基于粒子干涉理論的混凝土材料設(shè)計(jì)與性能研究

王瑞燕， 張 營(yíng)，龍 昊，張兆辰，王子儀

(1. 重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國(guó)家 地方聯(lián)合工程試驗(yàn)室，重慶 400074； 3. 重慶建工橋梁工程有限責(zé)任公司，重慶 400060)

0 引 言

重慶嘉陵江水土大橋是一座高低塔雙索面疊合梁斜拉特大橋。橋面板采用預(yù)制工藝，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C60，制作完成6個(gè)月后安裝，支撐在工字型鋼梁上翼緣和橫梁上翼緣。橋面板在主梁、橫梁及小縱梁所在位置形成現(xiàn)澆縫，現(xiàn)澆部分采用C60微膨脹混凝土泵送施工。由于橋面板與現(xiàn)澆縫混凝土澆筑間隔時(shí)間長(zhǎng)，橋面板對(duì)現(xiàn)澆縫混凝土?xí)纬娠@著的基巖約束效應(yīng)[1-2]，增加了現(xiàn)澆縫混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)[3]。降低漿骨比提高混凝土體積穩(wěn)定性并采用補(bǔ)償收縮技術(shù)，有利于避免現(xiàn)澆縫混凝土開裂的發(fā)生[4-5]。

JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中對(duì)配合比的計(jì)算，通過砂率確定粗細(xì)集料比例關(guān)系，砂率在推薦范圍內(nèi)選擇，導(dǎo)致粗細(xì)集料形成的堆聚結(jié)構(gòu)空隙率未進(jìn)行較準(zhǔn)確的量化計(jì)算，用于填充集料間隙的膠凝材料漿體體積變化范圍較大。

粒子干涉理論認(rèn)為達(dá)到最大堆積密度，前一級(jí)顆粒之間的空隙應(yīng)由次一級(jí)顆粒填充；其所余空隙又由再次級(jí)小顆粒填充；填隙的顆粒粒徑不得大于前一級(jí)顆粒間隙的距離，否則大小顆粒間勢(shì)必發(fā)生干涉現(xiàn)象。為避免干涉，大小粒子間應(yīng)按一定數(shù)量搭配，從臨界干涉條件可導(dǎo)出前一級(jí)顆粒間的距離t為：

(1)

當(dāng)處于臨界干涉狀態(tài)時(shí)，次一級(jí)顆粒粒徑d等于前一級(jí)顆粒間隙距離t，即t=d，則式(1)改寫為式(2)：

(2)

式中：t為前粒級(jí)的間隙距離(即等于次一粒級(jí)的粒徑d)；D為前粒級(jí)的粒徑；VO為前粒級(jí)的理論實(shí)積率(即松裝密度與表觀密度之比)；Va為次粒級(jí)的實(shí)用實(shí)積率。

基于粒子干涉理論，由式(2)即可計(jì)算確定各粒級(jí)顆粒的數(shù)量比，即確定基于緊密堆積確定集料合成級(jí)配。以合成級(jí)配方式構(gòu)建集料緊密堆聚結(jié)構(gòu)，可降低集料空隙率[6-8]，從而降低填隙膠凝材料漿體體積[9]；采用撥開系數(shù)控制膠凝材料漿體包裹層厚度[10-11]，以保障滿足拌和物流動(dòng)性要求前提下的最小潤(rùn)滑層漿體體積。通過粒子干涉理論構(gòu)建緊密堆聚集料，可降低漿集比[12]，提高混凝土體積穩(wěn)定性[13-14]，同時(shí)有利于提高混凝土配合比設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。

結(jié)合水土大橋現(xiàn)澆縫斷面尺寸、鋼筋及剪力釘布置間距，選用粗集料公稱粒徑為9.5 mm?，F(xiàn)澆縫混凝土材料設(shè)計(jì)技術(shù)路徑為：基于魏茅斯粒子干涉理論構(gòu)建集料緊密堆聚結(jié)構(gòu)并確定集料合成級(jí)配；基于撥開系數(shù)對(duì)混凝土工作性、力學(xué)性能的影響確定膠凝材料漿體用量；基于限制膨脹率要求確定膨脹劑品種及摻量。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 水 泥

重慶富皇P.O42.5普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分及技術(shù)指標(biāo)見表1、表2。

表1 水泥化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of cement

表2 水泥性能指標(biāo)Table 2 Performance indexes of cement

1.1.2 粉煤灰

重慶華珞粉煤灰開發(fā)有限責(zé)任公司產(chǎn)Ⅱ級(jí)粉煤灰，28 d強(qiáng)度活性指數(shù)78%，化學(xué)成分見表3。

表3 粉煤灰化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of fly ash

1.1.3 粗集料

重慶北碚地區(qū)碎石，樣品規(guī)格為4.75 ～9.5 mm，技術(shù)性能見表4。

表4 碎石性能指標(biāo)Table 4 Performance indexes of crushed stone

1.1.4 細(xì)集料

重慶富皇建筑工業(yè)化制品有限公司機(jī)制粗砂、機(jī)制細(xì)砂，性能指標(biāo)見表5。

表5 細(xì)集料性能指標(biāo)Table 5 Performance indexes of fine aggregate

1.1.5 減水劑

重慶富皇聚羧酸高性能減水劑(HPWR)，減水率30%，含固量22.5%，其它性能均符合GB8076—2008《混凝土外加劑》高性能減水劑減水率要求。

1.1.6 膨脹劑

重慶同榮同欣硫鋁酸鈣類高性能混凝土膨脹劑(HEAA-I 型)，推薦摻量11%；重慶三圣氧化鈣類高性能混凝土膨脹劑(SCEA-Ⅰ型)，推薦摻量6%。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，集料性能試驗(yàn)依據(jù)JTG/E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》，限制膨脹率試驗(yàn)依據(jù)GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》。

2 試驗(yàn)及分析

2.1 基于粒子干涉理論的級(jí)配設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

當(dāng)集料顆粒為等大球體理想狀態(tài)時(shí)，次級(jí)填充顆粒臨界粒徑等于上級(jí)顆粒緊密堆積的間隙尺寸，由幾何計(jì)算可得次級(jí)顆粒與上級(jí)粒徑的臨界粒徑比約為1∶6。當(dāng)集料顆粒為非球形時(shí)，臨界粒徑比與粒形系數(shù)有關(guān)，粒形系數(shù)H、越大，臨界粒徑比越大。筆者所采用的顆粒形狀系數(shù)為基于二維條件下的顆粒圓形系數(shù)，其定義為顆粒的周長(zhǎng)與等面積圓形顆粒周長(zhǎng)的比值，表達(dá)式為[14]：

(3)

式中：H為顆粒圓形系數(shù)，正圓形顆粒系數(shù)為1；L為顆粒的周長(zhǎng)；L′為與顆粒等面積的圓的周長(zhǎng)。

采集集料顆粒圖像，將拍攝所得的數(shù)字圖像進(jìn)行邊緣識(shí)別，確定其最佳分割閾值，同時(shí)對(duì)從背景中分離出來的集料顆粒特征進(jìn)行測(cè)量[15-16]，結(jié)果見圖1。

圖1 集料圖像數(shù)字化處理過程Fig. 1 Digital processing of aggregate image

經(jīng)過數(shù)字化處理的集料顆粒形狀系數(shù)匯總于表6。

表6 顆粒圓形系數(shù)Table 6 Aggregate circular coefficients

根據(jù)粒子干涉理論[17-18]，取粒徑比理論值1∶6為中值，按式(2)計(jì)算粒徑比分別為1∶4、1∶6、1∶8時(shí)的各級(jí)粒徑理論實(shí)積率、實(shí)用實(shí)積率計(jì)算結(jié)果見表7；根據(jù)實(shí)用實(shí)積率計(jì)算所得合成級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果及實(shí)測(cè)堆積密度結(jié)果見表8。

表7 各粒徑比實(shí)用體積率Table 7 Practical volume ratios of particle size ratios

表8 基于粒子干涉理論的合成級(jí)配設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Gradation design and test results based on particle interference theory

由于集料粒形的干涉效應(yīng)，粒徑比為1∶4、1∶8時(shí)，合成級(jí)配的堆積密度均高于粒徑比為1∶6時(shí)的理論計(jì)算級(jí)配。基于有利于施工控制的原則，取粒徑比1∶8，采用9.5/4.75、1.18/0.6、0.15/0.075共3檔集料合成集料級(jí)配，各粒徑集料的比例為49∶31∶20。

2.2 撥開系數(shù)對(duì)混凝土性能的影響

撥開系數(shù)(K)是混凝土拌和物中膠凝材料漿體體積與集料堆積空隙體積的比值，其大小將影響集料顆粒表面漿體潤(rùn)滑層厚度，從而影響混凝土拌和物工作性。根據(jù)現(xiàn)澆縫的斷面尺寸、鋼筋及剪力釘間距，混凝土拌和物坍落度、坍落擴(kuò)展度設(shè)計(jì)值分別為 220±20 mm、550～650 mm。依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，現(xiàn)澆縫C60配合比參數(shù)：水膠比0.3，粉煤灰摻量20%；根據(jù)表8結(jié)果，粒徑比取1∶8；減水劑按推薦摻量2.5%。撥開系數(shù)為變量，配合比見表9。

表9 撥開系數(shù)試驗(yàn)配合比Table 9 Mix ratio of spreading coefficient test

圖2和圖3為撥開系數(shù)對(duì)混凝土坍落度和強(qiáng)度的影響(K1.30離析未成型試件)。圖2表明：當(dāng)撥開系數(shù)低于1.10時(shí)混凝土漿體潤(rùn)滑層厚度不足，拌和物流動(dòng)度不滿足泵送要求；當(dāng)撥開系數(shù)介于1.10～1.20時(shí)，混凝土的坍落度隨著撥開系數(shù)的增大而增加；當(dāng)撥開系數(shù)為1.18時(shí)，混凝土拌和物工作性良好，滿足設(shè)計(jì)要求，且強(qiáng)度最高，為78.57 MPa。采用粒子干涉理論設(shè)計(jì)的混凝土拌和物濕密度大于2 500 kg/m3，較常用方法設(shè)計(jì)的混凝土拌和物濕密度(通常為2 450～2 500 kg/m3)大，說明采用級(jí)配理論設(shè)計(jì)的混凝土密實(shí)度更高。綜合混凝土拌和物工作性及28 d抗壓強(qiáng)度值，取撥開系數(shù)為1.18。

圖2 撥開系數(shù)對(duì)坍落度的影響Fig. 2 Influence of spreading coefficient on slump

圖3 撥開系數(shù)對(duì)強(qiáng)度的影響Fig. 3 Influence of spreading coefficient on strength

2.3 膨脹劑對(duì)混凝土補(bǔ)償收縮性能影響

根據(jù)工程設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)澆縫微膨脹混凝土的性能要求，水中14 d限制膨脹率大于等于0.025%，水中14 d轉(zhuǎn)入空氣中28 d大于等于-0.020%。撥開系數(shù)取1.18，水膠比0.3，粉煤灰摻量20%，按推薦摻量?jī)?nèi)摻膨脹劑，HEAA-I 摻量取11%，SCEA-Ⅰ摻量取6%。摻膨脹劑微膨脹混凝土配合比及試驗(yàn)結(jié)果見表10、表11。

表10 堆聚結(jié)構(gòu)微膨脹混凝土配合比Table 10 Mix ratio of micro-expansion concrete of piled structure kg

表11 微膨脹混凝土試驗(yàn)結(jié)果Table 11 Test results of micro-expansion concrete

表11數(shù)據(jù)表明，按推薦摻量摻入HEAA-Ⅰ型與SCEA-Ⅰ型膨脹劑水中與空氣中限制膨脹率均滿足工程要求。由于膨脹劑采用內(nèi)摻，混凝土早期強(qiáng)度有所降低，但后期強(qiáng)度與不摻膨脹劑混凝土強(qiáng)度相當(dāng)。根據(jù)膨脹劑效能及空氣中限制膨脹率回落值，選用SCEA-Ⅰ型膨脹劑，工程實(shí)際采用配合比見表10中SCEA-6組配合比。

3 結(jié) 論

1)采用粒子干涉理論設(shè)計(jì)集料級(jí)配，集料的粒徑比與集料顆粒圓形系數(shù)有關(guān)，粒徑比為1∶8時(shí)集料達(dá)到最大堆積密度，粗細(xì)集料合成級(jí)配形成的集料空隙率最小，填隙所需膠凝材料漿體體積最少。與常用方法設(shè)計(jì)的C60混凝土相比，采用基于粒子干涉理論設(shè)計(jì)的混凝土密實(shí)度更高，堆聚結(jié)構(gòu)更密實(shí)。

2)撥開系數(shù)影響集料顆粒表面膠凝材料漿體包裹層厚度，從而影響混凝土拌和物工作性。撥開系數(shù)1.05～1.20范圍內(nèi)拌和物流動(dòng)度隨撥開系數(shù)增大而增大，撥開系數(shù)大于1.3時(shí)含漿量偏大并出現(xiàn)離析泌水；撥開系數(shù)為1.18時(shí)拌和物滿足泵送要求且力學(xué)性能最好。

3)基于級(jí)配理論構(gòu)建集料緊密堆聚結(jié)構(gòu)并通過撥開系數(shù)調(diào)整混凝土拌和物工作性的混凝土材料配合比設(shè)計(jì)方法，可以提高混凝土材料設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度，更有利于提高混凝土體積穩(wěn)定性，對(duì)高強(qiáng)高性能混凝土、活性粉末混凝土等的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。