机制砂自密实混凝土配合比参数研究*

吴定略 曹亮宏 朱伟胜 卢自立 沈卫国 吉晓莉 叶雍欣

(1.广东省长大公路工程股份有限公司 广州 510620; 2.湖北利民建设工程咨询有限公司 襄阳 441100；3.武汉理工大学材料科学与工程学院 武汉 430070；4.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070；5.武汉理工-加州伯克利混凝土科学与技术联合实验室 武汉 430070)

自密实混凝土出现以来，诸多学者对自密实混凝土配合比设计进行了研究。Brouwers等[1]采用堆积理论，将固体组分作为整体考虑其级配组成，采用改进的Andrease & Andersen PSD模型研究了不同细度的砂对混凝土性能的影响，并形成了一种新的设计理念；WU Q.等[2]提出了一种基于水泥净浆流变性能的自密实混凝土配合比设计方法；中国台湾学者SU Nan[3]提出了Packing Factor(PF)的概念，并以PF为基础，设计出了一种简便的低水泥用量中等强度的SCC配合比设计新方法。

目前机制砂在自密实混凝土的应用也取得了较大的成功：SHEN等[4]将抛填骨料工艺应用到自密实混凝土中，从改进施工工艺的角度制备出了高粗集料含量的生态自密实混凝土；周明凯等[5]研究了C50机制砂混凝土在预置T梁中的应用；菅瑞海[6]研究了机制砂高强混凝土的性能。Prakash Nanthagopalan等[7]利用机制砂成功配制出了不同中低强度等级(C25～C60)的自密实混凝土；蒋正武等[8]通过优化混凝土配合比基本参数、复掺外加剂和复掺大掺量矿物掺和料等技术手段，配制出了强度等级达到C50以上的大掺量矿物掺和料机制砂自密实混凝土。

但目前的自密实混凝土配合比设计方法普遍存在胶凝材料用量富余过大的问题，不仅浪费资源还影响混凝土结构的耐久性。本文研究了机制砂配制自密实混凝土时粗集料堆叠率和体积砂率对自密实混凝土工作性和强度的影响，采用文莱胶做流变性改性剂，改善机制砂混凝土抗离析泌水能力，制备了具有良好技术经济性的机制砂自密实混凝土。

1 原材料与试验方法

1.1 试验原料

水泥采用P·O 42.5水泥；粉煤灰(FA)采用一级粉煤灰；天然砂为中粗江砂，其细度模数为2.80，含泥量<1%，表观密度为2 650 kg/m3；机制砂细度模数为3.24，表观密度为2 560 kg/m3，泥块含量<1%，亚甲蓝MB值指标为0.5%；粗集料采用粒级为4.75～9.5 mm和9.5～25 mm的2档碎石，压碎值指标为12.4%，实测表观密度为2 710 kg/m3；减水剂采用SP-CR8聚羧酸高效减水剂，减水率约为28%。采用文莱胶改善机制砂自密实混凝土的泌水和离析。水泥和粉煤灰物理性能分别见表1和表2，化学组成见表3。

表1 水泥物理性能

表2 粉煤灰物理性能

表3 水泥及粉煤灰的化学组成 %

1.2 试验方法

混凝土拌和物性能采用坍落度、坍落扩展度和T5003个指标进行综合评价。坍落度测试参照GB/T 50080-2000 《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》 进行。在进行坍落度测试时，同时测定混凝土拌和物在水平面上两垂直方向的扩展值，并记下提起坍落度筒开始至混凝土拌和物扩散至平均扩展值为500 mm时所需时间T500。7 d，28 d混凝土抗压强度测试参照GB/T 50081-2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》 进行，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。

1.3 试验配比

具体的混凝土配合比方案见表4。

表4 机制砂自密实混凝土配合比

2 试验结果与讨论

2.1 堆叠率和体积砂率对机制砂自密实混凝土工作性能的影响

经验表明，体积砂率宜控制在0.42～0.44，当体积砂率超过0.42时，拌和物会发生堵塞现象，堵塞概率随体积砂率的增加而增加；当砂浆的体积砂率超过0.44时，堵塞概率为100%；虽然体积砂率小于0.42时不会产生堵塞，但浆体量变多从而增加收缩，影响构筑物的长期耐久性能[9]，但粗集料堆叠率为0.5，0.6，0.65下的3组试验结果都表明，在不同堆叠率的情况下，体积砂率超过0.44时仍可以配制出满足工作性能要求的自密实混凝土。当PR=0.65时，拌和物中浆体明显变少，不足以裹覆骨料和携带其运动，特别是当体积砂率超过0.45时，自密实混凝土拌和已经难以满足工作性能的要求，故此时只研究了体积砂率在0.42～0.45范围内的变化。表5给出了PR=0.65时体积砂率对自密实混凝土拌和物工作性能的影响。

表5 PR=0.65时体积砂率对自密实混凝土拌和物工作性能的影响

试验结果表明：3组不同堆叠率的机制砂自密实混凝土拌和物的坍落度和扩展度随体积砂率的变化趋势相同。

图1显示了PR=0.5时，体积砂率对混凝土坍落度和扩展度的影响。

图1 PR=0.5时体积砂率对扩展度和坍落度的影响

由图1可见，在相同堆叠率的情况下，随着体积砂率的升高，坍落度逐渐降低，扩展度呈现先升高后降低的趋势，而且在体积砂率为0.48时出现明显的变化，当低于0.48时，随着体积砂率的升高，坍落度和扩展度随体积砂率的变化相对缓慢，混凝土工作性良好；当体积砂率高于0.48时，随着体积砂率的升高，坍落度和扩展度迅速降低，混凝土的工作性也逐渐变差，影响混凝土成型时的自密实性。这主要是因为，体积砂率超过0.48时，继续升高导致拌和物中浆体体积明显减小，对集料的包裹性逐渐变差，不能运载集料颗粒一起流动，所以坍落度和扩展度减小。

PR=0.5，0.6时体积砂率对T500的影响见图2。

图2 PR=0.5，0.6时体积砂率对T500的影响

由图2可知，各组机制砂自密实混凝土拌和物T500的值均在5～20 s的范围内；堆叠率相同时，随着体积砂率的增大，T500总趋势是先降低后升高；堆叠率对T500达到最小值时对应的体积砂率也有影响，PR=0.5时，T500在体积砂率为0.48时达到最小值，PR=0.6时，T500在体积砂率为0.49时达到最小值。可见，当堆叠率PR≤0.65时，选用合适的体积砂率可以配制出工作性能良好的机制砂自密实混凝土。

2.2 体积砂率对机制砂自密实混凝土强度的影响

PR=0.5，0.6，0.65时，体积砂率对混凝土强度的影响见图3。

图3 PR=0.5，0.6，0.65时，体积砂率对混凝土强度的影响

在相同堆叠率的情况下，随着体积砂率的提高，混凝土强度逐渐降低，这主要是因为在同样堆叠率的情况下，体积砂率的提高导致拌和物中浆体体积变小，对集料的包裹性能变差，拌和物流动时屈服应力增大，导致混凝土工作性能变差，影响了混凝土的自密实性能，成型时混凝土内部缺陷增加，因此强度越来越低。此外，混凝土达到相应工作性能时水粉比(W/P)增加，所需拌和用水量增加，这可能是由于机制砂中石粉含量高，导致混凝土固体颗粒体系总的比表面积增大，需要更多的自由水来润滑体系，这也是混凝土强度随着体积砂率的提高而降低的原因之一。

2.3 机制砂与河砂自密实混凝土堆叠率最大值的比较

试验中发现，当堆叠率超过0.65 时，拌和物中浆体太少，无法运载集料颗粒产生流动，配制出的混凝土达不到自密实的效果。这主要是由于较高的堆叠率意味着较高的粗集料含量，即使在体积砂率达到下临界值0.42时，浆体仍不足以包裹集料颗粒，所以采用该机制砂配制自密实混凝土时，粗集料堆叠率的上限为0.65，表6为PR=0.7时，河砂自密实混凝土工作性能。

表6 PR=0.7时河砂自密实混凝土工作性能

由表6可知，当PR=0.7，体积砂率为0.5，浆体体积更少时，河砂自密实混凝土仍然具有较好的工作性。

可见采用河砂配制自密实混凝土时，粗集料堆叠率的上限值超过机制砂自密实混凝土。这主要是因为机制砂与河砂相比，表面粗糙、棱角多。在相同条件下，机制砂自密实混凝土拌和在流动过程中产生的内摩擦力大于河砂自密实混凝土，所以，当堆叠率相同时，机制砂自密实混凝土的流动性要小于河砂自密实混凝土。此外，机制砂的级配较差，这也是导致机制砂自密实混凝土拌和物的工作性能劣于河砂自密实混凝土的另一因素。当堆叠率和砂率较小时，这种缺陷可由浆体来补足。

3 结论

1) 当粗集料堆叠率PR≤0.65时，采用机制砂可以配制出工作性能和强度都满足要求的自密实混凝土。

2)PR相同时，体积砂率超过0.44时，仍可以配制出满足要求的机制砂自密实混凝土；PR=0.5，0.6时，体积砂率超过0.48时，机制砂自密实混凝土的工作性能明显变差；PR=0.65时，最大体积砂率为0.45。

3) 相同堆叠率的情况下，机制砂自密实混凝土的强度随体积砂率的升高而降低。

4) 利用机制砂配制自密实混凝土时，粗集料堆叠率的最大值为0.65，低于利用河砂配制自密实混凝土时粗集料堆叠率的最大值0.7。