預(yù)填集料高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度影響因素研究

周孝軍，謝 琳，牟廷敏，彭建秋，范碧琨

（1.西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,四川 成都 610039；2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610041；3.四川省鋼管混凝土橋梁工程技術(shù)研究中心,四川 成都 610041）

粗集料在混凝土中起骨架作用，是混凝土中強(qiáng)度最高、耐久性最佳、體積穩(wěn)定性最好的結(jié)構(gòu)組分，增加粗集料用量可以提高混凝土的各項(xiàng)性能[1?2]。常規(guī)混凝土是將膠凝材料與集料混合攪拌，為保證混凝土良好的工作性能，漿體量與集料空隙率之比一般大于1.1[3]，集料懸浮于水泥漿體之中，其骨架作用不能充分發(fā)揮。預(yù)填集料混凝土是預(yù)先在模板內(nèi)填筑粗集料，使集料呈嵌鎖狀[4]，然后注入高流動(dòng)度的漿體材料，漿體量與集料空隙量基本一致。高體積含量的粗集料呈緊密堆積狀態(tài)[5]，使其彈性模量、抗氯離子滲透、抗沖擊韌性、體積穩(wěn)定性等性能在很大程度上優(yōu)于常規(guī)混凝土[6]。此外，預(yù)填集料混凝土的粗集料預(yù)先置于模板中然后灌漿，漿體材料較常規(guī)混凝土攪拌方便，具有施工噪音小、振搗時(shí)間短、場(chǎng)地占用少、漿體用量省等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合鋼筋密集、振搗不便的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

當(dāng)前工程應(yīng)用中預(yù)填集料混凝土的粗集料粒徑一般在50～200 mm，粗集料粒徑偏大，級(jí)配組成單一，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度偏低，主要集中在30 MPa 左右[7?12]。為提高預(yù)填集料混凝土強(qiáng)度，沈衛(wèi)國(guó)等[13]開展了預(yù)填集料高強(qiáng)混凝土制備研究，通過(guò)調(diào)整砂漿配合比、摻入適宜的礦物摻合料制備了強(qiáng)度等級(jí)達(dá)C50 的預(yù)填集料混凝土。Najjar等[14]設(shè)計(jì)系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)預(yù)填集料混凝土灌漿材料的性能與礦物摻合料的種類和用量有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，Coo 等[15]進(jìn)一步調(diào)整漿體材料配合比并摻入多種礦物摻合料，制備出了強(qiáng)度等級(jí)達(dá)C60 的預(yù)填集料混凝土。

目前大部分研究中灌漿材料主要為砂漿，重點(diǎn)在調(diào)整砂漿灰砂比、水灰比以及膠凝材料組成[16]，關(guān)于制備方法、粗集料級(jí)配組成對(duì)預(yù)填集料混凝土強(qiáng)度影響的研究較少。因此本文研究不同制備方式、漿體材料類型及粗集料級(jí)配組成對(duì)預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，探討其合理的制備方法與集料級(jí)配組成，以期制備出預(yù)填集料高強(qiáng)混凝土，為工程應(yīng)用提供支撐。

1 試驗(yàn)材料

1）水泥：P·O42.5 峨勝水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

2）粉煤灰：瀘州地博Ⅱ級(jí)粉煤灰，燒失量4.98%，需水量比102%。

3）細(xì)集料：Ⅱ區(qū)機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.04。

4）粗集料：破碎卵石、碎石，采用不同粒徑范圍的粗集料進(jìn)行比例搭配而成，各粒徑范圍粗集料有10～16 mm、10～20 mm、20～25 mm（單位粒級(jí)16～25 mm，篩除粒徑19 mm 以下的集料）、20～31.5 mm（單位粒級(jí)16～31.5 mm，篩除粒徑19 mm以下的集料）、25～31.5 mm（單位粒級(jí)16～31.5 mm，篩除粒徑26.5 mm 以下的集料）。

5）外加劑：三瑞聚羧酸超塑化劑，減水率35%。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 制備方式及其對(duì)預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)研究3 種不同制備方式對(duì)預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響：1）一次免振成型：在立方體試模中預(yù)先用粗集料填平試模，然后注入漿體材料至滿溢，表面抹平；2）一次振動(dòng)成型：在立方體試模中預(yù)先用粗集料填平試模并振動(dòng)15 s，然后一邊振動(dòng)一邊注入漿體材料至滿溢，整個(gè)過(guò)程總振動(dòng)時(shí)間控制在1 min 之內(nèi)，表面抹平；3）二次振動(dòng)成型：在立方體試模中填入半數(shù)粗集料并振動(dòng)5 s，注入漿體材料至淹沒集料，再用粗集料填平試模并振動(dòng)10 s，然后一邊振動(dòng)一邊填入漿體材料至滿溢，整個(gè)過(guò)程總振動(dòng)時(shí)間控制在1 min 之內(nèi)，表面抹平。二次振動(dòng)成型流程如圖1 所示。

圖1 二次振動(dòng)成型流程

預(yù)填集料混凝土配合比及相關(guān)性能指標(biāo)見表2。

由表2 可知，A1、A2 組混凝土配合比相同，A2 組采用二次振動(dòng)方法制備成型，其7、28 d 抗壓強(qiáng)度均較一次振動(dòng)成型的A1 組強(qiáng)度高；同樣的，A3、A4 組混凝土配合比也相同，其制備方式分別為一次免振、一次振動(dòng)，A4 組混凝土7、28 d 抗壓強(qiáng)度也均較A3 組抗壓強(qiáng)度高。程運(yùn)虹等[17]的研究也指出采用振動(dòng)成型后，預(yù)填集料混凝土強(qiáng)度等級(jí)可由C30 提升到C40。可見，即便預(yù)填集料混凝土的漿體材料和粗集料級(jí)配相同，其強(qiáng)度也會(huì)因?yàn)橹苽浞绞讲煌兴町?。分層填筑、振?dòng)灌漿有利于提高預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度，主要是因?yàn)榉謱犹钪辜系姆植家约肮羌芙Y(jié)構(gòu)更合理，振動(dòng)填筑使混凝土的集料堆積狀態(tài)更緊密，提高了集料之間的機(jī)械咬合作用力，使得制備的預(yù)填集料混凝土強(qiáng)度較高。雖然預(yù)填集料混凝土的漿體材料和粗集料級(jí)配相同的情況下，采用二次振動(dòng)方法制備的混凝土7、28 d 抗壓強(qiáng)度較一次振動(dòng)成型的混凝土高，但因?yàn)楸疚闹皇嵌ㄐ杂懻撝苽浞绞健{體材料類型、粗集料級(jí)配組成對(duì)預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響；因此，下面的試驗(yàn)都采用一次振動(dòng)成型的方法制備混凝土。

表2 預(yù)填集料混凝土配合比及相關(guān)性能指標(biāo)

2.2 漿體材料類型對(duì)預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

漿體流動(dòng)度測(cè)試方法根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE30）中的方法進(jìn)行，凈漿流動(dòng)度用錐桶流出時(shí)間衡量，砂漿流動(dòng)度用擴(kuò)展度衡量。漿體力學(xué)性能按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》（GBT17671）的方法進(jìn)行測(cè)試。預(yù)填集料混凝土力學(xué)性能根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081）的方法進(jìn)行測(cè)試。漿體材料在預(yù)填集料混凝土中起著約束集料轉(zhuǎn)動(dòng)及位移的重要作用[18]，不同漿體材料類型對(duì)預(yù)填集料混凝土粗集料的約束作用不同，對(duì)其強(qiáng)度的貢獻(xiàn)程度也不同[19]。凈漿、砂漿是工程建設(shè)中常用灌漿材料，根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，分別選用錐桶倒流時(shí)間26 s的凈漿與流動(dòng)度為330 mm 的砂漿采用一次振動(dòng)成型方式制備預(yù)填集料混凝土，混凝土外觀均無(wú)露石。預(yù)填集料混凝土配合比如表3 所示。

表3 預(yù)填集料混凝土配合比

圖2 為砂漿、凈漿混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試值，由圖2 可知，凈漿、砂漿兩類灌漿材料的28 d 抗壓強(qiáng)度基本一致（均在57 MPa 左右），但砂漿預(yù)填集料混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度較凈漿預(yù)填集料混凝土高約12 MPa。圖3 為砂漿、凈漿預(yù)填集料混凝土的壓碎破壞形態(tài)。由圖2 和圖3 分析可知：采用凈漿填充于粗集料間隙時(shí)，整個(gè)混凝土集料體系中缺少細(xì)集料，集料體系空隙率較大；采用砂漿填充粗集料間隙時(shí)，其不僅較好黏結(jié)、約束了粗集料，而且使混凝土中整體集料體系級(jí)配空隙率較低，集料骨架作用發(fā)揮更充分，骨料之間的機(jī)械咬合力強(qiáng)，從而提升混凝土的強(qiáng)度。由此可見，采用砂漿為灌漿材料有利于提高預(yù)填集料混凝土的強(qiáng)度。

圖2 漿體類型對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

圖3 不同漿體類型混凝土的受壓破壞形態(tài)

2.3 粗集料級(jí)配組成對(duì)預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

預(yù)填集料高強(qiáng)混凝土需要擁有緊密的堆積密度的粗集料體系來(lái)充分發(fā)揮其力學(xué)特性[20]；同時(shí)也需要降低粗集料體系的比表面積以減小漿體與集料的摩擦阻力從而保證其灌注密實(shí)性。為探討其合理級(jí)配組成，此處選用4 種不同級(jí)配粗集料，保證密實(shí)灌注的前提下，研究粗集料級(jí)配組成對(duì)預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。漿體材料采用流動(dòng)度為30 s 的凈漿，7、28 d 抗壓強(qiáng)度分別為46.3、58.8 MPa，制備方式為一次振動(dòng)，預(yù)填集料混凝土配合比及性能指標(biāo)見表4。

表4 預(yù)填集料混凝土配合比及性能指標(biāo)

粗集料級(jí)配的振實(shí)空隙率根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE42）中T0309 粗集料空隙率試驗(yàn)方法測(cè)定。各組試驗(yàn)的預(yù)填集料混凝土配合比中漿體的材料用量均根據(jù)成型試件時(shí)所消耗的實(shí)際材料按如下方法換算而得：

式中：m1為灌漿前后單個(gè)試件質(zhì)量差值，即所灌注漿體的質(zhì)量（kg）；ρ為漿體表觀密度（g·cm?3）；V0為單個(gè)試件體積（L）；V1為單個(gè)試件所需漿體體積（L）；V2為每方預(yù)填集料混凝土所需漿體體積（L）；mi為每方預(yù)填集料混凝土中各膠凝材料組分用量（kg·m?3）；Mi為每方漿體材料中各膠凝材料組分用量（kg·m?3）。

由圖4、圖5 可知，級(jí)配①—④的空隙率基本呈增加趨勢(shì)，集料堆積緊密程度逐漸下降，制備的預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低?？梢娂隙逊e緊密程度越高，其機(jī)械咬合作用就越強(qiáng)，混凝土強(qiáng)度就越高。同時(shí)，對(duì)比級(jí)配①與級(jí)配③，其空隙率相近，但級(jí)配①制備的混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度較級(jí)配③高約11 MPa，主要原因在于級(jí)配③屬于單粒級(jí)配，粒級(jí)較少、粒徑范圍較小，集料相互之間的機(jī)械咬合力較小，難以形成致密骨架結(jié)構(gòu)。由此可見，預(yù)填集料混凝土不宜采用粒級(jí)較少、粒徑范圍較小的粗集料。

圖4 級(jí)配組成對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

圖5 不同級(jí)配組成的空隙率

為進(jìn)一步優(yōu)化級(jí)配組成，試驗(yàn)采用10～25 mm非連續(xù)級(jí)配粗集料研究粗集料空隙率對(duì)預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。為提升混凝土強(qiáng)度，此處漿體材料采用流動(dòng)度330 mm 的砂漿，7、28 ds 抗壓強(qiáng)度分別為62.8、72.2 MPa，采用一次振動(dòng)成型，預(yù)填集料混凝土配合比及相關(guān)性能指標(biāo)見表5。

表5 預(yù)填集料混凝土配合比及相關(guān)性能指標(biāo)

由表5 以及圖6、圖7 可知，小石(10～20 mm)與大石(20～25 mm)的搭配比例由3∶7 到2∶8 再到1∶9 變化時(shí)，粗集料空隙率先減小后增大，混凝土7、28 d 抗壓強(qiáng)度均先增加再減小。小石∶大石比例為2∶8 時(shí)，粗集料空隙率最小，同時(shí)還可以看到，此時(shí)粗集料的總用量最多，制備的預(yù)填集料混凝土強(qiáng)度最高，可達(dá)到69.4 MPa，基本滿足C60 強(qiáng)度等級(jí)要求?？梢?，粒級(jí)組成相同的非連續(xù)級(jí)配粗集料，不同大、小石比例搭配時(shí)空隙率不同，集料堆積緊密程度有差異，堆積越緊密時(shí)材料用量越多，粗集料空隙率越小，集料的骨架作用發(fā)揮程度就越高。

圖6 粒級(jí)比例對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

圖7 不同粒級(jí)比例的空隙率

因此，制備預(yù)填集料高強(qiáng)混凝土?xí)r，粗集料粒級(jí)組成相同的情況下，應(yīng)采用空隙率低的級(jí)配組合?？紤]到集料的密度較漿體密度大，同一體積范圍內(nèi)填充粗集料越多，混凝土強(qiáng)度也越高，但應(yīng)注意低空隙率下要求漿體材料具備更高的流動(dòng)度。

此外，從表5 可知采用10～25 mm 非連續(xù)級(jí)配粗集料（10～20 mm∶20～25 mm=2∶8，空隙率37%）與膠凝材料（水泥和粉煤灰）用量323 kg·m?3、流動(dòng)度330 mm、28 d 強(qiáng)度72.2 MPa 的砂漿，一次振動(dòng)成型可制備出28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)69.4 MPa 的預(yù)填集料高強(qiáng)混凝土。膠凝材料用量與該預(yù)填集料混凝土相近的常規(guī)混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)約為C30[21]，由此可見采用預(yù)填集料的方法制備的混凝土膠材用量少，經(jīng)濟(jì)效益較高。

3 結(jié)論

通過(guò)系列試驗(yàn)研究，探明了不同成型方式、漿體材料類型、粗集料級(jí)配組成對(duì)預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，以及制備預(yù)填集料高強(qiáng)混凝土的相關(guān)技術(shù)要求。

1）其他參數(shù)與實(shí)驗(yàn)條件相同，二次振動(dòng)比一次振動(dòng)成型的混凝土7、28 d 強(qiáng)度分別提高9.9%、11.5%；一次振動(dòng)比免振成型的混凝土7、28 d 強(qiáng)度分別提高8.2%、9.6%。振動(dòng)灌漿、分層灌漿均較自填充灌漿更有利于提高預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度。

2）凈漿與砂漿28 d 抗壓強(qiáng)度基本一致時(shí)（57 MPa 左右），采用砂漿制備的預(yù)填集料混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度較采用凈漿高約12 MPa，可見漿體材料為砂漿時(shí)較凈漿更利于提高預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度，但摻入細(xì)集料會(huì)降低漿體材料流動(dòng)度。

3）預(yù)填粗集料最大粒徑不大于31.5 mm 時(shí)，粗集料的級(jí)配組成、粒徑范圍與空隙率對(duì)混凝土強(qiáng)度有不同程度的影響，采用10～20 mm 或20～25 mm 的單粒集配成型混凝土?xí)r，與非連續(xù)級(jí)配成型混凝土相比最大強(qiáng)度相差14.5 Mpa。因此不宜采用粒級(jí)較少、粒徑范圍較小的粗集料。粗集料粒級(jí)組成相同時(shí)，集料空隙率越小，制備的預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度越高。

4）采用10～25 mm 非連續(xù)級(jí)配粗集料（10～20 mm∶20～25 mm=2∶8，空隙率37%）與膠凝材料用量323 kg·m?3、流動(dòng)度330 mm、28 d 強(qiáng)度72.2 MPa 的砂漿，一次振動(dòng)成型可制備出28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)69.4 MPa 的預(yù)填集料高強(qiáng)混凝土，膠材用量少，經(jīng)濟(jì)效益較高。