水膜厚度對(duì)摻滑石粉自密實(shí)混凝土流動(dòng)性能的影響研究

黃銳新，陳嘉健，劉熾豪

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，廣東 佛山 528000）

自密實(shí)混凝土由于其較強(qiáng)的流動(dòng)性而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)階段諸多結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、作業(yè)空間小、配筋密集的構(gòu)件上. 現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)自密實(shí)混凝土流動(dòng)性能的影響機(jī)理及規(guī)律尚未能定量化，因此亟待找出一種合適的理論解釋方法，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)減少水泥用量、保護(hù)環(huán)境的目的，工程上需要尋求合適的微細(xì)礦物摻合料來(lái)替代或部分替代水泥. 滑石粉具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，如潤(rùn)滑性、耐火性、抗酸性、熔點(diǎn)高、吸附力強(qiáng)等[1]，因此研究摻入滑石粉對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響具有極強(qiáng)的可行性和一定的探索意義. 文獻(xiàn)[2-3]認(rèn)為，水膜厚度是影響砂漿及水泥漿流動(dòng)性能的關(guān)鍵影響因素之一，他們通過(guò)研究用水量、堆積密度和固相顆粒表面積對(duì)凈漿、砂漿和混凝土流變性能的影響從而找出彼此之間的關(guān)系. 自密實(shí)混凝土粗骨料間的級(jí)配連續(xù)且粒徑小，水膜厚度的變化對(duì)于自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性能存在較大影響，因此基于水膜厚度理論研究自密實(shí)混凝土的流變性能具有一定的可行性. 本研究通過(guò)24組流變性能及固相材料填充密度的測(cè)量試驗(yàn)，得到合適的滑石粉置換水泥摻量比例，基于水膜厚度理論揭示自密實(shí)混凝土流變性能的影響機(jī)理.

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：海螺牌P·042.5R水泥，密度3 143kg/m3，比表面積365 m2/kg，質(zhì)量符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）的要求；滑石粉：上海緣江化工有限公司生產(chǎn)，2 000目，測(cè)量密度2 750 kg/m3；石子：粒徑5～10 mm與粒徑10～20 mm按1: 1混合；砂：佛山當(dāng)?shù)睾由?，?xì)度模數(shù)為2.6，屬中砂；減水劑：廣東瑞安LS-JS聚羧酸高效減水劑，符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(附條文說(shuō)明)》（GB 50119—2013）；水：自來(lái)水.

1.2 試驗(yàn)方案

本研究以不同的水灰比體積比、不同的水泥漿體積比及滑石粉摻量進(jìn)行測(cè)量，共配制24組試驗(yàn). 其中，水灰比體積比（水灰比質(zhì)量比換算為對(duì)應(yīng)的體積比）為1.05和1.20兩個(gè)等級(jí)，水泥漿體積比（水泥、水、減水劑體積之和占混凝土體積比例）為0.34、0.38、0.42三個(gè)等級(jí)；滑石粉置換水泥體積比為0、5%、10%和20%；砂率選用0.5. 試塊分別以“S-水灰比體積比-水泥漿體積比-滑石粉置換水泥體積比”為編號(hào)，各項(xiàng)試驗(yàn)的詳配數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 試驗(yàn)配合比

2 流動(dòng)性測(cè)量

2.1 測(cè)量方法

本試驗(yàn)采用坍落擴(kuò)展度及 V型流動(dòng)儀從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面反映試樣的流動(dòng)性能[4-5]. 用鋼尺測(cè)量混凝土擴(kuò)展后最大直徑d1和最小直徑d2的平均值作為混凝土的擴(kuò)展度；將攪拌好的混凝土用容器盛裝倒入 V型漏斗，靜置1 min，記錄混凝土全部流出所用的時(shí)間，精確至0.1 s，流出時(shí)間即可反映其流動(dòng)性能. 兩個(gè)試驗(yàn)均在攪拌完成后5 min內(nèi)完成，且試驗(yàn)溫度控制在（ 20±2）°C[6]. 試驗(yàn)結(jié)果列于表1.

2.2 測(cè)量結(jié)果

擴(kuò)展度與V型流動(dòng)儀的結(jié)果分別如圖1和圖2所示：1）坍落擴(kuò)展度隨著滑石粉置換水泥摻量的增加出現(xiàn)先增加后降低的情況；2）V型儀流出時(shí)間隨滑石粉置換水泥比摻量的增加出現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)，在摻入5%滑石粉的時(shí)候，多數(shù)組別的自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性能達(dá)到最優(yōu)，坍落擴(kuò)展度達(dá)到最大的同時(shí) V型儀流出時(shí)間最小. 即，摻入滑石粉可以增大自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度、減少 V型儀的流出時(shí)間，提高混凝土的流動(dòng)性能，且擴(kuò)展度及流動(dòng)性均滿足規(guī)范要求[7]，達(dá)到了一級(jí)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性要求.

3 填充密度測(cè)量及水膜厚度計(jì)算

3.1 測(cè)試方法

膠凝材料填充密度的測(cè)量常采用水測(cè)緊密值法[8]，根據(jù)試驗(yàn)的固相材料配合比配制試驗(yàn)組，逐漸加入水后看固相材料可以達(dá)到的最大填充率，此即為最大填充密度，在此狀態(tài)下，膠凝材料顆粒外層恰好被充分包裹，顆粒之間無(wú)空隙，處于最緊密狀態(tài)[9]. 理論上的填充密度會(huì)隨著加水量的增加而增加，到達(dá)一個(gè)峰值后降低，原因是過(guò)高的水灰比導(dǎo)致游離水過(guò)多，顆粒懸浮在漿體中，使得顆粒之間密實(shí)度降低. 本文方法考慮到空氣、加水量及減水劑的影響，模擬出固相材料在混凝土中的懸浮狀態(tài)，比以往的干測(cè)量法考慮了更多的影響因素，也更加符合混凝土的實(shí)際情況，結(jié)果更為準(zhǔn)確. 在得出填充密度后，可以參考文獻(xiàn)[10-11]方法計(jì)算出水膜厚度.

圖1 坍落擴(kuò)展度隨滑石粉置換水泥摻量的變化

圖2 V型儀流出時(shí)間隨滑石粉置換水泥摻量的變化

3.2 結(jié)果分析

各組的水膜厚度隨水泥漿體積比的變化情況如圖3所示：隨著水泥漿體積比的增大，水膜厚度也在逐漸增大. 這是因?yàn)樵囼?yàn)配合比中液態(tài)水的增加，使得在滿足固相材料之間的空隙填充后剩余的水體積過(guò)大，從而導(dǎo)致水膜厚度也一直增大. 但是，過(guò)大的水泥漿體積比極易出現(xiàn)離析、泌水等現(xiàn)象，使得混凝土部分測(cè)試工作性能無(wú)法滿足規(guī)范的要求.

圖3 水膜厚度隨水泥漿體積比的變化情況

4 水膜厚度對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響研究

水膜厚度與自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度的關(guān)系如圖4所示，二者的相關(guān)系數(shù)平方2R已經(jīng)達(dá)到0.806，表明水膜厚度與坍落擴(kuò)展度之間存在極大的相關(guān)性，也可以認(rèn)為自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度很大程度上是由水膜厚度決定的. 隨著水膜厚度的增加，坍落擴(kuò)展度增加得比較快；后續(xù)當(dāng)水膜厚度繼續(xù)增加時(shí)，坍落擴(kuò)展度的大小會(huì)趨于平緩；摻滑石粉自密實(shí)混凝土的擴(kuò)展度比零摻時(shí)的擴(kuò)展度要大.

水膜厚度與自密實(shí)混凝土V型流變儀流出時(shí)間的影響關(guān)系見(jiàn)圖5，水膜厚度與流出時(shí)間之間的相關(guān)系數(shù)平方2R已經(jīng)達(dá)到 0.862. 根據(jù)圖像結(jié)果可知，隨著水膜厚度的增加，V型儀流出時(shí)間會(huì)隨之下降、混凝土的流動(dòng)性能增強(qiáng)，表明自密實(shí)混凝土中摻入滑石粉，可以一定程度上提高自密實(shí)混凝土的水膜厚度，進(jìn)而促進(jìn)其流動(dòng).

圖4 坍落擴(kuò)展度隨水膜厚度的變化情況

圖5 V型儀流出時(shí)間隨水膜厚度的變化情況

5 結(jié)論

通過(guò)24個(gè)摻滑石粉自密實(shí)混凝土流動(dòng)性能及填充密度試驗(yàn)，分析水膜厚度與流動(dòng)性能之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：滑石粉的摻入可以提高混凝土的黏聚性，砂漿包裹骨料的能力增強(qiáng)，一定程度上可以起到避免泌水、泌漿的作用. 隨著滑石粉摻量的增加，其坍落擴(kuò)展度隨之增大、V型儀流出時(shí)間降低，表明摻滑石粉可以提高自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性能，當(dāng)水灰比體積比為 1.05、滑石粉摻量為5%時(shí)，自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性能改善最明顯，擴(kuò)展度最大增加幅度為8.9%，流出時(shí)間最大增加幅度為15.6%. 因此，水膜厚度可以作為考核自密實(shí)混凝土流動(dòng)性能強(qiáng)弱的指標(biāo)，在設(shè)計(jì)混凝土配合比的時(shí)候可加以考慮. 基于本研究可知，摻入定量滑石粉在實(shí)際中有一定的應(yīng)用前景，對(duì)于強(qiáng)度要求不高但鋼筋網(wǎng)絡(luò)密集的混凝土構(gòu)件，摻入滑石粉置換水泥可以一定程度上減少水泥使用帶來(lái)的環(huán)境污染，且摻入滑石粉可以在流動(dòng)性能達(dá)標(biāo)的情況下降低砂率，實(shí)現(xiàn)合理利用、保護(hù)河砂資源的目的.