粉煤灰改善自密實混凝土間隙通過性的研究

林明新，任鳳鳴，彭健鋒，陳沛棋，王 慶，熊子豪

（1、大建建筑集團有限公司 廣州 511430；2、廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510006）

0 引言

自密實混凝土（Self-Compacting Concrete，簡稱SCC）是一種具有良好流動性和抗偏析性能好的高性能混凝土，它在澆筑過程中可以流過并填充模具每一處鋼筋之間的間隙和角落［1-2］。自密實混凝土于1986年在日本首次開發(fā)出來，憑借其良好的性能可以大大提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性［3］。與傳統(tǒng)混凝土相比，自密實混凝土能縮短工期，降低結(jié)構(gòu)壽命周期成本，同時摻加粉煤灰等工業(yè)廢料后能降低生產(chǎn)過程中二氧化碳的排放從而帶來社會效益［4］。粉煤灰作為自密實混凝土中常用的輔助性膠凝材料之一［5］，粒徑要小于水泥且呈球形顆粒，不僅有利于提高混凝土的流動性，還能起到填充作用從而降低混凝土中的孔隙率［6］，提高新拌混凝土的穩(wěn)定性［7］。為探究粉煤灰摻量對自密實混凝土間隙通過性的影響作用，本研究通過采用10%到40%粉煤灰等體積替代水泥，系統(tǒng)地測試粉煤灰摻量對自密實混凝土間隙通過性的影響。

1 原材料及配合比

本研究水泥為42.5R型普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3.10 g/cm3，比表面積為1 295.9 m2/kg。粉煤灰為I級粉煤灰，表觀密度2.42 g/cm3，比表面積為1 534.0 m2/kg，主要晶相為石英（SiO2）和莫來石（Al6Si2O13）。水泥與粉煤灰的氧化物分析結(jié)果如表1所示，粒徑分布曲線如圖1所示。粗骨料為破碎花崗巖，最大粒徑為26.5 mm，表觀密度為2.73 g/cm3。砂為天然河砂，表觀密度為2.61 g/cm3，細度模數(shù)2.2。外加劑采用減水率為28%的聚羧酸系高效減水劑。

表1 原材料氧化物分析（質(zhì)量百分數(shù)）Tab.1 Chemical Compositions of Cementitious Materials（wt.%）

圖1 水泥與粉煤灰的粒徑分布曲線Fig.1 Particle Size Distributions of Cement and Fly Ash

為研究不同粉煤灰摻量對SCC 間隙通過性的影響，將試驗分為5 組，粉煤灰體積替代率分別為0，10%，20%，30%和40%，參照《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程：JGJ/T 283—2012》［8］進行自密實混凝土配合比設(shè)計，具體如表2所示。根據(jù)規(guī)范EN 12350［9］，開展了J 型環(huán)試驗和L 型流動度試驗來評價自密實混凝土的間隙通過性。

表2 試驗所用配合比Tab.2 Mix Proportions （kg/m3）

2 試驗方法

2.1 J型環(huán)試驗

試驗過程中首先將擴展度板找平，清洗并潤濕擴展度板和坍落度桶，坍落度桶放置于擴展度板中央位置并保持位置，確?；炷敛粫奶涠韧跋路叫孤形環(huán)放在擴展度板上，集中圍繞著坍落度桶。按住坍落度桶，在30 s 內(nèi)填滿坍落度桶，不進行任何人工振搗或機械壓實，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，但沒有任何多余的水。在不影響混凝土流動的情況下，1～3 s 內(nèi)一次性垂直提起坍落度桶，待混凝土流動穩(wěn)定后，測量混凝土拌合物的最大直徑d1和垂直于d1的直徑并記錄為d2。把直尺放在J 型環(huán)的頂端，在中心位置和J 型環(huán)外的4 個位置測量直尺下邊與混凝土表面之間的相對高度差，在x方向測量兩個量度單位，在y方向測量兩個量度單位（垂直于x），分別表示為h0，hx1，hx2，hy1，hy2，如圖2?所示。

圖2 J型環(huán)試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of J-Ring Test Device （mm）

2.2 L型流動度試驗

L 型流動度試驗裝置如圖3 所示。試驗前應(yīng)在水平基礎(chǔ)上放置L 型儀，并使用水平儀檢查水平度。潤濕L 型儀所有內(nèi)表面，但不要沾染過多的水分，關(guān)閉垂直部分和水平部分之間的閘門。將混凝土從容器內(nèi)倒入L 型儀的儲箱中，無須進行任何人工振搗或機械壓實，然后刮去L 型儀頂部多余混凝土，使混凝土與L 型儀垂直部分的頂部平齊。以平滑、連續(xù)的動作完全打開滑動閘門，讓混凝土流入水平部分。當流動停止后，測量混凝土△H1（1#、2#、3#、4#）的4 個高度和△H2（1#、2#、3#）的3個高度?；炷?土H1的平均高度是L 型儀垂直部分的高度與△H1的4 個高度的平均值之間的高度差?；炷罤2的平均高度是L 型儀水平部分的高度與△H2的3個高度的平均值之間的高度差。

圖3 L型流動度試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic Diagram of L-Box Test Device （mm）

3 結(jié)果討論與分析

不同粉煤灰摻量自密實混凝土的J型環(huán)間隙通過性結(jié)果如表3所示。

表3 J型環(huán)試驗結(jié)果Tab.3 Results of J-Ring Tests （mm）

基于上述數(shù)據(jù)，可以計算出評價自密實混凝土的J型環(huán)間隙通過性指標PJ，具體計算如式⑴所示：

其中，△Hx1、△Hx2、△Hy1和△Hy2分別是x、y方向上混凝土頂部到J 型環(huán)外頂部的4 個高度差（mm）；△H0是中心位置混凝土頂部到J型環(huán)內(nèi)頂部的高度差（mm）。PJ 的物理意義是J 型環(huán)內(nèi)外障礙高度差。PJ 的數(shù)值越小，代表J型環(huán)內(nèi)外新拌混凝土的高度越接近，新拌混凝土的間隙通過性越好，反之則越差。不同組別的J 型環(huán)間隙通過性如圖4 所示，可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，自密實混凝土的J 型環(huán)間隙通過性呈先降低后增加的趨勢發(fā)展。當粉煤灰摻量達到30%以上時，自密實混凝土的J型環(huán)間隙通過性優(yōu)于對照組。這說明粉煤灰超過一定含量會改善自密實混凝土的間隙通過性能［10］。

圖4 J型環(huán)試驗結(jié)果Fig.4 Result of J-Ring Tests

不同粉煤灰摻量自密實混凝土的L 型儀間隙通過性結(jié)果如表4所示。

表4 L型儀試驗結(jié)果Tab.4 Results of L-Box Tests （mm）

同樣地，自密實混凝土的L型儀間隙通過性PL可以通過式⑵計算出來：

L型儀通過率（PL）=△Y/△X⑵

其中，△Y為L型儀垂直部分（Y方向）的混凝土的平均深度（mm）；△X為L 型儀水平段末端（X方向）混凝土的平均深度（mm）。PL 表示L 型儀混凝土通過率，PL的數(shù)值越大，表示新拌混凝土穿越鋼筋的能力越好，反之則越差。不同組別的間L 型儀間隙通過性如圖5所示，可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，自密實混凝土的L 型儀間隙通過性呈先增加后降低的趨勢發(fā)展?？偟膩碚f，摻入粉煤灰后，自密實混凝土的間隙通過性都有所改善。這是因為粉煤灰的球形顆粒形狀，減少了顆粒之間以及漿體與鋼筋之間的摩擦力［11］，有效改善自密實混凝土的間隙通過性［12］。當粉煤灰摻量達到20%時，自密實混凝土的L 型儀間隙通過性達到最佳。

圖5 L型流動度試驗結(jié)果Fig.5 Result of L-Box Tests

4 結(jié)論

本研究采用粉煤灰等體積替代自密實混凝土中的水泥，開展了一系列自密實混凝土工作性能的試驗，通過對試驗結(jié)果分析得知：

⑴粉煤灰具有形態(tài)效應(yīng)，能改變新拌混凝土的需水量和流變性質(zhì)，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)降低粘度。當粉煤灰摻量超過20%時，能顯著改善自密實混凝土的間隙通過性能。

⑵粉煤灰的顆粒形狀為球形，能起到滾珠效應(yīng)，減少顆粒間的摩擦力，有效改善自密實混凝土的間隙通過性。