配比參數(shù)對SCC工作性能影響的試驗研究

楊 巧，李晟文，王 輝

(1.江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院 江蘇 揚州，225100；2.九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系 江蘇 徐州，221116)

0 引言

自密實混凝土之所以屬于高性能混凝土行列，是因為它具有較好的流動性且為現(xiàn)場施工帶來便利[1]。鑒于以上優(yōu)勢，其被許多的施工單位應(yīng)用到實際工程中。盡管它的應(yīng)用越來越廣，但是目前仍沒有統(tǒng)一的配合比計算方法，并且由于自身性能原因?qū)υ牧弦蠛芨?，且對不同地區(qū)的原材料有不同的敏感性和適應(yīng)性，故本文結(jié)合江蘇省的實際情況和環(huán)境進行深入地研究和分析，試配出符合江蘇地域材料性能的配合比。

1 試驗原材料

試驗采用揚州的亞東牌 P·O 42.5 級水泥，密度3 000 kg/m3，燒失量4.88%，初凝200 min，終凝255 min，3 d、28 d抗折強度分別為5.5 MPa、8.2 MPa，3 d、28 d抗壓強度分別為27.9 MPa、46.5 MPa.粗骨料采用粒徑5～16 mm連續(xù)級配的石子，表觀密度為2 720 kg/m3，壓碎值為9.99%.細骨料選用細度模數(shù)為2.584、Ⅱ級配區(qū)砂，表觀密度為2 330 kg/m3；粉煤灰采用鎮(zhèn)江的Ⅰ級灰，細度6.0%，需水量92%，燒失量1.03%，三氧化硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.61%，表觀密度2 520 kg/m3；S95級礦粉流動度比98%，含水量0.3%，燒失量0.66%，三氧化硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.656%，表觀密度2 860 kg/m3.

本試驗選用PCA-9聚羧酸高效減水劑，該減水劑為棕紅色液體。為了確定其減水率，特做了膠砂試驗，在PCA-9聚羧酸用量為1.0%時，減水率為19%.本試驗選用揚州自來水。

2 試驗方法和配合比選擇

2.1 混凝土性能試驗

自密實混凝土填充性與間隙通過性性能試驗方法按JGJ/T 283-2012規(guī)程進行。

2.2 試驗配合比及正交試驗

試驗的基本配合比選用固定砂石體積含量法進行設(shè)計，接著選取影響因素及每個因素的水平值，最后利用正交試驗進行優(yōu)化。

自密實混凝土配合比參數(shù)為：粗骨料的體積分?jǐn)?shù)0.3；砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù)0.44.粉煤灰18%，礦粉18%，水泥64%；水膠比取0.44，由于減水劑對混凝土減水效果較水泥有所降低，按照前面試驗經(jīng)驗取減水率為15%，經(jīng)計算配合比如表1.

表1 C30混凝土配合比Table 1 C30 concrete mix proportion 單位：kg·m-3

2.2.1試驗因素

首先在基本配合比基礎(chǔ)上進行了減水劑的四組平行試驗。減水劑確定后，選取砂率及水膠比進行九組水平試驗，試驗結(jié)果見表2，擴展度隨3個因素變化趨勢見圖1.

表2 3因素平行試驗結(jié)果Table 2 Results of 3-factor parallel test

圖1 擴展度隨減水劑、砂率、水膠比摻入量的變化Fig.1 Extent changes with water reducing agent, sand ratio and water-binder ratio

1)減水劑。減水劑對于自密實混凝土性能的重要性是不言而喻的，通過摻入1.2%，1.0%，0.9%，0.8%減水劑的四組試驗發(fā)現(xiàn)：摻入量為1.2%時，其泌水嚴(yán)重；摻入量為0.8%時，有點粘稠，擴展度較小；摻入量為1.0%時，對應(yīng)的擴展度最大并且T500(坍落擴展度達到500 mm時所需要的時間)為1.44 s，性能均勻不泌水。最終確定摻量為1.0%.見表2。

2)砂率。文獻[2]指出：砂率選取43%～55%時，對應(yīng)的自密實混凝土性能較優(yōu)；假如砂率過大，無法保證流動性，穩(wěn)定性就較差。通過平行試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，表2中砂率為50.8%時，坍落擴展度值減小，T500為3.24 s，并且中間骨料堆積嚴(yán)重，誤差棒最大(見圖1)。因此以下正交試驗中取44.8%、46.8%和48.8%三個水平。

3)水膠比。通過水膠比4組平行試驗發(fā)現(xiàn)：水膠比在0.4～0.44時，SCC均勻、不泌水且T500都在2 s之內(nèi)；但是水膠比取0.40時，垂直兩個方向塌落擴展度相差比較大，從圖1誤差棒范圍可以看出。最終選取水膠比0.44.

4)粉煤灰摻量：試驗過程中發(fā)現(xiàn)，粉煤灰可以減少塌落度損失，但是大摻量會降低其早期強度[2]。高用量粉煤灰的應(yīng)用在國外已經(jīng)相當(dāng)普遍，但很多國家都將結(jié)構(gòu)用量限定在30%以內(nèi)[3]。最終，本次試驗選取 13%、18%和 23%三個水平。

5)礦粉摻量。文獻[4]指出拌合物中加入礦粉后不僅能夠彌補強度缺陷，并且會有許多優(yōu)勢。由此，礦粉選取 13%、18%和 23%三個水平。試驗因素及水平見表3.

表3 因素水平表Table 3 Factor level table

2.2.2考核指標(biāo)

拌合物的填充性性能采用坍落擴展度、T500和中邊差指標(biāo)來測試，間隙通過性性能采用PA值及中邊差指標(biāo)衡量。坍落擴展度(SF1、SF2)、T500(VS1、VS2)、坍落擴展度與J環(huán)擴展度差值(PA1、PA2)技術(shù)指標(biāo)按照J(rèn)GJ/T 283-2012規(guī)程附錄A執(zhí)行。中邊差主要反應(yīng)粗骨料在細骨料中的綜合性能，其值小則說明兩者能夠均勻的拌合在一起，2 cm以內(nèi)是最好的[5-6]。

2.3 正交表

L9(34)如表4所示，九組拌合物性能皆為均勻，不泌水。A2、A8、A9的試驗過程見圖2.表5為極差分析的結(jié)果。影響趨勢見圖3.

表4 試驗方案及結(jié)果Table 4 Test scheme and results

圖2 A2、A8、A9的坍落擴展度與J環(huán)擴展度Fig.2 Collapse extent and J-Ring extent of A2, A8 and A9

表5 正交試驗結(jié)果極差分析Table 5 Orthogonal test range analysis

(a)坍落擴展度

(b)T500

(c)坍-中邊差

(d)PA

(e)J-中邊差

2.4 試驗結(jié)果分析

2.4.1 各因素對坍落擴展度的影響

坍落擴展度反應(yīng)了拌合物的流動性和填充性，數(shù)值越大代表其性能越好。由表5顯示，各要素對其影響顯著性排序由大到小依次為：粉煤灰摻量，砂率，礦粉摻量。由圖3(a)可見，坍落擴展度隨著砂率的增大而減小，這種現(xiàn)象是因為其值變大會導(dǎo)致骨料表面積的增大，而這時在骨料周圍起潤滑作用的漿體層變薄，因此流動性就降低[7]。而隨著其他兩個因素的增加而變大，但是當(dāng)達到一定數(shù)值時，這種影響效應(yīng)就會減緩。效應(yīng)減緩是由于粉煤灰的體積要比水泥大30%，當(dāng)其用量比例過大，漿體體積就會大幅度增加，這就使?jié){體與固體顆粒更好地融合在了一起，從而使拌合物的粘聚性變得更好，因此抵消了其潤滑作用，使流動性減少[8]。

2.4.2 各因素對T500流動時間的影響

T500同樣反應(yīng)了其流動性和填充性，性能好對應(yīng)的值就小。由表5可知，各成分對T500的影響排序由大到小依次為：粉煤灰摻量，礦粉摻量，砂率。從圖3(b)可知，T500隨著粉煤灰摻量、礦粉摻量、砂率值增大先減少后變大。當(dāng)砂率、粉煤灰、礦粉增加到一定程度，會容易造成離析，因而其值在合適范圍內(nèi)，才能發(fā)揮最佳優(yōu)勢。由表4可知本次九組試驗，T500均小于2 s，達到VS2級要求。

2.4.3 各因素對中邊差的影響

中邊差主要反應(yīng)了粗細骨料的均勻混合能力，其值越小兩者混合越均勻。由表5可以看出，在有阻力或無阻力的情況下，各因素對坍-中邊差、J-中邊差影響排序由大到小均為：粉煤灰摻量，砂率，礦粉摻量。從圖3(c)、圖3(e)可見，隨著粉煤灰用量比例的增加，中邊差顯著減少，可見粉煤灰的潤滑作用，可以將石子均勻帶著流動，使抗分離能力提高。對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有阻力出現(xiàn)時，這種效應(yīng)能力減弱。

2.4.4 各因素對PA的影響

PA反應(yīng)了間隙通過性，對應(yīng)的數(shù)值越大表示其性能越差。由表5得知各成分對間隙通過性的影響排序由大到小依次為：砂率，粉煤灰摻量，礦粉摻量。從圖3(d)中可以發(fā)現(xiàn)，砂率增加對間隙通過性是一個先減弱后增強的過程，這是由于砂率越大，粗骨料所占比重越少，J環(huán)對其阻礙效果越不明顯。而隨著粉煤灰用量比例的增大，其間隙通過能力越強，這是由于它的微粒呈球狀光滑而致密，因此它的摻入可減少內(nèi)摩阻力。

綜上所述，得到四組可能的最優(yōu)配合比，A1B2C2，A2B2C2，A3B3C1，A3B3C2，按照綜合平衡比較，砂率對PA是最主要的影響因素，其選擇A3，砂率對擴展度也是重要影響因素，而擴展度選擇A1，故因素水平砂率A1與A3通過試驗確定，粉煤灰摻量B是最敏感因素，因此因素水平粉煤灰摻量B2與B3亦通過試驗確定，由于礦粉C是最不敏感因素，并且四組中有3組C2，因此礦粉選擇C2.最終得到A1B2C2、A3B2C2、A1B3C2、A3B3C2四組最優(yōu)配合比。其中A1B2C2、A3B3C2對應(yīng)正交試驗第2組與第9組試驗，只需驗證A3B2C2、A1B3C2兩組試驗。最后結(jié)果顯示，A3B2C2達到最優(yōu)，對應(yīng)指標(biāo)見表6.

表6 新拌混凝土性能測試結(jié)果Table 6 Performance test results of fresh concrete

3 結(jié)論

通過對試驗結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：

1)減水劑是影響拌合物擴展度最敏感因素，通過平行試驗可以首先確定其最佳摻入比例，接著選取合理的砂率范圍，這樣會減少正交表因素，在小范圍內(nèi)選取最優(yōu)。

2)粉煤灰用量比例是影響拌合物坍落擴展度、T500、中邊差的最重要因素，而砂率是影響PA的最主要因素，礦粉對其拌合物的性能影響最不敏感。

3)隨著粉煤灰用量比例增加，拌合物流動性呈現(xiàn)先增加后減弱的趨勢，但是間隙通過性逐漸增強。當(dāng)每立方米膠凝總量為407 kg時，隨著砂率增大，其流動與填充性變差，而砂率取值48.8%時，間隙通過性達到最好，最后驗證，粉煤灰及礦粉摻量均為18%，砂率為48.8%時，其綜合基本工作性能最優(yōu)。

4)試驗過程中發(fā)現(xiàn)自密實混凝土基本性能對水泥的物理化學(xué)特性及存儲時間特別敏感，今后仍需深入探討。