粗骨料體積分?jǐn)?shù)對混凝土耐久性的影響與機(jī)理研究*

劉 春 許鴿龍 劉 方 何 濤 熊 星 沈衛(wèi)國

(1.廣東省公路建設(shè)有限公司 廣州 510623;2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430070; 3.保利長大工程有限公司 廣州 510620)

作為混凝土中體積用量最大的原材料，集料對混凝土性能有著顯著的影響。集料體積分?jǐn)?shù)大于40%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨骨料體積分?jǐn)?shù)增加呈增加趨勢，而且骨料體積分?jǐn)?shù)的增加對混凝土的彈性模量、抗?jié)B性及體積穩(wěn)定性均表現(xiàn)出積極作用[1]。對于普通混凝土，骨料作為惰性填充料嵌入漿體而導(dǎo)致混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。de Larrard提出了最大漿體層厚度(MPT)模型來描述混凝土抗壓強(qiáng)度與其細(xì)觀結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，MPT越小混凝土抗壓強(qiáng)度越高[2]?；炷翝B透性一般與骨料的稀釋作用、繞行作用，以及界面過渡區(qū)的逾滲作用三方面有關(guān)，其中骨料的稀釋作用和繞行作用對混凝土滲透性具有顯著的降低作用[3]。在抗變形能力方面，混凝土骨料含量是影響其彈性模量及干燥收縮主要因素，而且粒徑越大的骨料對混凝土體積穩(wěn)定性的提升作用越明顯[4-5]。

一些研究通過調(diào)整混凝土配合比設(shè)計或混凝土制備過程的投料方式達(dá)到增加骨料體積分?jǐn)?shù)的目的[6-8]，其中拋填骨料工藝是一種在新拌混凝土澆筑過程中加入額外粗骨料的二次投料方法，而且已有研究表明拋填骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性，以及體積穩(wěn)定性均優(yōu)于普通混凝土[9-12]。韓宇棟等[13-14]的研究表明混凝土的抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨粗骨料含量增加而增大。

為說明粗骨料體積分?jǐn)?shù)在混凝土的抗?jié)B性及干燥收縮中所起的作用，本文對混凝土的粗骨料和砂漿的兩相組成進(jìn)行配合比設(shè)計，分析粗骨料體積分?jǐn)?shù)對C30、C40和C50 3個強(qiáng)度等級混凝土的吸水率、電通量及干燥收縮的影響，并闡明粗骨料對混凝土滲透性及體積穩(wěn)定性的影響機(jī)理。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

所用膠凝材料包括華新P·O 42.5水泥、II級粉煤灰。河砂用作細(xì)骨料，其表觀密度為2 610 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.9。天然粗骨料為石灰石質(zhì)碎石，表觀密度為2 690 kg/m3，由于粗骨料原始級配較差，將其篩分為4.75～9.5，>9.5～19，>19～26.5 mm 3個粒級，分別標(biāo)記為CA1號、CA2號和CA3號，各級粗骨料的級配見表1。3種骨料混合時的振實堆積密度見圖1。其中CA1號和CA2號按質(zhì)量3∶7的比例配合后用以制備粗骨料含量較低的混凝土和基準(zhǔn)混凝土，CA3號則用作拋填骨料以制備拋填骨料混凝土。

表1 不同粒級粗骨料的分計篩余質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

圖1 混合粗骨料的堆積密度

1.2 混凝土配合比設(shè)計及制備

為探明粗骨料作用下混凝土滲透性及干燥收縮的變化，在不改變砂漿組分配合比情況下，僅調(diào)整粗骨料在混凝土中的體積分?jǐn)?shù)來設(shè)計混凝土的配合比，混凝土的詳細(xì)配合比見表2，其中C30-3、C40-3和C50-3為基準(zhǔn)混凝土配合比，按流態(tài)分別為塑性、大流態(tài)和自密實混凝土。小于基準(zhǔn)混凝土中粗骨料體積分?jǐn)?shù)的配合比，采用一次拌和方法制備混凝土；大于基準(zhǔn)混凝土中粗骨料體積分?jǐn)?shù)的配合比則采用拋填骨料工藝制備混凝土，拋填骨料混凝土由基準(zhǔn)混凝土和拋填骨料2部分組成。

表2 不同粗骨料體積分?jǐn)?shù)混凝土配合比

1.3 試驗方法

1.3.1吸水率

吸水率試驗所用試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試樣養(yǎng)護(hù)至測試齡期后，轉(zhuǎn)入干燥的室內(nèi)環(huán)境中放置1～2 d，后放入烘箱中在105 ℃下干燥24 h。后浸入水中飽水48 h，由于混凝土粗骨料體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，吸水率按所吸收水的體積比進(jìn)行計算，計算方法見式(1)。

(1)

式中：wV為混凝土體積吸水率，%；m0為烘干試樣的質(zhì)量，g；msat為飽水試樣的質(zhì)量，g；Vc為試樣的體積，cm3；ρw為水的密度，g/cm3。

1.3.2滲透性

電通量試驗所用試樣的尺寸為直徑×厚度=100 mm×50 mm，抽真空3 h后，在水中浸泡18 h。在電通量試驗中，將飽水試樣裝入夾具中，陽極和陰極分別加入摩爾濃度0.3 mol/L的NaOH溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的NaCl溶液，然后在60 V電壓下通電360 min并記錄通過試樣的電荷量。

1.3.3干燥收縮

干燥收縮試驗采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試樣，成型后使用保鮮膜覆蓋養(yǎng)護(hù)，24 h拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)2 d，隨后移入室溫(20±2) ℃，相對濕度(60±5) %的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至測試齡期。為排除外界因素對環(huán)境產(chǎn)生的干擾，干燥養(yǎng)護(hù)28 d前加密測量次數(shù)，即對1，2，3，5，7，14，21 d時的試樣長度均進(jìn)行測量，28 d后，隨齡期延長，測量密度適當(dāng)減少。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸水率

吸水率可間接反映混凝土的孔隙率，不同粗骨料體積分?jǐn)?shù)混凝土的吸水率見圖2。由圖2可見，混凝土體積吸水率隨粗骨料體積分?jǐn)?shù)的增大呈減小趨勢，但考慮到混凝土中吸水組分主要為砂漿，將式(1)的分母乘以混凝土中砂漿體積分?jǐn)?shù)得到歸一化的單位體積砂漿吸水率。由圖2還可見，混凝土單位體積砂漿吸水率與砂漿試樣的基本相等，部分試樣單位砂漿吸水率較高是因為高粗骨料體積分?jǐn)?shù)增加了振搗過程中浮入空氣的排出難度?；炷帘碛^體積吸水率與單位體積砂漿吸水率兩者表明，粗骨料對混凝土吸水率的影響以其稀釋作用為主，即粗骨料替代了部分砂漿，減少了混凝土中的可吸水組分?？傮w來看，粗骨料體積分?jǐn)?shù)的增加對砂漿中孔隙率的影響較小。

圖2 混凝土體積吸水率與粗骨料體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

2.2 電通量

粗骨料體積分?jǐn)?shù)對混凝土的電通量影響見圖3。C30、C40和C50系列混凝土所對應(yīng)砂漿的電通量分別為9 511，6 660，2 672 C，隨粗骨料含量的增加，不同系列混凝土的電通量均呈下降的趨勢，而且粗骨料含量相同時，相比C40和C50系列混凝土，C30系列混凝土的電通量降低最為明顯。但當(dāng)粗骨料體積分?jǐn)?shù)超過40%時，隨粗骨料含量增加，3個系列混凝土電通量降低程度較小，而且強(qiáng)度等級對混凝土電通量的影響程度也變得不明顯。

圖3 粗骨料含量對電通量的影響

相比混凝土的吸水率，混凝土的滲透性是離子傳輸?shù)膭討B(tài)結(jié)果，除與漿體的固有滲透性有關(guān)外，其還是骨料稀釋作用、繞行作用，以及界面過渡區(qū)逾滲效應(yīng)的綜合結(jié)果。骨料的稀釋效應(yīng)可由式(2)進(jìn)行描述，但將繞行作用考慮在內(nèi)時，混凝土的滲透系數(shù)與骨料體積分?jǐn)?shù)間的關(guān)系如式(3)所示[15]。

Dc=Dm(1-φa)

(2)

Dc=Dm(1-φa)1.5

(3)

式中：Dc和Dm分別為混凝土和基體的滲透系數(shù)；φa為粗骨料體積分?jǐn)?shù)。

為說明隨粗骨料體積分?jǐn)?shù)增加，3種作用的變化規(guī)律，以混凝土電通量代替滲透系數(shù)，由于離子傳輸主要發(fā)生在砂漿中，將混凝土整體電通量歸一化為砂漿組分的電通量。體積吸水率結(jié)果表明砂漿中的孔隙率隨粗骨料體積分?jǐn)?shù)增加變化不大，而且歸一化砂漿電通量排除了粗骨料稀釋作用帶來的影響。粗骨料對混凝土及砂漿電通量的影響規(guī)律見圖4。

圖4 粗骨料作用下的混凝土及砂漿的電通量變化趨勢

由圖4可見，C30和C40混凝土電通量的實測值均低于粗骨料稀釋作用下的混凝土電通量，這是因為粗骨料的繞行作用遠(yuǎn)大于界面逾滲效應(yīng)，而降低了混凝土的電通量；C50混凝土電通量與式(2)計算結(jié)果較為接近，但混凝土中砂漿的電通量隨粗骨料體積分?jǐn)?shù)增加呈增加的趨勢，導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能為C50混凝土中的砂漿本身具有相對較低的電通量，粗骨料體積分?jǐn)?shù)較大時，粗骨料-砂漿間的界面過渡區(qū)含量較多，而且界面間的連通性也較大，使得界面的逾滲效應(yīng)對混凝土滲透性的作用程度增強(qiáng)，對于C50-3和C50-4，界面的逾滲效應(yīng)相比粗骨料的繞行作用更占主導(dǎo)作用。

2.3 干燥收縮

不同粗骨料含量的混凝土的干燥收縮情況隨齡期的變化見圖5。

圖5 不同粗骨料體積分?jǐn)?shù)混凝土的干燥收縮率

不同系列混凝土的干燥收縮主要發(fā)生在56 d內(nèi)，并隨混凝土強(qiáng)度等級和粗骨料體積分?jǐn)?shù)的增加，混凝土最大收縮值呈減小趨勢?；炷粮稍锸湛s是由水分散失所導(dǎo)致的混凝土體積變形，隨水灰比增大，漿體中毛細(xì)孔和可遷移水的含量均會增加。因此，雖然C50混凝土具有最高的膠凝材料含量，其干縮值最小。除水灰比的作用外，C40和C50系列混凝土中的膠凝材料分別摻入了30%和20%的粉煤灰，粉煤灰對水泥的稀釋作用及對漿體的填充作用均可以起到抑制收縮的效果，從而使C40和C50系列混凝土的干燥收縮相對C30系列混凝土大幅度下降?；炷粮稍锸湛s和漿體收縮性能及粗骨料體積分?jǐn)?shù)存在式(4)的關(guān)系[16]。

Sc=Sm(1-φa)n

(4)

式中：Sc和Sm分別為混凝土和基體的干燥收縮率；n值與骨料彈性模量相關(guān)，其值為1.2～1.7。

可以看出，式(4)與式(3)具有很大的相似性。

當(dāng)式(4)中n等于1時，混凝土與骨料體積分?jǐn)?shù)間的線性關(guān)系為骨料的稀釋作用?；炷猎诖止橇系南♂屪饔孟碌挠嬎阒蹬c實測值間的差異見圖6。

圖6 粗骨料作用下的混凝土干燥收縮變化規(guī)律

由圖6可見，由于骨料的約束作用，實測值普遍大于計算值。Zhu等[17]提出了粗骨料約束作用的量化模型，見式(5)、式(6)，砂漿包裹層厚度見圖7。

(5)

(6)

式中：CRA為粗骨料約束系數(shù)；CR為骨料和包裹漿體相關(guān)的幾何系數(shù)；EM、EA分別為砂漿和粗骨料的彈性模量，GPa；μM、μA分別為砂漿和粗骨料的泊松比；R為粗骨料半徑；H為砂漿包裹層厚度，mm。

(7)

其中：λc為粗骨料堆積密實度；φc為砂漿體積分?jǐn)?shù)；∑cSi為單位體積混凝土中骨料表面積，可根據(jù)粗骨料級配近似計算得到，mm2/mm3。

圖7 砂漿包裹層厚度與粗骨料體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖7可見，砂漿層厚度隨粗骨料體積分?jǐn)?shù)的增加呈冪函數(shù)形式減小，而且在采用拋填骨料工藝所制備的混凝土中粗骨料體積分?jǐn)?shù)增加的同時，粗骨料的平均粒徑也有所增加，這2個參數(shù)的變化均使CR增大，故在砂漿性質(zhì)不變的情況下，增強(qiáng)了粗骨料的約束作用(CRA)，使混凝土干燥收縮明顯下降。而且由圖6中還可以看出隨砂漿自身干燥收縮減小，粗骨料的約束作用表現(xiàn)為增強(qiáng)的趨勢。

3 結(jié)論

1) 粗骨料影響混凝土的滲透性及體積穩(wěn)定性的直接作用為稀釋效應(yīng)，增加粗骨料體積分?jǐn)?shù)，減少了漿體含量而降低混凝土的滲透性和干燥收縮。

2) 粗骨料的繞行作用和界面過渡區(qū)的逾滲作用對混凝土滲透性的影響程度與砂漿的滲透性有關(guān)。在較高滲透性的砂漿中，粗骨料以繞行作用為主，隨砂漿滲透性的下降，界面過渡區(qū)的逾滲作用呈增強(qiáng)趨勢。

3) 在粗骨料稀釋作用的基礎(chǔ)上，粗骨料的約束作用進(jìn)一步降低了混凝土的干燥收縮，而且粗骨料的約束作用隨砂漿自身干燥收縮減小呈增強(qiáng)趨勢。