楊 巧，李晟文，王 輝

(1.江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州，225100；2.九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系 江蘇 徐州，221116)

0 引言

自密實(shí)混凝土之所以屬于高性能混凝土行列，是因?yàn)樗哂休^好的流動(dòng)性且為現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)便利[1]。鑒于以上優(yōu)勢(shì)，其被許多的施工單位應(yīng)用到實(shí)際工程中。盡管它的應(yīng)用越來(lái)越廣，但是目前仍沒(méi)有統(tǒng)一的配合比計(jì)算方法，并且由于自身性能原因?qū)υ牧弦蠛芨?，且?duì)不同地區(qū)的原材料有不同的敏感性和適應(yīng)性，故本文結(jié)合江蘇省的實(shí)際情況和環(huán)境進(jìn)行深入地研究和分析，試配出符合江蘇地域材料性能的配合比。

1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用揚(yáng)州的亞?wèn)|牌 P·O 42.5 級(jí)水泥，密度3 000 kg/m3，燒失量4.88%，初凝200 min，終凝255 min，3 d、28 d抗折強(qiáng)度分別為5.5 MPa、8.2 MPa，3 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為27.9 MPa、46.5 MPa.粗骨料采用粒徑5～16 mm連續(xù)級(jí)配的石子，表觀密度為2 720 kg/m3，壓碎值為9.99%.細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.584、Ⅱ級(jí)配區(qū)砂，表觀密度為2 330 kg/m3；粉煤灰采用鎮(zhèn)江的Ⅰ級(jí)灰，細(xì)度6.0%，需水量92%，燒失量1.03%，三氧化硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.61%，表觀密度2 520 kg/m3；S95級(jí)礦粉流動(dòng)度比98%，含水量0.3%，燒失量0.66%，三氧化硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.656%，表觀密度2 860 kg/m3.

本試驗(yàn)選用PCA-9聚羧酸高效減水劑，該減水劑為棕紅色液體。為了確定其減水率，特做了膠砂試驗(yàn)，在PCA-9聚羧酸用量為1.0%時(shí)，減水率為19%.本試驗(yàn)選用揚(yáng)州自來(lái)水。

2 試驗(yàn)方法和配合比選擇

2.1 混凝土性能試驗(yàn)

自密實(shí)混凝土填充性與間隙通過(guò)性性能試驗(yàn)方法按JGJ/T 283-2012規(guī)程進(jìn)行。

2.2 試驗(yàn)配合比及正交試驗(yàn)

試驗(yàn)的基本配合比選用固定砂石體積含量法進(jìn)行設(shè)計(jì)，接著選取影響因素及每個(gè)因素的水平值，最后利用正交試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。

自密實(shí)混凝土配合比參數(shù)為：粗骨料的體積分?jǐn)?shù)0.3；砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù)0.44.粉煤灰18%，礦粉18%，水泥64%；水膠比取0.44，由于減水劑對(duì)混凝土減水效果較水泥有所降低，按照前面試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)取減水率為15%，經(jīng)計(jì)算配合比如表1.

表1 C30混凝土配合比Table 1 C30 concrete mix proportion 單位：kg·m-3

2.2.1試驗(yàn)因素

首先在基本配合比基礎(chǔ)上進(jìn)行了減水劑的四組平行試驗(yàn)。減水劑確定后，選取砂率及水膠比進(jìn)行九組水平試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，擴(kuò)展度隨3個(gè)因素變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1.

表2 3因素平行試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of 3-factor parallel test

圖1 擴(kuò)展度隨減水劑、砂率、水膠比摻入量的變化Fig.1 Extent changes with water reducing agent, sand ratio and water-binder ratio

1)減水劑。減水劑對(duì)于自密實(shí)混凝土性能的重要性是不言而喻的，通過(guò)摻入1.2%，1.0%，0.9%，0.8%減水劑的四組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：摻入量為1.2%時(shí)，其泌水嚴(yán)重；摻入量為0.8%時(shí)，有點(diǎn)粘稠，擴(kuò)展度較??；摻入量為1.0%時(shí)，對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展度最大并且T500(坍落擴(kuò)展度達(dá)到500 mm時(shí)所需要的時(shí)間)為1.44 s，性能均勻不泌水。最終確定摻量為1.0%.見(jiàn)表2。

2)砂率。文獻(xiàn)[2]指出：砂率選取43%～55%時(shí)，對(duì)應(yīng)的自密實(shí)混凝土性能較優(yōu)；假如砂率過(guò)大，無(wú)法保證流動(dòng)性，穩(wěn)定性就較差。通過(guò)平行試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，表2中砂率為50.8%時(shí)，坍落擴(kuò)展度值減小，T500為3.24 s，并且中間骨料堆積嚴(yán)重，誤差棒最大(見(jiàn)圖1)。因此以下正交試驗(yàn)中取44.8%、46.8%和48.8%三個(gè)水平。

3)水膠比。通過(guò)水膠比4組平行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：水膠比在0.4～0.44時(shí)，SCC均勻、不泌水且T500都在2 s之內(nèi)；但是水膠比取0.40時(shí)，垂直兩個(gè)方向塌落擴(kuò)展度相差比較大，從圖1誤差棒范圍可以看出。最終選取水膠比0.44.

4)粉煤灰摻量：試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，粉煤灰可以減少塌落度損失，但是大摻量會(huì)降低其早期強(qiáng)度[2]。高用量粉煤灰的應(yīng)用在國(guó)外已經(jīng)相當(dāng)普遍，但很多國(guó)家都將結(jié)構(gòu)用量限定在30%以內(nèi)[3]。最終，本次試驗(yàn)選取 13%、18%和 23%三個(gè)水平。

5)礦粉摻量。文獻(xiàn)[4]指出拌合物中加入礦粉后不僅能夠彌補(bǔ)強(qiáng)度缺陷，并且會(huì)有許多優(yōu)勢(shì)。由此，礦粉選取 13%、18%和 23%三個(gè)水平。試驗(yàn)因素及水平見(jiàn)表3.

表3 因素水平表Table 3 Factor level table

2.2.2考核指標(biāo)

拌合物的填充性性能采用坍落擴(kuò)展度、T500和中邊差指標(biāo)來(lái)測(cè)試，間隙通過(guò)性性能采用PA值及中邊差指標(biāo)衡量。坍落擴(kuò)展度(SF1、SF2)、T500(VS1、VS2)、坍落擴(kuò)展度與J環(huán)擴(kuò)展度差值(PA1、PA2)技術(shù)指標(biāo)按照J(rèn)GJ/T 283-2012規(guī)程附錄A執(zhí)行。中邊差主要反應(yīng)粗骨料在細(xì)骨料中的綜合性能，其值小則說(shuō)明兩者能夠均勻的拌合在一起，2 cm以內(nèi)是最好的[5-6]。

2.3 正交表

L9(34)如表4所示，九組拌合物性能皆為均勻，不泌水。A2、A8、A9的試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖2.表5為極差分析的結(jié)果。影響趨勢(shì)見(jiàn)圖3.

表4 試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 4 Test scheme and results

圖2 A2、A8、A9的坍落擴(kuò)展度與J環(huán)擴(kuò)展度Fig.2 Collapse extent and J-Ring extent of A2, A8 and A9

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析Table 5 Orthogonal test range analysis

(a)坍落擴(kuò)展度

(b)T500

(c)坍-中邊差

(d)PA

(e)J-中邊差

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 各因素對(duì)坍落擴(kuò)展度的影響

坍落擴(kuò)展度反應(yīng)了拌合物的流動(dòng)性和填充性，數(shù)值越大代表其性能越好。由表5顯示，各要素對(duì)其影響顯著性排序由大到小依次為：粉煤灰摻量，砂率，礦粉摻量。由圖3(a)可見(jiàn)，坍落擴(kuò)展度隨著砂率的增大而減小，這種現(xiàn)象是因?yàn)槠渲底兇髸?huì)導(dǎo)致骨料表面積的增大，而這時(shí)在骨料周?chē)饾?rùn)滑作用的漿體層變薄，因此流動(dòng)性就降低[7]。而隨著其他兩個(gè)因素的增加而變大，但是當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，這種影響效應(yīng)就會(huì)減緩。效應(yīng)減緩是由于粉煤灰的體積要比水泥大30%，當(dāng)其用量比例過(guò)大，漿體體積就會(huì)大幅度增加，這就使?jié){體與固體顆粒更好地融合在了一起，從而使拌合物的粘聚性變得更好，因此抵消了其潤(rùn)滑作用，使流動(dòng)性減少[8]。

2.4.2 各因素對(duì)T500流動(dòng)時(shí)間的影響

T500同樣反應(yīng)了其流動(dòng)性和填充性，性能好對(duì)應(yīng)的值就小。由表5可知，各成分對(duì)T500的影響排序由大到小依次為：粉煤灰摻量，礦粉摻量，砂率。從圖3(b)可知，T500隨著粉煤灰摻量、礦粉摻量、砂率值增大先減少后變大。當(dāng)砂率、粉煤灰、礦粉增加到一定程度，會(huì)容易造成離析，因而其值在合適范圍內(nèi)，才能發(fā)揮最佳優(yōu)勢(shì)。由表4可知本次九組試驗(yàn)，T500均小于2 s，達(dá)到VS2級(jí)要求。

2.4.3 各因素對(duì)中邊差的影響

中邊差主要反應(yīng)了粗細(xì)骨料的均勻混合能力，其值越小兩者混合越均勻。由表5可以看出，在有阻力或無(wú)阻力的情況下，各因素對(duì)坍-中邊差、J-中邊差影響排序由大到小均為：粉煤灰摻量，砂率，礦粉摻量。從圖3(c)、圖3(e)可見(jiàn)，隨著粉煤灰用量比例的增加，中邊差顯著減少，可見(jiàn)粉煤灰的潤(rùn)滑作用，可以將石子均勻帶著流動(dòng)，使抗分離能力提高。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有阻力出現(xiàn)時(shí)，這種效應(yīng)能力減弱。

2.4.4 各因素對(duì)PA的影響

PA反應(yīng)了間隙通過(guò)性，對(duì)應(yīng)的數(shù)值越大表示其性能越差。由表5得知各成分對(duì)間隙通過(guò)性的影響排序由大到小依次為：砂率，粉煤灰摻量，礦粉摻量。從圖3(d)中可以發(fā)現(xiàn)，砂率增加對(duì)間隙通過(guò)性是一個(gè)先減弱后增強(qiáng)的過(guò)程，這是由于砂率越大，粗骨料所占比重越少，J環(huán)對(duì)其阻礙效果越不明顯。而隨著粉煤灰用量比例的增大，其間隙通過(guò)能力越強(qiáng)，這是由于它的微粒呈球狀光滑而致密，因此它的摻入可減少內(nèi)摩阻力。

綜上所述，得到四組可能的最優(yōu)配合比，A1B2C2，A2B2C2，A3B3C1，A3B3C2，按照綜合平衡比較，砂率對(duì)PA是最主要的影響因素，其選擇A3，砂率對(duì)擴(kuò)展度也是重要影響因素，而擴(kuò)展度選擇A1，故因素水平砂率A1與A3通過(guò)試驗(yàn)確定，粉煤灰摻量B是最敏感因素，因此因素水平粉煤灰摻量B2與B3亦通過(guò)試驗(yàn)確定，由于礦粉C是最不敏感因素，并且四組中有3組C2，因此礦粉選擇C2.最終得到A1B2C2、A3B2C2、A1B3C2、A3B3C2四組最優(yōu)配合比。其中A1B2C2、A3B3C2對(duì)應(yīng)正交試驗(yàn)第2組與第9組試驗(yàn)，只需驗(yàn)證A3B2C2、A1B3C2兩組試驗(yàn)。最后結(jié)果顯示，A3B2C2達(dá)到最優(yōu)，對(duì)應(yīng)指標(biāo)見(jiàn)表6.

表6 新拌混凝土性能測(cè)試結(jié)果Table 6 Performance test results of fresh concrete

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：

1)減水劑是影響拌合物擴(kuò)展度最敏感因素，通過(guò)平行試驗(yàn)可以首先確定其最佳摻入比例，接著選取合理的砂率范圍，這樣會(huì)減少正交表因素，在小范圍內(nèi)選取最優(yōu)。

2)粉煤灰用量比例是影響拌合物坍落擴(kuò)展度、T500、中邊差的最重要因素，而砂率是影響PA的最主要因素，礦粉對(duì)其拌合物的性能影響最不敏感。

3)隨著粉煤灰用量比例增加，拌合物流動(dòng)性呈現(xiàn)先增加后減弱的趨勢(shì)，但是間隙通過(guò)性逐漸增強(qiáng)。當(dāng)每立方米膠凝總量為407 kg時(shí)，隨著砂率增大，其流動(dòng)與填充性變差，而砂率取值48.8%時(shí)，間隙通過(guò)性達(dá)到最好，最后驗(yàn)證，粉煤灰及礦粉摻量均為18%，砂率為48.8%時(shí)，其綜合基本工作性能最優(yōu)。

4)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)自密實(shí)混凝土基本性能對(duì)水泥的物理化學(xué)特性及存儲(chǔ)時(shí)間特別敏感，今后仍需深入探討。