粉煤灰改善自密實(shí)混凝土流動(dòng)性和抗離析性研究

林明新 任鳳鳴 彭健鋒 陳沛棋 王 慶 熊子豪

（1 大建建筑集團(tuán)有限公司；2 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

0 引言

自密實(shí)混凝土（Self-Compacting Concrete，簡(jiǎn)稱SCC）是一種具有高流態(tài)新拌性能的新型建筑材料，其特點(diǎn)是在沒(méi)有振搗的情況下可以包裹密集鋼筋，并在模板中填充成型[1]。自1986 年以來(lái)，自密實(shí)混凝土憑借其優(yōu)異的抗變形性能和抗離析性能而被廣泛應(yīng)用于不同建筑工程中[2]。自密實(shí)混凝土還可以消除振搗過(guò)程產(chǎn)生的噪音，摻加粉煤灰等工業(yè)廢料后能達(dá)到環(huán)境友好效果[3]。粉煤灰作為自密實(shí)混凝土不可或缺的組分之一[4]，由于火山灰作用，能促進(jìn)二次水化作用，從而改善水泥基材料的長(zhǎng)期耐久性能[5]。粉煤灰還可以在混凝土中起到填充作用以降低混凝土中的孔隙率[6]，提高混凝土抗?jié)B透能力，降低新拌混凝土發(fā)生泌水和離析現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)。為探究粉煤灰摻量對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響作用，本研究通過(guò)采用10%到40%粉煤灰等體積替代水泥，系統(tǒng)地測(cè)試粉煤灰摻量對(duì)自密實(shí)混凝土各項(xiàng)工作性能的影響。

1 原材料及配合比

水泥為42.5R 型普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3.10g/㎝3，比表面積為1295.9m2/㎏。粉煤灰為I 級(jí)粉煤灰，表觀密度2.42g/㎝3，比表面積為1534.0m2/㎏，主要晶相為石英（SiO2）和莫來(lái)石（Al6Si2O13）。水泥與粉煤灰的氧化物分析結(jié)果見(jiàn)表1，粒徑分布曲線見(jiàn)圖1。粗骨料為破碎花崗巖，最大粒徑為26.5mm，表觀密度為2.73g/cm3。砂為天然河砂，表觀密度為2.61g/cm3，細(xì)度模數(shù)2.2。外加劑采用減水率為28%的聚羧酸系高效減水劑。

圖1 水泥與粉煤灰的粒徑分布曲線

表1 原材料氧化物分析（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）

為研究不同粉煤灰摻量對(duì)SCC 工作性能的影響，將試驗(yàn)分為五組，粉煤灰體積替代率分別為0，10%，20%，30%和40%，參照J(rèn)GJ/T 283[7]進(jìn)行自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)，具體見(jiàn)表2。根據(jù)規(guī)范EN 12350[8]，開(kāi)展了坍落度/擴(kuò)展度試驗(yàn)、篩析法試驗(yàn)及V 型漏斗試驗(yàn)，來(lái)評(píng)價(jià)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性和抗離析性。

表2 試驗(yàn)所用配合比 （㎏/m3）

2 試驗(yàn)方法

2.1 坍落度/ 擴(kuò)展度試驗(yàn)

試驗(yàn)開(kāi)始前將底板放置在一個(gè)平坦的水平表面上，避免外部振動(dòng)或沖擊。使用水平儀檢查底板表面的水平性，清洗并潤(rùn)濕擴(kuò)展度板和坍落度桶，但不要沾染過(guò)多的水分。將坍落度桶放置于擴(kuò)展度板中央位置并保持位置，按住坍落度桶，在30 秒內(nèi)填滿坍落度桶，不進(jìn)行任何人工振搗或機(jī)械壓實(shí)，并清除坍落度桶頂部多余部分混凝土。在此期間，清除底板上溢出的混凝土，確保底板全部潮濕，但沒(méi)有多余的水。在不影響混凝土流動(dòng)性的情況下，1 至3 秒內(nèi)一次性垂直提起坍落度桶，待混凝土流動(dòng)穩(wěn)定后，測(cè)量d1、d2和H。（d1——混凝土流動(dòng)的最大直徑，精確到10mm；d2——混凝土流動(dòng)的最大直徑處的右側(cè)90°位置處混凝土的流動(dòng)直徑，精確到10mm；H——混凝土表面最高點(diǎn)到坍落度桶頂面的高度。）

圖2 擴(kuò)展度試驗(yàn)

圖3 坍落度試驗(yàn)

2.2 篩析法試驗(yàn)

將（10±0.5）L 混凝土放入樣品容器并覆蓋以防止蒸發(fā)，放在一個(gè)水平的位置，在沒(méi)有干擾的情況下靜置（15±0.5）分鐘。確保天平平穩(wěn)后，把篩子底盤放在天平上，記錄其質(zhì)量，以克為單位。然后把干篩子放在底盤上，再次記錄質(zhì)量或清零。在靜置時(shí)間結(jié)束后，從樣品容器中取下蓋子，觀察混凝土表面是否出現(xiàn)泌水。當(dāng)篩子和底盤仍然處于平衡狀態(tài)時(shí)，穩(wěn)定而小心地將（4.8±0.2）㎏混凝土(包括任何排出水)以樣品容器的頂部高于篩子（500±50）mm 的高度傾倒在篩子的中心，靜置兩分鐘后記錄底盤上混凝土的實(shí)際質(zhì)量，試驗(yàn)示意圖如圖4 所示。

圖4 篩析法試驗(yàn)示意圖

2.3 V 型漏斗試驗(yàn)

試驗(yàn)開(kāi)始前應(yīng)清潔V 型漏斗和底部閘板，然后將所有內(nèi)表面包括閘板全部濕潤(rùn)。在漏斗下方放置承接器皿，關(guān)閉閘門，一次性將混凝土拌合物倒入漏斗內(nèi)，不要進(jìn)行任何人工振搗或機(jī)械壓實(shí)，然后刮去漏斗頂部多余混凝土，使混凝土與漏斗頂部平齊。填滿后靜置（10±2）秒，迅速打開(kāi)閥門并測(cè)量時(shí)間tv（tv——從閥門打開(kāi)到能從頂部垂直看到漏斗下方承接器皿的時(shí)間，精確到0.1s）。從漏斗流出的混凝土應(yīng)該是連續(xù)的，如果發(fā)生堵塞，應(yīng)重復(fù)試驗(yàn)。

圖5 V 型漏斗試驗(yàn)裝置示意圖

3 結(jié)果分析與討論

3.1 流動(dòng)性

圖6 展示了不同組別自密實(shí)混凝土的擴(kuò)展度，隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土拌合物的擴(kuò)展度呈增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诒ＷC混凝土拌合物不發(fā)生離析和泌水的前提下，混凝土拌合物的坍落度越大，拌合物的流動(dòng)性就越好，擴(kuò)展度越大[9]。當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，混凝土的擴(kuò)展度有輕微的減少，當(dāng)粉煤灰摻量分別在20%以上時(shí)，擴(kuò)展度增加，但最高穩(wěn)定在740mm 左右。其中，在粉煤灰摻量為20%時(shí)，混凝土的流動(dòng)性最好。綜上所述，摻入粉煤灰可以改善自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性。這主要是因?yàn)榉勖夯覟閳A球狀顆粒，在新拌混凝土拌合物中起滾珠效應(yīng)，改善流動(dòng)性，最終使得擴(kuò)展度增加[10,11]。

圖6 擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 抗離析性

從圖7 可以看出，不管坍落度變大還是變小，摻有粉煤灰混凝土拌合物的浮漿百分比都要比對(duì)照組CM大。其次，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土拌合物的浮漿百分比先增加后減少，且都高于對(duì)照組CM。從圖8 可知，摻有粉煤灰混凝土的V 型漏斗試驗(yàn)所用時(shí)間也都低于對(duì)照組CM，說(shuō)明摻有粉煤灰混凝土拌合物的黏度略低于對(duì)照組CM，這與前面抗離析性能試驗(yàn)結(jié)果是相吻合的。這是因?yàn)樗嗟拿芏纫笥诜勖夯遥?dāng)使用粉煤灰等體積替代水泥來(lái)配制混凝土?xí)r，會(huì)導(dǎo)致混凝土的漿體體積和漿體塑性有所提高，同時(shí)會(huì)降低混凝土的漿體黏度[12]。

圖7 篩析法試驗(yàn)結(jié)果

圖8 V 型漏斗通過(guò)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本研究采用粉煤灰等體積替代自密實(shí)混凝土中的水泥，開(kāi)展了一系列自密實(shí)混凝土工作性能的試驗(yàn)，結(jié)論如下：

⑴總體來(lái)說(shuō)，粉煤灰作為輔助膠凝材料摻入水泥中，有利于提高自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性。在粉煤灰摻量為20%時(shí)，自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性最好。當(dāng)粉煤灰摻量逐漸增加時(shí)，自密實(shí)混凝土流動(dòng)性基本保持不變。

⑵粉煤灰密度要小于水泥密度，等體積替代水泥后，會(huì)增加自密實(shí)混凝土的漿體量，提高自密實(shí)混凝土的粘聚性，使自密實(shí)混凝土具有更好的密實(shí)性和均質(zhì)性。