配合比設(shè)計(jì)所關(guān)注的重要參數(shù)，Cabonari B T[2]、Domone P L J[3]和張蛟龍[4]等從不同的角度對(duì)此問題進(jìn)行了研究。陳建奎[5]提出混凝土配合比全計(jì)算法，推導(dǎo)建立了用水量和砂率的計(jì)算公式，建立了普遍適用的混凝土體積模型。

在基于性能的混凝土配合比設(shè)計(jì)過程中，除合理確定水膠比、選擇優(yōu)良的材料外，重要的是依據(jù)最大密實(shí)度理論，通過骨料級(jí)配優(yōu)化得到堆積密實(shí)度大的骨料體系。漿體填充密實(shí)骨料體系的空隙后并保證一定的富余，是改善和提高混凝土性能的重要途徑。最大密實(shí)度理論的研究與應(yīng)用很多[6]，但漿體富余程度對(duì)混凝土性能影響的研究較少[7]。本文定義漿體體積富余系數(shù) γp，用來描述單位體積混凝土中骨料體積和漿體體積的平衡狀況，并通過試驗(yàn)研究了 γp對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律，找到了使混凝土性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時(shí)的漿體體積富余系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合最大密實(shí)度理論和絕對(duì)體積法，建立了基于最優(yōu)漿體體積富余系數(shù)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。

1 漿體體積富余系數(shù)

由于水對(duì)于膠凝材料、凈漿對(duì)于細(xì)骨料、砂漿對(duì)于粗骨料具有填充關(guān)系，從而水填充膠凝材料空隙形成水泥凈漿，水泥凈漿填充并包裹細(xì)骨料形成砂漿，砂漿填充并包裹粗骨料形成混凝土拌合物。從填充和包裹的作用關(guān)系看，在水膠比及材料質(zhì)量一定的條件下，漿體在充分填充混合骨料空隙后并有一定的富余，是改善和提高混凝土的強(qiáng)度、耐久性和體積穩(wěn)定性，保證良好工作性的關(guān)鍵。因此，研究漿體富余程度對(duì)混凝土性能的影響具有重要的意義。Metha 和 Aitcin[8]在高強(qiáng)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)中指出漿骨比為35:65時(shí)，可以平衡混凝土工作性、強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性之間的矛盾。國(guó)內(nèi)學(xué)者以漿體為研究對(duì)象，從不同的角度開展了基于性能的混凝土配合比設(shè)計(jì)，季濤[9]提出最小漿體厚度（APT）這一指標(biāo)，并以成本為目標(biāo)對(duì)混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化，得到滿足工作性和強(qiáng)度要求的最小漿體厚度。張漢君[10]認(rèn)為水膠比、砂漿填充粗骨料空隙后的富余砂漿量、凈漿填充細(xì)骨料空隙后的富余凈漿量是影響混凝土性能的三個(gè)重要參數(shù)，并以此進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)。韓小華[11]定義漿體富余系數(shù)為水泥凈漿體積與細(xì)骨料空隙體積之比，并研究了漿體富余系數(shù)對(duì)混凝土工作性和強(qiáng)度的影響規(guī)律。

本文定義漿體體積富余系數(shù) γp以填充骨料空隙后多余漿體體積與混合骨料空隙體積之比來表示，用來描述混凝土中骨料和漿體體積的平衡狀態(tài)。γp的計(jì)算公式如下：

式中：

γp——漿體體積富余系數(shù)；

Vs——填充骨料空隙后富余漿體體積；

Vv——骨料堆積密實(shí)時(shí)空隙體積，即骨料堆積體積與絕對(duì)體積之差。

2 試驗(yàn)研究

為研究漿體體積富余系數(shù) γp對(duì)混凝土拌合物工作性及硬化后強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和耐久性的影響，本文設(shè)計(jì)了 0.36和 0.46兩個(gè)水膠比的混凝土。根據(jù)最大密實(shí)理論[12]，分別測(cè)定不同砂率情況下，混合骨料的堆積密實(shí)度 α，選擇混合骨料堆積密實(shí)度最大時(shí)的砂率作為最優(yōu)砂率。考慮礦物摻合料物理特性和摻量對(duì)膠凝材料堆積密實(shí)度的影響，試驗(yàn)中粉煤灰和礦粉的摻量分別確定為20% 和25%[13]。

2.1 原材料

水泥：P·O42.5級(jí)硅酸鹽水泥；粉煤灰：Ⅲ 級(jí)粉煤灰；礦粉：S95級(jí)礦粉，外加劑：聚羧酸高效減水劑，減水率25%；粗骨料：最大粒徑25mm 碎石，表觀密度為2850kg/m3；細(xì)骨料：水洗機(jī)制砂，表觀密度為2650kg/m3，表1和表2 分別為粗細(xì)骨料篩分表。

表1 粗骨料篩分表

表2 機(jī)制砂篩分表

2.2 骨料空隙體積和漿體體積計(jì)算

由漿體體積富余系數(shù)定義，結(jié)合絕對(duì)體積法，按照下述理論計(jì)算骨料空隙體積和漿體體積。

式中：

VA——單位體積混凝土中骨料體積；VP——單位體積混凝土中漿體體積；Va——混凝土含氣量，可根據(jù)外加劑種類實(shí)測(cè)得到，一般可取 0.01～0.04；

Vv——混合骨料堆積密實(shí)時(shí)空隙體積；

α——混合骨料堆積密實(shí)度，通過實(shí)測(cè)堆積密度比上表觀密度得到；

Mb、Mc、Mfa、Ms、Mw——分別為膠凝材料、水泥、粉煤灰、礦粉、水的用量，kg；

ρc、ρfa、ρs、ρw——分別為水泥、粉煤灰、礦粉、水的密度。

2.3 配合比

試驗(yàn)以 γp=0 作為對(duì)照組，通過不斷增大 γp來調(diào)整單位體積混凝土中骨料和漿體體積。依據(jù)上述理論，確定了兩種水膠比混凝土在不同漿體體積富余系數(shù)下的配合比數(shù)據(jù)，分別見表3和表 4。由于隨著水膠比的減小，漿體粘滯阻力逐漸變大，需要更多的漿體為混凝土拌合物提供流動(dòng)性。因此，試驗(yàn)確定 0.46水膠比混凝土的漿體體積富余系數(shù)由 γp=0 增大至 γp=0.525，0.36水膠比混凝土的漿體體積富余系數(shù)由 γp=0 增大至 0.875，來研究混凝土性能隨著 γp的變化規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]進(jìn)行，坍落度試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]進(jìn)行，混凝土早期收縮率按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]中的非接觸法進(jìn)行，氯離子擴(kuò)散系數(shù)按照NEL法進(jìn)行測(cè)定。

表3 0.46水膠比混凝土配合比數(shù)據(jù)

表4 0.36水膠比混凝土配合比數(shù)據(jù)

3.1 混凝土拌合物工作性分析

不同漿體體積富余系數(shù)下混凝土坍落度數(shù)據(jù)見表5和表6。

表5 0.36水膠比混凝土坍落度數(shù)據(jù)表 mm

表6 0.46水膠比混凝土坍落度數(shù)據(jù)表 mm

圖1為混凝土坍落度隨 γp增大的變化趨勢(shì)圖。當(dāng) γp=0 時(shí)，混凝土中漿體僅能夠填充混合骨料的空隙，沒有多余漿體包裹在骨料表面形成潤(rùn)滑層為混凝土提供流動(dòng)性，混凝土狀態(tài)干硬，難以成型。隨著 γp的不斷增大，工作性得到改善。當(dāng) 0.46和 0.36水膠比混凝土的γp分別超過 0.251和 0.630 時(shí)，在為拌合物提供流動(dòng)性后，漿體仍有大量富余，由于沒有足夠的骨料作為支撐，混凝土拌合物出現(xiàn)離析，坍落度減小，工作性降低。

圖1 坍落度變化趨勢(shì)圖

3.2 混凝土抗壓強(qiáng)度分析

隨 γp變化混凝土 7d、28d 抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表 7和表8。圖2 和圖3分別為混凝土 7d、28d 強(qiáng)度隨著 γp的變化趨勢(shì)圖。隨著 γp增大，混凝土強(qiáng)度先增大至峰值點(diǎn)再緩慢降低。0.46和 0.36水膠比混凝土強(qiáng)度峰值點(diǎn)分別出現(xiàn)在 γp=0.251和 γp=0.630，與坍落度峰值點(diǎn)一致，說明在混凝土拌合物工作性較好時(shí)其硬化后強(qiáng)度也最優(yōu)。當(dāng) γp較小，漿體填充混合骨料空隙后并沒有形成均勻、連續(xù)的拌合物，混凝土結(jié)構(gòu)空隙較多且不能形成良好的界面層，硬化后混凝土強(qiáng)度偏低；當(dāng) γp較大時(shí)，漿體過多，混凝土拌合物出現(xiàn)離析，成型時(shí)漿體上浮，強(qiáng)度下降。

表7 0.36水膠比混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)表MPa

表8 0.46水膠比混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)表MPa

圖2 混凝土 7d 抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖

圖3 混凝土28d 抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖

3.3 混凝土早期收縮率分析

混凝土的早期收縮包括塑性沉降收縮、自收縮、化學(xué)收縮以及干燥收縮，這些收縮在混凝土收縮中占較大比例[17]?；炷猎缙谑湛s率直接影響其硬化后裂縫的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，對(duì)混凝土耐久性的影響至關(guān)重要。圖 4和圖5為混凝土早期收縮率隨著 γp的變化趨勢(shì)圖。γp較小時(shí)，漿體較少，收縮發(fā)展緩慢，收縮率較小。隨著 γp的不斷增大，漿體增多，混凝土收縮發(fā)展較快，收縮率變大。當(dāng) 0.46和 0.36兩個(gè)水膠比混凝土的富余系數(shù)分別超過γp=0.251和 γp=0.630 時(shí)，漿體過多，拌合物出現(xiàn)離析，漿體的水化收縮急劇增大，體積穩(wěn)定性降低。從總體上來看，在混凝土終凝后的16h 內(nèi)收縮率發(fā)展較快，其后緩慢增長(zhǎng)并趨于平穩(wěn)。對(duì)比圖 4和圖5可知，兩個(gè)水膠比混凝土在最優(yōu)漿體體積富余系數(shù)下的早期收縮率相當(dāng)，均在200×10-6左右，具有較好的體積穩(wěn)定性。

圖4 0.46水膠比早期收縮率

圖5 0.36水膠比早期收縮率

3.4 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

試驗(yàn)采用 NEL 飽鹽電導(dǎo)率法測(cè)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，試驗(yàn)試塊尺寸為100mm×100mm×50mm，用4mol/L 的 NaCl 溶液真空飽鹽，使之成為線性元件，擦去表面鹽水并置于試樣夾具上 D=50mm 兩個(gè)紫銅電極之間，在直流低電壓下對(duì)飽鹽試樣進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)取三個(gè)試塊的平均值作為混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

隨漿體體積富余系數(shù)增大混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)見表 9 和表10。圖6和圖 7分別為混凝土在不同漿體體積富余系數(shù)下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。當(dāng) γp較小時(shí)，混凝土界面粗糙不連續(xù)，空隙率較大，氯離子擴(kuò)散系數(shù)較大，抗?jié)B透性較差。隨著 γp增大，漿體增多，混凝土自身結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，空隙率降低，氯離子擴(kuò)散系數(shù)變小，抗?jié)B透性得到改善。由于混凝土在硬化過程中，拌合物中水分的蒸發(fā)會(huì)改變混凝土的孔結(jié)構(gòu)，水分蒸發(fā)量越少，混凝土空隙體積越小，抗?jié)B透性越強(qiáng)。因此，相對(duì)于 0.46水膠比，0.36水膠比混凝土水分蒸發(fā)量較少，空隙率低，氯離子擴(kuò)散系數(shù)較小。

表9 0.36水膠比混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)(×10-14)

表10 0.46水膠比混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)(×10-14)

圖6 0.36水膠比混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

圖7 0.46水膠比混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

4 基于漿體體積富余系數(shù)的混凝土配合比設(shè)計(jì)

以試驗(yàn)得到的最優(yōu)漿體體積富余系數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合最大密實(shí)度理論和絕對(duì)體積法，建立了基于性能的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，其邏輯計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 8。

（1）首先對(duì)試驗(yàn)所用骨料進(jìn)行篩分，使骨料級(jí)配達(dá)到《建筑用卵石、碎石》[18]和《建筑用砂》[19]的要求。由試驗(yàn)確定的水膠比，配制不同砂率的混合骨料，根據(jù)最大密實(shí)理論，分別測(cè)定各組骨料體系的堆積密實(shí)度 α，選擇混合骨料堆積密實(shí)度最大時(shí)的砂率作為最優(yōu)砂率。

（2）由最優(yōu) γp和骨料密實(shí)度 α，可計(jì)算得到骨料和漿體體積。根據(jù)礦物摻合料摻量和最優(yōu)砂率可計(jì)算得到膠凝材料和骨料用量，進(jìn)而確定混凝土配合比。

（3）影響混凝土性能其他參數(shù)的確定。在確定礦物摻合料摻量時(shí)，還應(yīng)考慮礦物摻合料粒徑、細(xì)度等物理特性和摻量對(duì)多元膠凝材料體系堆積密實(shí)度的影響。當(dāng)摻加高效減水劑時(shí)，陳建奎所提出的混凝土配合比全計(jì)算法中所建立的高性能混凝土中減水劑減水率及摻量的計(jì)算公式，再經(jīng)試配調(diào)整得到合適的摻量。若有引氣要求，含氣量的確定可參照混凝土耐久性相關(guān)規(guī)范選定，也可經(jīng)試配確定。

5 結(jié)論

（1）混凝土坍落度和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)隨著漿體體積富余系數(shù)的增大先增大至峰值點(diǎn)然后緩慢降低?；炷恋脑缙谑湛s率在終凝后16h 內(nèi)隨著 γp的增大發(fā)展較快，其后緩慢增長(zhǎng)并趨于平穩(wěn)?；炷谅入x子擴(kuò)散系數(shù)隨著γp的增大逐漸減小。

（2）試驗(yàn)設(shè)計(jì)的 0.46和 0.36水膠比混凝土的漿體體積富余系數(shù)分別為 γp=0.251和 γp=0.630時(shí)，混凝土拌合物坍落度和硬化后強(qiáng)度指標(biāo)最優(yōu)，且具有較好的體積穩(wěn)定性和抗?jié)B透性。

（3）不同水膠比混凝土的最優(yōu)漿體體積富余系數(shù)差別較大，這是因?yàn)椴煌乃z比，漿體的粘滯阻力不同，會(huì)直接影響混凝土拌合物的工作性能。另外，最優(yōu)漿體體積富余系數(shù)會(huì)隨著原材料的改變有所波動(dòng)。因此，在優(yōu)良原材料的基礎(chǔ)上，還需對(duì)不同水膠比混凝土

圖8 基于最優(yōu)漿體體積富余系數(shù)的混凝土配合比設(shè)計(jì)邏輯簡(jiǎn)圖

的最優(yōu) γp進(jìn)行試驗(yàn)研究，才能完善基于最優(yōu)漿體體積富余系數(shù)的混凝土配合設(shè)計(jì)方法。

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Discussion of concrete mix proportion and performance based on the coef fi cient of surplus paste*

Meng Lingkai, Zhou Xingang, Su Zhihui, Liu Xiangru
(School of Civil Engineering YanTai University, YanTai264005)

Proposing the coefficient of surplus paste used to describing the balanced condition between the volume of aggregate and paste in concrete. Changing the coef fi cient through adjusting the volume of aggregate and paste. Studying the in fl uence of the coef fi cient on the workability of concrete mixture and the compressive strength after harden, the stability of volume and the permeability. The test results showed the coef fi cient with water binder ratio is 0.46and 0.36is γp=0.251and γp=0.630 respectively. The slump of concrete mixture and the compressive strength after harden is optimal with preferable volume stability and permeabiliuty.Combing the density theory and the absolute volume methodbased on the studying of optimal coef fi cient. Establishing the mix proportion method based on the coef fi cient of surplus paste.

coef fi cient of surplus paste; workability; strength; stability; mix proportion

山東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（YK051）

孟令凱（1992—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)椋夯炷两Y(jié)構(gòu)及耐久性。

［通訊地址］煙臺(tái)市煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院（264005）