基于緊密堆積理論研究細(xì)骨料對UHPC性能的影響

曹 鑫,張士萍,牛龍龍,楊 慧

(1. 安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601;2. 南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167;3. 江蘇雙龍集團(tuán)有限公司, 江蘇 南京 211106)

1 材料及其試驗(yàn)方法

1.1 材料

采用句容臺泥水泥有限公司生產(chǎn)的硅酸鹽水泥(PⅡ52.5R);山東博肯能源科技有限公司生產(chǎn)的硅灰;Ⅱ級粉煤灰;聚羧酸高效減水劑(減水率為30%);鋼纖維的長度為13 mm,等效直徑為0.21 mm;拌合水為自來水;天然河砂作為骨料填充,考慮砂子各個等級的粒徑,取砂子的粒徑在0.15～4.75 mm.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配合比

粉煤灰、硅灰的摻量各定為膠凝材料的10%,即水泥的用量為膠凝材料的80%,高效減水劑為膠凝材料的3%,其中砂膠比定為1,水膠比定為0.18,鋼纖維的含量為體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1.5%.

1.2.2 試件制備

參照《超高性能混凝土制備與工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DB13/T 2946—2019)進(jìn)行操作.根據(jù)設(shè)計(jì)的配合比,首先稱量各種材料,將水泥、硅灰、粉煤灰依次加入攪拌鍋,充分?jǐn)嚢杈鶆蚧旌虾蠹尤霚p水劑和水,當(dāng)出現(xiàn)漿體時,再徐徐加入按照分布模數(shù)配比好的天然砂,繼續(xù)攪拌,最后多次少量的加入鋼纖維,重復(fù)攪拌直至均勻?yàn)橹?每種配合比倒入事先準(zhǔn)備好并刷上少量油的三聯(lián)試模(寬40 mm×高40 mm×長160 mm),在裝入時需要適當(dāng)振搗.按照規(guī)范養(yǎng)護(hù)24 h后脫模,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至指定齡期(3、7、28 d).

1.2.3 試驗(yàn)的測試方法

根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671—1999)測量試件抗壓、抗折強(qiáng)度;根據(jù)《水泥膠砂流動性測定方法》(GB/T 2419—2005)測量試件坍落擴(kuò)展度.

1.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

取一組試件測出數(shù)據(jù)的平均值作為該組抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù).完成抗折強(qiáng)度測試后,得到6個試塊,取這6個數(shù)據(jù)的平均數(shù)作為抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù),如果其中有1個數(shù)據(jù)超出平均值的±10%,那么取剩下5個數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值,如果其中還有數(shù)據(jù)超出此次平均值的±10%,則該組數(shù)據(jù)無效,將需要重新測定.

1.2.5 砂子的顆粒級配

《標(biāo)準(zhǔn)建筑用砂》(GB /T 14684—2011)中規(guī)定了細(xì)度模數(shù)的計(jì)算公式為：

(1)

式中:Mx為細(xì)度模數(shù);A1、A2、A3、A4、A5、A6分別為4.75、2.36、1.18、0.60、0.30、0.15 mm 篩的累計(jì)篩余百分率.

砂按照細(xì)度模數(shù)分為3.7～3.1 mm的粗砂、3.0～2.3 mm的中砂、2.2～1.6 mm的細(xì)砂.為了了解Mx的本質(zhì),設(shè)m1、m2、m3、m4、m5、m6分別表示4.75、2.36、1.18、0.60、0.30、0.15 mm篩上的分級質(zhì)量,那么Mx的公式可以演繹為：

(2)

由于A1=0,Abrams D F提出砂的細(xì)度模數(shù)計(jì)算式變?yōu)閇3]:

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)骨料的級配

賀業(yè)邦[4]通過研究認(rèn)為分布模數(shù)n=0.4～0.7適用于粗顆粒比較多的級配情況,n≤0.4適用于細(xì)顆粒比較多的級配.本文主要研究砂子粒徑在0.15～4.75 mm、0.33≤n≤0.40條件下超高性能混凝土抗壓、抗折、流動性的變化.各個粒徑范圍在不同分布模數(shù)n下所占的百分含量見表1.

表1 不同分布模數(shù)下各粒徑范圍所占百分比 %

圖1為天然砂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)顆粒級配曲線,圖2為這3種分布模數(shù)下各天然砂粒徑范圍所占比例曲線.

由圖2可見,當(dāng)0.33≤n≤0.40時,這5種分布模數(shù)下天然砂的顆粒級配都屬于Ⅰ區(qū)顆粒級配.

(a) Ⅰ區(qū)

圖2 5種分布模數(shù)下砂顆粒級配曲線

2.2 分布模數(shù)對超高性能混凝土工作性能的影響

圖3為不同分布模數(shù)n下超高性能混凝土流動性的試驗(yàn)結(jié)果.由圖3可見,隨著分布模數(shù)的增加,流動性按照線性變化小幅度增加;從表1中各個粒徑所占的百分比不難看出,當(dāng)分布模數(shù)從0.33變化到0.40時,粒徑在0.15～0.30 mm、0.30～0.60 mm、0.60～1.18 mm的天然砂含量分別下降了1.37%、1.06%、0.44%;粒徑在1.18～2.36 mm和2.36～4.75 mm的天然砂含量分別增加了0.58%、2.56%.分布模數(shù)0.33、0.35、0.37、0.39、0.40相對應(yīng)的細(xì)度模數(shù)分別為3.45、3.48、3.50、3.53、3.54,同樣是增加的趨勢.

圖3 不同n下超高性能混凝土流動性變化曲線

隨著分布模數(shù)的增大,其對應(yīng)砂子粒徑中細(xì)砂的含量在減少,粗砂的含量在增大,細(xì)度模數(shù)也從3.45逐漸增加到3.54.圖3中所顯示的坍落擴(kuò)展度也在穩(wěn)步變大.試驗(yàn)表明,砂漿擴(kuò)展度隨著砂子細(xì)度模數(shù)增大成比例增加,兩者幾乎是線性關(guān)系.砂子細(xì)度模數(shù)每減小0.1,坍落擴(kuò)展度約降低10 mm.這是因?yàn)樯白幼兇?它的比表面積減小,包裹砂子的表面后,剩下的泥漿將會起到潤滑的作用,泥漿增加會致使流動性增加[5];另外,粗砂表面積小,會導(dǎo)致它的飽水性比較差,泌水率大,顯得粗糙,和易性差;細(xì)砂的飽水性好,幾乎不泌水,和易性也比較好[6].

2.3 分布模數(shù)對超高性能混凝土強(qiáng)度的影響

圖4為不同分布模數(shù)下超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度3、7、28 d的試驗(yàn)結(jié)果.

(a) 抗壓強(qiáng)度

由圖4可見：在不同齡期3、7、28 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均在分布模數(shù)n=0.37時效果最好,達(dá)到峰值,其余兩側(cè)的數(shù)值有所下降；齡期越長,抗壓和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢；在0.33≤n≤0.40、養(yǎng)護(hù)28 d時，最低抗壓強(qiáng)度和峰值之間的差值為17.2 MPa,對峰值157.5 MPa的影響為10.9%，同理可得7 d的影響為20.3%,3 d的影響為12.2%；抗折強(qiáng)度的變化大體與抗壓強(qiáng)度曲線吻合，在3 d和7 d的折線中,分布模數(shù)在0.37和0.39時變化較小,基本持平的趨勢.本試驗(yàn)研究結(jié)果與文獻(xiàn)[7]基本一致,緊密堆積理論中n=0.37時堆積更加密實(shí).

3 結(jié)論

1) 當(dāng)0.33≤n≤0.40時,天然砂顆粒級配曲線均屬于Ⅰ區(qū),相對應(yīng)的細(xì)度模數(shù)也在增加;

2) 混凝土的流動性隨著分布模數(shù)的增加幾乎呈線性相關(guān)的趨勢增大;

3) 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的峰值均出現(xiàn)在n為0.37的位置,本試驗(yàn)結(jié)果可為今后的研究提供理論參考.