海工混凝土拌合物性能及最佳含氣試驗研究

張 維，董亮亮，韋開騰

（1、寧波交通工程咨詢監(jiān)理有限公司華南分公司 廣東佛山528000；2、中鐵十四局集團有限公司 濟南250101；3、廣東交科檢測有限公司 廣州510550）

0 引言

以Mehta 為代表的美國與加拿大混凝土學派認為，混凝土抗壓強度等級已經(jīng)不是混凝土的核心指標，而耐久性應(yīng)放在混凝土技術(shù)追求的首位，其次是混凝土自身抗?jié)B透性和硬化后尺寸穩(wěn)定［1］。若組成混凝土材料均滿足要求，則海工混凝土拌合物優(yōu)秀的工作性能和適宜的含氣量是保證混凝土耐久性的關(guān)鍵。國內(nèi)混凝土生產(chǎn)一般按照拌合物單位體積含氣量為2%左右考慮，而海工高性能混凝土須具備高抗?jié)B透能力和體積穩(wěn)定性能，宜適當增大引氣，以提高抵抗海洋環(huán)境侵蝕的能力，目前相應(yīng)規(guī)范基于滿足混凝土抗壓強度指標考慮，要求拌合物以入倉時，含氣量不宜超過相應(yīng)體積的6%進行約束，但混凝土在生產(chǎn)和運輸、入倉環(huán)節(jié)含氣量一直是以一個動態(tài)的指標起伏。還有當混凝土膠凝材料中摻入礦渣粉和粉煤灰后，拌合物工作性能難以掌握，同時混凝土含氣量與混凝土力學性能指標也存在較大關(guān)聯(lián)。拌合物出機時以怎樣的狀態(tài)為宜，具體在混凝土中引多少氣最佳，在混凝土生產(chǎn)和施工的各個階段，混凝土拌合物的含氣量會發(fā)生怎樣的變化，對混凝土室內(nèi)試拌和室外澆筑、混凝土成型等各階段的工作性能和含氣量進行檢測，獲取混凝土生產(chǎn)和拌合、載運時混凝土拌合物工作性能和含氣量的變化規(guī)律。

以汕頭某大橋海工高性能混凝土為例，采用聚羧酸系高性能外加劑、雙外摻膠凝材料，通過對比不同摻量的膠凝材料和不同比例的砂率以及漿集比，確定基準配合比［2］，然后調(diào)整各種原材料摻量，取得較適宜的材料組合和拌合物優(yōu)異的工作性能，對應(yīng)不同的配合比拌合物在生產(chǎn)、載運、入倉振搗后各階段進行含氣量檢測，掌握其變化規(guī)律，經(jīng)過試驗得出海工混凝土拌合物出機時最佳的含氣量分布范圍。最后分別對混凝土抗?jié)B性能試驗、不同含氣量混凝土試件的立方體抗壓強度試驗檢測，驗證最佳含氣量混凝土拌合物硬化后力學性能的可靠性。提出海工混凝土外摻料合摻配比例和漿集比（拌合物中小于0.315 mm顆粒物總量/所有大于0.315 mm 顆粒物總量，以下簡稱“漿集比”）數(shù)據(jù)，推薦拌合物適宜的壓力泌水值和工作性能的特征值。通過上述試驗檢測的手段，尋找出海工混凝土生產(chǎn)、運輸和入倉時含氣量控制和檢測的關(guān)鍵點，為施工現(xiàn)場技術(shù)人員提供可借鑒的經(jīng)驗。

1 海工高性能混凝土配合比試配與施工檢測

1.1 高性能海工混凝土的原材料選擇

為了實現(xiàn)混凝土拌合物的高工作性能，減小混凝土內(nèi)部微觀裂縫，降低水化熱效應(yīng)，采用優(yōu)質(zhì)的粉煤灰替代部分硅酸鹽膠凝材料。同時為了改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高混凝土自身抗?jié)B透能力，減小硅酸鹽水泥在水化過程中帶來的不良反應(yīng)，應(yīng)對高溫季節(jié)拌合物運輸中的坍落度損失，也試著在拌合物膠凝材料中添加一定比例的S95 級礦渣粉替代水泥［3］。細集料使用細度模數(shù)為2.90的東江砂，其中粒徑小于0.315 mm的顆粒物含量分析篩余量為11%，粒徑小于0.075 mm顆粒物含量為0.2%。粗集料使用針片狀含量小于5%，壓碎值指標小于10%，反擊破生產(chǎn)的5～20 mm 連續(xù)級配碎石。采用聚羧酸基型高性能復(fù)合型引氣外加劑，在高性能效能中擴大外加劑引氣功能。

1.2 海工高性能混凝土不同外摻料的試配確定基準配合比

⑴水泥混凝土原材料檢驗符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范：JTG/T F50-2011》后，進行以水泥為基準膠凝材料配合比，按比例摻入粉煤灰和礦渣粉進行試拌。選取最優(yōu)的膠凝材料摻配比例和砂率、漿集比，同時檢測拌合物的各項物理指標。以C30 泵送海工高性能混凝土配合比試拌情況為例，統(tǒng)計相關(guān)試拌檢測情況如表1所示。

表1中選取工地試驗室較有代表性的試拌配合比進行統(tǒng)計分析，由于含氣量大于7%時，混凝土抗壓強度將呈直線下降［4］，所以將拌合物含氣量大于7%的配合比數(shù)據(jù)舍棄。分析上述數(shù)據(jù)結(jié)合試驗7、8、9、10數(shù)據(jù)可以看出：當單位水泥用量一定時，粉煤灰摻量大時相對拌合物含氣量較大，拌合物坍落度經(jīng)時損失較?。坏V渣粉能與拌合用水舒緩的發(fā)生水化反應(yīng)，大量地替代了硅酸鹽水泥，以至于摻量較大時緩解了拌合物坍落度經(jīng)時損失，且對拌合物出機時的含氣量影響較小。所以關(guān)注拌合物泌水、離析和經(jīng)時坍落度損失的現(xiàn)象，選擇合理的外摻膠凝料摻用量比例，亦為關(guān)鍵。

表1 不同比例拌合物的各項物理指標檢測情況統(tǒng)計Tab.1 Statistical of the Detection of Various Physical Indicators of Mixtures with Different Proportions

⑵選擇合理的外摻料摻量對引氣量、漿集比和壓力泌水值和易性地影響，取得合理含氣量和漿集比參數(shù)，并對擬用的配合比進行各項物理力學指標測試。分析表1中的各型配合比，在相對穩(wěn)定的水膠比時，細顆粒物總量越多，粗骨料黏聚性增強，由于在膠凝材料中摻入了比表面積較大的礦渣粉和粉煤灰，質(zhì)地好的粉煤灰和礦渣粉需水量比都比較小，由于礦渣粉顆粒物具有吸水特征［5］，使膠凝材料漿液具有較大的黏聚性，為保證拌合物具有較好地流動性，需要適宜的泌水值。如是，利用水泥混凝土拌合物泌水的特性彌補海工高性能混凝土拌合物過大的黏聚性特點，導(dǎo)致的海工高性能混凝土拌合物流動性不足、入模時難以穿過鋼筋密集區(qū)域的弱點，并且利用拌合物合理的泌水率可以對抗泵送和運輸過程中的塌落度損失。依照美國商品混凝土協(xié)會（ACI）推薦的細集料級配曲線建議在（拌合物中小于0.300 mm 顆粒物）5%～30%占比的理論［6］，比照我國現(xiàn)行的建筑用砂石料篩孔孔徑，按小于0.135 mm 粒徑顆粒物含量占比不低于20%考慮［7］。經(jīng)過試配表1 中的各型配合比，得出可以通過調(diào)整拌合物中小于0.315 mm 粒徑顆粒物含量與大于0.315 mm 粒徑顆粒物集料質(zhì)量比例關(guān)系，可以掌握泌水值和拌合物的黏聚性。因為礦渣粉可以替代水泥的比例較高，可以消耗水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2［8］，減少海水或海工環(huán)境介質(zhì)中的硫酸鹽對混凝土的侵蝕，所以當基準理論配合比確定后，因其敏感的泌水、粘聚性等工作性能進行調(diào)整，由此試配以調(diào)整礦渣粉用量為主要工作方向，以求取拌合物最適宜的工作性能。由表1 中試驗編號7、8、9、10 配合比以及出機時檢測的幾項指標可以看出，當外加劑、水泥和粉煤灰等材料單位用量相對穩(wěn)定時，通過調(diào)整礦渣粉和細集料摻量可以改善拌合物泌水現(xiàn)象，適當提高了拌合物的含氣量，混凝土拌合物的工作性能得到進一步提高，拌合物出機狀態(tài)如圖1所示。

由圖1可以看出，圖1a 試驗7 由細集料細度模數(shù)偏大，引起的粗集料“窩”現(xiàn)象，拌合物坍落體邊緣析水，不利于現(xiàn)場泵送施工；在圖1d 試驗8 時，減小砂率和礦渣粉摻量，增加粉煤灰用量，同時增加外加劑用量，泌水現(xiàn)象有所改善，但粗集料未完全被砂漿包裹，局部棱角凸起；圖1c 試驗9 中的狀態(tài)，適當增加礦渣粉用量，利用礦渣粉的吸水功能，減小了拌合物中自由水的析出，但拌合物變得過于黏稠，流動性變差；比對試驗6 配合比數(shù)據(jù)，采取增加粗集料用量，減小砂率，同時為保證大體積混凝土耐久性，減少水泥用量，同時為保證強度富余值繼續(xù)提高礦渣粉摻量，出機時如圖1b 試驗10，出機拌合物進行各項工作性能檢測，室內(nèi)檢測各項數(shù)據(jù)均能滿足現(xiàn)場施工需要。選擇試驗8和試驗10生產(chǎn)的拌合物試樣成型，檢驗相關(guān)力學性能均滿足設(shè)計和規(guī)范要求如表2所示。

圖1 拌合物出機狀態(tài)Fig.1 State of Mixture out of Machine

表2 適宜配合比試件力學性能指標統(tǒng)計Tab.2 Statistical of Mechanical Property Indexes of Suitable Mix Prportion Test Piece

⑶對混凝土拌合物漿集比、含氣量和壓力泌水值進行統(tǒng)計分析。室內(nèi)分析試驗6、7、8、9、10 五組較適宜的配合比數(shù)據(jù)，統(tǒng)計配合比中漿集比、含氣量和泌水值變化規(guī)律，以漿集比為參照，在外加劑摻量相對固定的情況下，尋找拌合物含氣量和泌水值的發(fā)展方向。按照行業(yè)檢測技術(shù)規(guī)范，對圖表中的數(shù)據(jù)進行了修約處理，得出數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3 和圖1 中漿集比的細微調(diào)整，對拌合物工作性能影響較直觀，當外加劑摻量一定的情況下，通過調(diào)整膠凝材料漿液和小于0.315 mm 顆粒物用量可以達到完善工作性能的作用。要保持拌合物較好的含氣量，需要適當?shù)脑龃蟀韬衔锪鲃佣?。減少參與水化反應(yīng)物質(zhì)（水泥）的用量，降低坍落度經(jīng)時損失效果明顯。適度調(diào)整礦渣粉摻量，可以將壓力泌水值控制理想范圍。圖1d 試驗8 混凝土拌合物坍體周邊有細微的自由水析出，壓力泌水值偏大，粗集料部分棱角凸起。通過降低水泥用量減小砂率，添加礦渣粉用量后，達到圖1b試驗10較為理想的拌合物狀態(tài)。

1.3 分析海工高性能混凝土拌合物載運、入倉過程中含氣量的變化

海工混凝土拌合物出機含氣量到最后入模時的含氣量一直在變化中，通過不斷探索施工環(huán)境對含氣量地影響，尋找含氣量變化的規(guī)律。根據(jù)公路野外施工作業(yè)的習慣，混凝土拌合物拌合站出機一般運輸時間不會超過30 min、混凝土輸送泵平行地面運輸一泵距離一般不會超過350 m、工人在單點振搗時間最大為40 s、振搗棒分布間距一般不會大于40 cm 這一特點，分別在拌合物在出機、運輸過程卸料至輸送泵時、輸送泵澆筑入倉時、入倉后工人振搗成型后進行取樣，分別檢測各階段拌合物的含氣量如表4 所示。按照表1中的試驗編號進行細分，如：試驗編號6細分為6-1、6-2，具體如表4所示。

從表4 中也可以看出，當漿集比越適宜，拌合物含氣量受外界的影響程度越小，氣溫越低影響程度越小，坍落度的變化也遵循這個規(guī)律；氣溫對拌合物性能影響較大，氣溫越高，拌合物性能由良變差的速率越快。水泥混凝土拌合物攪拌車的運輸過程中，含氣量會不斷增加。含氣量的變化與運距或運輸時間基本呈正線性關(guān)系。泵送使得混凝土含氣量降低，平均降低10%，最大降低為15%。按照《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范：GB 50666-2011》指導(dǎo)現(xiàn)場工人的振搗操作，工人的操作習慣對含氣量的影響顯著，總體為振搗時間越長，拌合物含氣量損失越大［9］。最后在構(gòu)件上鉆取28 d 齡期混凝土芯樣，檢測芯樣體積、質(zhì)量之間的關(guān)系，換算出成型后海工混凝土的入倉后的實際硬化后含氣量差異較小，如表5所示。

1.4 小結(jié)

通過表3、表4、圖1b、圖1d可以看出，當漿集比在20%～21%、壓力泌水值在60～100 mL 時拌合物工作性能良好。檢測混凝土拌合物載運和入倉等施工環(huán)節(jié)的含氣量檢，得出含氣量的衰減不會超過出機時的含氣量約40%。拌合物漿集比越合理，良好的工作性能持續(xù)時間越久，拌合物在載運過程中含氣量損失越小。通過試驗檢測，當確定外加劑摻量后，在配合比構(gòu)成材料中調(diào)整小于0.315 顆粒物的含量，可以找出拌合物較好工作性能構(gòu)成比例，當混凝土拌合物工作良好時，從拌合站出機到最后入倉各環(huán)節(jié)收集含含氣量的衰減一般不會低于出機時含氣量40%。然后在構(gòu)件上鉆取芯樣，反算理論含氣量與實際含氣量的偏差值。

表3 混凝土拌合物漿集比與工作性能變化（室內(nèi)）的規(guī)律Tab.3 The Law of the Indoor of The Aggregate Ratio and Working Performance of Concrete Mixture

表4 混凝土施工現(xiàn)場各環(huán)節(jié)拌合物含氣量檢測統(tǒng)計Tab.4 Test Stattistics of Air Content of Mixture in Each Link of Concrete Construction Site

表5 混凝土硬化后實際密度統(tǒng)計Tab.5 Statistics of Actual Density of Concreete after Hardening

推薦海工配合比的幾點參數(shù)意見為：當粗集料粒徑不大于20 mm，拌合物漿集比應(yīng)不小于20% ，采用混凝土攪拌車和輸送泵運送拌合物，拌合物壓力泌水值在75～85 mL、含氣量為5.8%～6.1%之間時，混凝土拌合物工作性能易于調(diào)整，且達到規(guī)范要求不低于4%含氣量的標準易于掌握。

2 結(jié)論

綜上所述，該大橋海工混凝土配合比首先通過試配得到基準配合比參數(shù)，再通過調(diào)整構(gòu)成材料中小于0.315 mm 顆粒物含量，使混凝土拌合物達到良好的工作性能和含氣量，實際施工中檢測各個施工階段的含氣量，掌握拌合物含氣量變化規(guī)律，并在后期鉆取芯樣檢測混凝土入倉凝固后含氣量依然滿足規(guī)范要求。在施工時分析所有檢測數(shù)據(jù)得出：該配合比生產(chǎn)的混凝土拌合物出機含氣量到入倉后產(chǎn)生衰減值約為40%，最佳含氣量分布范圍為5.8%～6.1%，漿集比不宜低于20%為宜。在此，總結(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)和檢測技法，供業(yè)界參考。