骨料粒徑對自密實(shí)混凝土流變性、工作性和靜態(tài)穩(wěn)定性影響研究

張志超

(中國土木工程集團(tuán)有限公司，北京 100038)

0 引 言

CRTS Ⅲ型板式無砟軌道是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一種新型軌道結(jié)構(gòu)[1-4]。其中，充填層自密實(shí)混凝土是CRTS Ⅲ型無砟軌道的重要組成部分。與普通自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)不同，CRTS Ⅲ型板式無砟軌道的特殊結(jié)構(gòu)決定了充填層自密實(shí)混凝土需要具備更優(yōu)良的新拌工作性、抗離析性和間隙通過性才能密實(shí)填充布滿鋼筋網(wǎng)的狹長空間[5]。但是，由于配合比以及環(huán)境變化的原因，自密實(shí)混凝土自身的流動性會受到較大影響，進(jìn)而發(fā)生骨料離析或者體積不密實(shí)等現(xiàn)象。除了膠凝體系外，粗骨料的粒徑分布對自密實(shí)混凝土的流動性具有重要影響[6-8]。研究表明[9]，當(dāng)砂石體系達(dá)到合適的級配時，整個自密實(shí)混凝土體系顆粒比表面積能夠大大減小，此時體系所需的漿體量最小。骨料堆積的顆粒相互作用如圖1所示，粒徑較小的骨料通常在外力作用下不易發(fā)生沉降，并較為穩(wěn)定地懸浮在混凝土體系內(nèi)。當(dāng)混凝土發(fā)生流動行為時，粒徑較大的骨料由于慣性作用會對周圍骨料產(chǎn)生更大的作用力，從而在宏觀上改變混凝土的流動性[10]。綜上，選擇合理參數(shù)范圍的粗骨料對提高自密實(shí)混凝土新拌工作性具有重要意義。除了工作性和流變性外，靜態(tài)穩(wěn)定性也是表征骨料在自密實(shí)混凝土內(nèi)部均勻分布的重要指標(biāo)[11-12]。為了更好地掌握粗骨料粒徑分布對自密實(shí)混凝土工作性和靜態(tài)穩(wěn)定性的影響，本文通過工作性參數(shù)試驗(yàn)、流變參數(shù)測試和柱狀法測試三種手段研究了自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度、擴(kuò)展時間T500、J環(huán)高差、L型儀充填比、屈服應(yīng)力、塑性黏度和靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)隨骨料最大粒徑的變化情況，為混凝土施工質(zhì)量的控制提供了依據(jù)。

圖1 骨料堆積的顆粒相互作用Fig.1 Particle interaction in aggregate accumulation

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

采用的水泥為中國聯(lián)合水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的基準(zhǔn)水泥P·Ⅰ 42.5，粉煤灰為F類Ⅰ級，礦粉為S95級。減水劑類型為聚羧酸高效減水劑，由重慶市江津區(qū)減水劑廠生產(chǎn)提供，減水率為25.6%。粗骨料粒徑分別采用5～10 mm、5～16 mm、5～20 mm和5～25 mm四個粒徑區(qū)間，含泥量均小于0.4%。試驗(yàn)采用纖維素醚作為自密實(shí)混凝土的黏度改性材料，膨脹劑為四川達(dá)州川優(yōu)建材有限公司提供。具體配合比見表1。

表1 自密實(shí)混凝土配合比Table 1 Mixture proportions of self-compacting concrete /(kg/m3)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 自密實(shí)混凝土工作性

(1) 坍落擴(kuò)展度和擴(kuò)展時間T500

將坍落擴(kuò)展度板至于水平地面上，坍落度筒放置在擴(kuò)展度板中心處，用濕布擦拭坍落度筒和擴(kuò)展度板的表面。將攪拌均勻的混凝土倒入坍落度筒內(nèi)，倒入全過程中用腳踩緊筒兩邊的踏板防止其滑移，待傾倒完畢后，用抹刀刮去上表面多余的混凝土。隨后垂直平穩(wěn)提起坍落度筒，使混凝土自由流淌，記錄混凝土擴(kuò)展度達(dá)到500 mm所用的時間以及混凝土不再流動時互相垂直方向的平均直徑即為T500和擴(kuò)展度。

(2) J環(huán)障礙高差

J環(huán)障礙高差試驗(yàn)和坍落擴(kuò)展度測試過程相似。在放置坍落度筒至擴(kuò)展度板中心位置后，將J環(huán)套在筒外。提起坍落度筒使混凝土自然流淌至靜止?fàn)顟B(tài)，測得J環(huán)中心頂面至混凝土頂面的高度差Δh，以及J環(huán)互相垂直的四個方向頂面與相應(yīng)混凝土的高度差Δh1、Δh2、Δh3、Δh4。J環(huán)障礙高差h按式(1)來計(jì)算。

(1)

(3) L型儀充填比

L型儀由前槽(垂直方向)和后槽(水平方向)兩部分組成，前槽高度為600 mm，后槽高度為150 mm，前后槽間設(shè)置有活動門，門前安裝3根長150 mm的φ12 mm光圓鋼筋。將L型儀放在水平堅(jiān)實(shí)的地面上，用濕布潤濕內(nèi)壁后把拌和均勻的混凝土倒入L型儀前槽，靜置1 min后迅速提起活動門使混凝土自然流淌，待混凝土靜止后記錄前后槽混凝土的高度，后槽高度與前槽的比值即為L型儀充填比。

自密實(shí)混凝土的新拌工作性能應(yīng)當(dāng)滿足Q/CR 596—2017《CRTSⅢ 型板式無砟軌道自密實(shí)混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》，具體參數(shù)范圍如表2所示。

表2 自密實(shí)混凝土工作性參數(shù)要求范圍Table 2 Requirements for workability range of self-compacting concrete

1.2.2 自密實(shí)混凝土流變性能

自密實(shí)混凝土的流變性能采用丹麥Germann公司生產(chǎn)的ICAR混凝土流變儀。流變桶內(nèi)部直徑為355 mm，高度為380 mm；轉(zhuǎn)子直徑為125 mm，高度為290 mm。測試前先高速攪拌20 s以便排除混凝土觸變性對流變參數(shù)的影響。隨后剪切速率逐級降低，每個扭矩值恒定5 s，具體測試程序如表3所示。

表3 自密實(shí)混凝土流變測試程序Table 3 Rheological test procedure of self-compacting concrete

自密實(shí)混凝土流變儀的測試原理是基于Reiner-Riwlin方程的計(jì)算過程得出的[13-14]。該方程從傳感器測試得到的扭矩(T)-轉(zhuǎn)速(N)關(guān)系出發(fā)，將混凝土視作標(biāo)準(zhǔn)牛頓流體，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方式得到自密實(shí)混凝土的屈服應(yīng)力τ0和塑性黏度μ，如式(2)～(3)所示。

(2)

(3)

式中，Ri和R0分別為轉(zhuǎn)子半徑和圓筒半徑，G和H分別為T-N直線擬合得到的截距和斜率，a為同軸圓筒流變儀轉(zhuǎn)子浸沒在混凝土中的高度。

1.2.3 自密實(shí)混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性

美國的ASTM C1610-14標(biāo)準(zhǔn)采用柱狀法[15]來測量并計(jì)算得到靜態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)。靜態(tài)穩(wěn)定性測試裝置如圖2所示。首先用濕布潤濕圓柱體試模內(nèi)壁，將兩側(cè)閥門打開，在2 min內(nèi)將混凝土倒入試模內(nèi)，靜置約15 min。隨后將閥門關(guān)閉，在20 min以內(nèi)取出圓筒上下兩節(jié)的混凝土，在4.75 mm方孔篩中將上下節(jié)的骨料洗出，再對其進(jìn)行烘干稱量，計(jì)算靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)，如式(4)所示。

圖2 柱狀法實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental apparatus of column method

(4)

式中，s為混凝土靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)(%)，m1為下層混凝土骨料質(zhì)量(kg)，m2為上層混凝土骨料質(zhì)量(kg)。

2 結(jié)果和討論

2.1 骨料粒徑對工作性參數(shù)的影響

圖3所示為各項(xiàng)工作性參數(shù)隨骨料粒徑的變化情況。四組配合比下自密實(shí)混凝土均滿足規(guī)范要求，每一組混凝土泌水率均為0%，能夠較好地完成現(xiàn)場CRTS Ⅲ型板式無砟軌道的施工灌注。由圖3可知，隨著粗骨料最大粒徑的逐漸增大，自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度和L型儀充填比呈先增大后減小的變化趨勢，但T500和J環(huán)高差則呈現(xiàn)出相反的變化情況。粒徑范圍為5～10 mm時，擴(kuò)展度值在四個配合比中最小為632 mm。同時該配合比對應(yīng)的J環(huán)高差為15.4 mm，說明此狀態(tài)下自密實(shí)混凝土的流動性和間隙通過性能均呈較低的水平。然而當(dāng)骨料最大粒徑值增至20 mm時，擴(kuò)展度增至657 mm，增大較為顯著。隨著骨料最大粒徑繼續(xù)增大，擴(kuò)展度又有所減小。當(dāng)骨料粒徑分布范圍為5～20 mm時，混凝土對應(yīng)的擴(kuò)展度和L型儀充填比最大，而T500和J環(huán)高差最小。

圖3 粗骨料最大粒徑對工作性參數(shù)的影響Fig.3 Effect of maximum coarse aggregate size on workability parameters

2.2 骨料粒徑對流變參數(shù)的影響

圖4所示為四種骨料最大粒徑下自密實(shí)混凝土的扭矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系以及基于Bingham模型的擬合結(jié)果。由擬合結(jié)果可知，自密實(shí)混凝土的扭矩-轉(zhuǎn)速近似符合線性增長關(guān)系。有研究表明[16]，當(dāng)摻入部分礦物摻合料后，自密實(shí)混凝土的流變曲線可能會出現(xiàn)剪切增稠或剪切稀化的現(xiàn)象。當(dāng)扭矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系偏離線性關(guān)系過大時，屈服應(yīng)力和塑性黏度的擬合結(jié)果可能會出現(xiàn)偏離實(shí)際值的情況。本實(shí)驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)中，扭矩-轉(zhuǎn)速線性關(guān)系顯著，故能夠保證流變參數(shù)的準(zhǔn)確性。

圖4 自密實(shí)混凝土扭矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系和擬合直線方程Fig.4 Torque-speed relationship and linear fitting equation of self-compacting concrete

圖5所示為不同粗骨料最大粒徑下自密實(shí)混凝土屈服應(yīng)力和塑性黏度。由圖5(a)可知，當(dāng)骨料最大粒徑由10 mm增大至16 mm時，混凝土屈服應(yīng)力值由14.49 Pa增至14.72 Pa，然而當(dāng)骨料粒徑繼續(xù)增大時，屈服應(yīng)力出現(xiàn)一定波動，并非繼續(xù)呈線性增長關(guān)系。塑性黏度隨粗骨料最大粒徑的變化趨勢和工作性參數(shù)中的T500類似，當(dāng)粗骨料最大粒徑增至20 mm時，塑性黏度由10 mm的15.35 Pa·s減小至12.50 Pa·s；然而當(dāng)最大粒徑繼續(xù)增大時，塑性黏度有所增大。粗骨料粒徑的增大會降低骨料體系的總比表面積，使得附著在骨料表面的漿體體積有所減少，可自由流動的漿體體積增多，進(jìn)而提高了自密實(shí)混凝土的流動性。

圖5 粗骨料最大粒徑對流變參數(shù)的影響Fig.5 Effect of maximum coarse aggregate size on rheological parameters

2.3 骨料粒徑對靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)的影響

圖6為粗骨料最大粒徑對靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)的影響。由圖6可知，隨著粗骨料最大粒徑的增大，自密實(shí)混凝土的靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)逐漸增大，表示混凝土抗離析性有所下降。此時大于4.75 mm的粗骨料下沉現(xiàn)象有所加劇。骨料最大粒徑為10 mm時，自密實(shí)混凝土靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)為0.83%，出現(xiàn)離析現(xiàn)象的骨料很少，混凝土勻質(zhì)性良好。但當(dāng)粗骨料最大粒徑增大至20 mm時，相同黏度的漿體下大顆粒骨料在重力作用更容易發(fā)生下沉現(xiàn)象，從而導(dǎo)致骨料和漿體局部離析。當(dāng)骨料粒徑繼續(xù)增大，靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)有所減小。最大粒徑為20 mm時所對應(yīng)的混凝土靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)為3.14%。

圖6 粗骨料最大粒徑對靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)的影響Fig.6 Effect of maximum coarse aggregate size on static segregation percentage

2.4 流變參數(shù)和工作性的關(guān)系

圖7所示為塑性黏度和T500的關(guān)系。根據(jù)擬合直線方程和相關(guān)系數(shù)可知，塑性黏度和T500近似滿足正向線性關(guān)系，即隨著混凝土塑性黏度的增大，T500逐漸增大。塑性黏度是評價(jià)流體受外力變形速度的重要流變參數(shù)。當(dāng)塑性黏度越大，需要更大的外部剪切力才能打破混凝土內(nèi)部絮凝和顆粒間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使混凝土發(fā)生流動。而T500則是自密實(shí)混凝土流變性的宏觀體現(xiàn)，故對于本試驗(yàn)的各配合比，當(dāng)塑性黏度增大時，T500也會隨之增大。

圖7 塑性黏度和T500的關(guān)系Fig.7 Relationship between plastic viscosity and T500

2.5 流變參數(shù)和靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖8所示為靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)隨塑性黏度的變化情況。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著塑性黏度的增大，自密實(shí)混凝土靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)有所減小。直線擬合的相關(guān)系數(shù)為0.940 7，說明下降近似符合線性關(guān)系。對于自密實(shí)混凝土來說，塑性黏度值的大小主要取決于混凝土中的膠凝體系。當(dāng)塑性黏度較大時，漿體抵抗外力作用的能力越大，進(jìn)而減小了粗骨料離析程度，提高了混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性。因此在骨料級配中，應(yīng)當(dāng)控制粗骨料最大粒徑在合理的范圍區(qū)間。當(dāng)最大粒徑過大時，混凝土流變性較好但靜態(tài)穩(wěn)定性較差；而當(dāng)粒徑過小時，混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性較好但新拌流變性較差。

圖8 塑性黏度和靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between plastic viscosity and static segregation percentage

3 結(jié) 論

(1)隨著骨料最大粒徑的增大，自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度和L型儀充填比先增大后減小，而T500和J環(huán)障礙高差則先減小后增大。當(dāng)骨料最大粒徑為20 mm時，混凝土工作性和間隙通過性較好。

(2)當(dāng)粗骨料粒徑增大時，自密實(shí)混凝土塑性黏度變化情況和工作性相似。粗骨料最大粒徑為20 mm的混凝土塑性黏度顯著低于其他粒徑級配的混凝土，而屈服應(yīng)力則與最大粒徑無顯著相關(guān)性。

(3)隨著粗骨料最大粒徑的增大，自密實(shí)混凝土的靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)呈先增大后減小的變化趨勢，最大粒徑為20 mm的混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性較好。

(4)通過對塑性黏度和T500、靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)的擬合結(jié)果可知，隨著塑性黏度的增大，T500線性增大，而靜態(tài)離析百分?jǐn)?shù)線性減小。