干硬性混凝土配合比及力學(xué)性能研究

徐少成 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

干硬性混凝土是指水灰比較小，維勃稠度較大的混凝土。與普通混凝土相比，干硬性混凝土具有流動性小、水化熱低、硬化速度快、早期強度高、降低工程造價和縮短工期等特點[1]。干硬性混凝土坍落度不大于10mm，維勃稠度在10s～30s范圍內(nèi)。干硬性混凝土適合混凝土道路工程，也常用在預(yù)制混凝土制品及構(gòu)件、混凝土空心砌塊、路面板、路面磚等工程。其具有工廠生產(chǎn)線批量生產(chǎn)，立即脫模養(yǎng)護(hù)硬化的特性。工程實踐證明，干硬性混凝土憑借其優(yōu)勢越來越得到廣泛的應(yīng)用。

干硬性混凝土的工作性、力學(xué)性能與試驗過程中的砂率、水灰比、成型壓力以及養(yǎng)護(hù)條件均存在較強的相關(guān)性。要確定干硬性混凝土的配合比，首先要確定水灰比，控制水灰比的大小是保證混凝土耐久性的重要手段[2]。骨料中摻加石粉能夠顯著降低混凝土的經(jīng)濟(jì)成本，但是石粉中還常摻雜少量泥粉，易對混凝土各項性能產(chǎn)生損害。文獻(xiàn)[3]探討了大理石粉、石粉及粉煤灰取代天然砂及水泥在混凝土中的應(yīng)用。粉煤灰和石材廢料作為建筑材料在混凝土中的應(yīng)用可以節(jié)約水泥進(jìn)而節(jié)省成本。文獻(xiàn)[4]研究干硬性混凝土制品的成型工藝參數(shù)，干硬性混凝土的強度受振動特性、振動壓力、振動時間影響顯著。因此，將干硬性混凝土作為研究對象，對干硬性混凝土的物理特征、強度特性進(jìn)行詳細(xì)的室內(nèi)試驗研究，具有重要的理論及實踐意義。

2 原材料及試驗

2.1 原材料

①水泥。本實驗所用水泥為巢湖海螺42.5級，其有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。有關(guān)的化學(xué)組成如表2所示。

②天然砂。由合肥某建材有限公司提供，主要性能指標(biāo)：最大粒徑為5mm，細(xì)度模數(shù)為1.69，屬于細(xì)砂，表觀密度為2632.5kg/m3，堆 積 密 度 為 1235.1kg/m3，含泥量為1.5%，級配符合要求。

③石粉原料。石粉采用石灰石質(zhì)石粉，主要成分為CaCO3，比表面積為1183m2/kg，石粉的表觀密度為2623.41kg/m3，堆 積 密 度 為 1411.6kg/m3。

④石子。石子由合肥某建材有限公司提供，其粒徑在2mm～15mm連續(xù)級配，石子的表觀密度為2481.5 kg/m3，堆積密度為1289.3 kg/m3。

⑤減水劑。本次所用的減水劑為聚羧酸高效減水劑，白色粉末狀固體，固含量≥95%，pH值為7.0，合肥市某建材有限公司生產(chǎn)。

硅酸鹽水泥的各項指標(biāo) 表1

普通硅酸鹽水泥的化學(xué)組成 表2

⑥拌合用水為實驗室自來水。

2.2 試驗方法

實驗擬配置抗壓強度為C25的干硬性混凝土，實驗室制備試件的過程如下：首先將粗細(xì)骨料和水泥在攪拌機中攪拌5min，加入合適量的水?dāng)嚢?min；然后在加入減水劑攪拌2min，將混合好的料放在實驗機上邊的模具上，用實驗機壓制振動成型。將壓制好的試塊在養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)到不同的齡期后，用取芯機在預(yù)制塊上取芯，試件的尺寸為：底面直徑為100mm，高為100mm的圓柱體。然后在1000kN電液式壓力試驗機上做抗壓實驗，加載時采用應(yīng)力控制，應(yīng)力控制取0.2MPa/s。每組做三個試樣，以三個試塊抗壓強度均值作為該組實驗結(jié)果，若其中最大或最小值與中值的差大于中值的15%，則取中間值作為混凝土抗壓強度值，若最大值、最小值兩者和中值差距大于中值的15%，則該值試驗無效，重新試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 砂率對干硬性混凝土強度的影響

由于干硬性混凝土預(yù)制塊對石子的最大粒徑有限制，以及為了降低混凝土的建設(shè)成本，本實驗采用了石粉作為部分骨料，所以實驗過程中砂率會較小。砂率是砂子占骨料總量的比率，砂率會引起骨料的總表面和孔隙率發(fā)生很大的變化，對干硬性混凝土抗壓強度有很大的影響。砂率對干硬性混凝土抗壓強度的影響如圖1所示，從圖1中能夠看出砂率為25%時，干硬性混凝土的抗壓性能最高，分別比砂率為22%和34%高出8.5MPa、10.4MPa。當(dāng)砂率較低時，拌合物中顯得粗骨料過多而砂子過少，形成的砂漿量并不足以包裹石子表面，并不能填滿石子間空隙，拌合物缺漿，混凝土流動性下降，試件成型后的內(nèi)部空隙較多，不密實，故試件強度較低。砂率過大時，骨料的總表面積和孔隙率均增大，當(dāng)混凝土中水的含量保持一定時，拌合物就會顯得干稠，流動性降低，若要保持一定的維勃稠度，則需要增加用水量，就要多耗水泥。在水泥漿用量一定的條件下，骨料表面包裹的漿量變薄，粘結(jié)力降低，潤滑作用下降，不易形成理想的骨料之間的嵌鎖型結(jié)果，從而降低密實度，影響混凝土強度的發(fā)展[5]。

圖1 砂率對干硬性混凝土抗壓強度的影響

3.2 水灰比對干硬性混凝土強度的影響

干硬性混凝土用壓力實驗機進(jìn)行振動壓制成型，所以需要的水量往往不多。不同水灰比的干硬性混凝土試件的強度測試結(jié)果如圖2所示，從圖2中能夠看出干硬性混凝土的抗壓強度隨著水灰比的增加隨之下降，符合混凝土強度發(fā)展的一般規(guī)律。水灰比為0.28時比水灰比為0.34的試樣抗壓強度增大10.3MPa。在混凝土中加入多余的水分會導(dǎo)致水泥漿的濃度降低，固化粘結(jié)能力下降，自由水在混凝土試塊凝結(jié)硬化中蒸發(fā)形成毛細(xì)孔，混凝土硬化后的孔隙率大，密度小，導(dǎo)致抗壓強度下降。因此實驗過程中要控制混凝土的用水量。但是用水量不能過少，否則會影響干硬性混凝土的成型狀態(tài)，會導(dǎo)致形成裂紋。結(jié)合大量的實驗，本次干硬性混凝土的水灰比取0.3。

圖2 水灰比對干硬性凝土抗壓強度的影響

3.3 振動壓力對干硬性混凝土強度的影響

干硬性混凝土預(yù)制塊成型大多采用振動加壓方式。振動成型會使骨料顆粒間的自由水及毛細(xì)水被擠出，骨料顆粒間更加緊密排列，因此需要水量會顯著下降。振動壓力對干硬性混凝土抗壓強度的影響如圖3所示，從圖3中能夠看出混凝土的抗壓強度隨著成型壓力的增加而增大，當(dāng)成型壓力為12MPa時，比壓力為8MPa試樣抗壓強度能夠提高7.3MPa。強度提高的原因是振動壓力大時，試驗機振動過程中會直接引起混凝土拌合料內(nèi)部各種顆粒的重新排列，孔隙、缺陷被充實，顆粒堆積更加的密實。密實的混凝土?xí)乖嚇痈擅芏雀螅箟簭姸雀遊6]。實驗壓力機的振動壓力過小會導(dǎo)致混凝土拌

圖3 成型壓力對干硬性混凝土抗壓強度的影響

合料的胚體強度過小，無法成型。與傳統(tǒng)的塑性混凝土相比，干硬性混凝土水灰比小，流動性差，所以內(nèi)部骨料的分布對強度的影響比較顯著，所以成型方式和成型壓力對抗壓強度的影響比較顯著。

3.4 養(yǎng)護(hù)方式對干硬性混凝土強度的影響

干硬性混凝土強度的發(fā)展主要取決于水泥水化產(chǎn)生的CSH凝膠，因此保證水泥充分水化是提高抗壓強度的關(guān)鍵所在。水是參與水泥水化反應(yīng)的物質(zhì)，是水泥水化、硬化的必要條件，用水泥拌制的干硬性混凝土，在澆筑后應(yīng)保持潮濕狀態(tài)，以利于獲得滿意的抗壓強度。本次實驗探究了三種養(yǎng)護(hù)方式對抗壓強度的影響。濕養(yǎng)是混凝土達(dá)到1d齡期后，將其放到水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式是試樣1d齡期后，放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)室內(nèi)保持濕度95%左右，溫度20℃左右。室內(nèi)養(yǎng)護(hù)方式是1d齡期后的試樣，直接放到干燥的室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。三種養(yǎng)護(hù)方式對干硬性混凝土強度的影響如圖4所示。從圖4中能夠看出標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣的抗壓強度，明顯高于濕養(yǎng)和室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，比濕養(yǎng)高出1.5MPa，比室內(nèi)養(yǎng)護(hù)高出4.1MPa。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，水化產(chǎn)物均勻地分布于混凝土中，能降低混凝土的孔隙率，增強混凝土的強度。當(dāng)混凝土的養(yǎng)護(hù)濕度為95%時，降低了內(nèi)外溫度差，水分蒸發(fā)速率下降，加強了水泥水化，增加了混凝土的強度[7]。

圖4 養(yǎng)護(hù)方式對干硬性混凝土抗壓強度的影響

4 結(jié)論

①砂率的變化能夠影響干硬性混凝土的抗壓強度，從實驗中能夠看出強度隨著砂率的增加先升高后下降。在砂率為25%時，混凝土內(nèi)部的密實性最好，強度最高。

②水灰比的變化對混凝土性能影響很大，混凝土的抗壓強度隨著水灰比的增加而顯著下降，但是拌合水量不能過于少，水量少不利于預(yù)制塊的成型及養(yǎng)護(hù)，本文干硬性混凝土實驗水灰比取為0.3。

③實驗振動壓力以及養(yǎng)護(hù)條件對干硬性混凝土的抗壓強度有影響?；炷量箟簭姸入S著成型振動壓力的增加而增加，試驗機的振動壓力越大，混凝土內(nèi)部越密實，強度越高。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗壓強度比濕養(yǎng)和室內(nèi)養(yǎng)護(hù)強度提高更加明顯。

④本次實驗得出強度等級為C25的干硬性混凝土配合比為：1m3各材料用量為：水泥484kg，水145kg，砂446kg，石粉788kg，石子533kg，以質(zhì)量表示為水泥：砂：石粉：石子=1:0.92:1.63:1.10，W/B=0.3，減水劑用量為0.8%。測得維勃稠度為12s，28d抗壓強度為31.4MPa，各項性能指標(biāo)和壓制出的預(yù)制塊外觀比較滿意。