馬昆林，莫文波，徐占軍，張威振，于連山，謝清泉，龍廣成

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；2.湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙，410075；3.中鐵二十一局集團(tuán)第六工程有限公司，北京，101111)

自密實(shí)混凝土(self-compacting concrete,SCC)是一種不需外界振搗僅依靠自身重力就能流動(dòng)且均勻密實(shí)的混凝土[1]。由于SCC具有高流動(dòng)性的特點(diǎn)，常用于填充形狀復(fù)雜、鋼筋網(wǎng)密集和難以振搗的結(jié)構(gòu)，如目前我國(guó)高鐵的CRTSⅢ型板式軌道結(jié)構(gòu)中，就是采用SCC 作為充填層結(jié)構(gòu)材料[2-3]。SCC 配合比設(shè)計(jì)中膠凝材料用量大，礦物摻合料和減水劑摻量大，砂率大，粗骨料體積分?jǐn)?shù)小[4]。實(shí)踐表明，SCC中砂子用量通常不少于800 kg/m3，但由于砂子來(lái)源不穩(wěn)定，顆粒級(jí)配和粒徑分布多變，在施工過(guò)程中出現(xiàn)的離析、泌水以及坍損等工作性不穩(wěn)定問(wèn)題都與砂子的性能密切相關(guān)，因此，掌握砂子相關(guān)參數(shù)變化對(duì)SCC 工作性影響及控制SCC 的施工穩(wěn)定性、確保施工質(zhì)量具有重要的意義。細(xì)度和級(jí)配是砂子的重要性能指標(biāo)，對(duì)混凝土性能有重要影響。砂細(xì)度模數(shù)小，混凝土黏聚性較好，但流動(dòng)性小，在流動(dòng)性相同時(shí)混凝土拌合物需水量增大[5]。砂細(xì)度模數(shù)大，混凝土黏聚性較差，漿體對(duì)粗骨料的包裹性降低，混凝土離析風(fēng)險(xiǎn)增大[6-7]。ALI[8]制備了不同細(xì)度模數(shù)河砂的SCC，發(fā)現(xiàn)隨細(xì)度模數(shù)增加，高強(qiáng)和普通SCC的流動(dòng)性能、通過(guò)性能和抗離析性能均降低。邢福燕等[9]采用不同細(xì)度模數(shù)和級(jí)配的砂制備了混凝土，發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)骨料級(jí)配集中于某一粒級(jí)或兩相鄰粒級(jí)或出現(xiàn)間斷級(jí)配時(shí)，對(duì)混凝土的工作性將產(chǎn)生明顯影響。ZHANG等[10]采用砂比表面積表征砂級(jí)配，研究了砂級(jí)配和砂率對(duì)SCC 凈漿流變閾值的影響，根據(jù)WU等[11]的研究，提出了基于砂級(jí)配和不同砂率雙因素凈漿流變閾值預(yù)測(cè)公式?；炷林芯鶆蚍植嫉奈⑿馀菥哂袧L珠軸承效應(yīng)，不僅可以減小顆粒間摩擦力，提高流動(dòng)性，而且能增大漿體體積，提高漿體黏度，有利于提高混凝土穩(wěn)定性[12-14]。砂的級(jí)配和細(xì)度模數(shù)對(duì)SCC 含氣量也有較大影響?；炷林泻瑲鉅顟B(tài)也受混凝土自身工作性能的影響，混凝土黏度大有利于氣泡的均勻分散，不容易形成大氣泡而破裂，若流動(dòng)性大，則氣泡易聚結(jié)且破裂的可能性增大[15-16]。KOSTRZANOWSKA-SIEDLARZ 等[17]建立了描述SCC 擴(kuò)展度和擴(kuò)展時(shí)間對(duì)殘留含氣量影響的回歸模型。李煒等[18]采用人工配制的不同級(jí)配河砂制備普通混凝土，發(fā)現(xiàn)0.30 mm以下粒徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)含氣量影響較大。

目前，人們主要針對(duì)細(xì)度模數(shù)和砂率等對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響進(jìn)行了研究，實(shí)際上，砂子級(jí)配、細(xì)度以及顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)對(duì)SCC 穩(wěn)定性有重要影響。為此，本文作者基于等效砂漿原理[19-20]，研究河砂的細(xì)度、級(jí)配、0.60 mm以下粒徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和砂率對(duì)SCC 等效砂漿經(jīng)時(shí)擴(kuò)展度、含氣量和表面質(zhì)量的影響，以期為制備高穩(wěn)定性SCC提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合設(shè)計(jì)

1.1.1 原材料

1)水泥(cement，簡(jiǎn)稱(chēng)C)，為中聯(lián)水泥有限公司出品的P·I 42.5 水泥，符合GB-175 標(biāo)準(zhǔn)，其化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)如表1所示。

表1 水泥的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)Table1 Chemical and physical properties of cement

2)河砂(sand，簡(jiǎn)稱(chēng)S)，為湖南省汨羅江河砂，河砂基本物理性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 天然河砂主要性能指標(biāo)Table 2 Main performance indexes of natural river sand

3)水(water，簡(jiǎn)稱(chēng)W)，為試驗(yàn)拌合用水(自來(lái)水)。

4)外加劑， 為聚羧酸高性能減水劑(polycarboxylate superplasticizer，簡(jiǎn)稱(chēng)SP)，固含量為33.5%。

1.1.2 配合比設(shè)計(jì)

1)等效砂漿原理。本文采用等效砂漿法(concrete-equivalent mortar，簡(jiǎn)稱(chēng)CEM)進(jìn)行試驗(yàn)。該原理是采用一定量的砂取代混凝土中的粗骨料，取代用砂的表面積與配比中粗骨料表面積相等[19]。設(shè)計(jì)配合比時(shí)，將河砂篩分，取該粒級(jí)上下兩篩孔孔徑平均值作為砂的直徑，計(jì)算本粒級(jí)砂的表面積，將各粒級(jí)表面積相加得到砂的總表面積，最后根據(jù)總表面積相等的原則，將配比中粗骨料替換為砂。計(jì)算單個(gè)砂粒表面積時(shí)，將顆粒簡(jiǎn)化為球形。

2)配合比設(shè)計(jì)。SCC原始配合比是膠凝材料、砂、粗骨料、水質(zhì)量比，為1∶1.54∶1.54∶0.33，除粗骨料被一定量的細(xì)骨料替代外，SCC 等效砂漿配合比與SCC 原始配比相同，等效砂漿中細(xì)骨料用量采用原混凝土配比中的砂率表示。

方案1 中，減水劑用量為膠凝材料質(zhì)量的0.8%；方案2和方案3中，減水劑用量為0.7%。其中，粗骨料被等效量的砂替代，其余組分比例不變。

方案1研究砂子細(xì)度模數(shù)對(duì)SCC工作性能的影響，配制細(xì)度模數(shù)分別為3.19，2.90，2.62，2.35和2.11 的砂。根據(jù)GB/T 14684—2011“建設(shè)用砂”，配制的砂級(jí)配均處于Ⅱ區(qū)砂上、下限之間，砂級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖1，砂各粒級(jí)顆粒篩余百分率見(jiàn)表3。表4所示為SCC 等效砂漿配合比，砂率均為50%。

表4 不同細(xì)度模數(shù)砂等效砂漿配合比Table 4 Equivalent mortar mix ratio with different fineness modulus sand %

圖1 不同細(xì)度模數(shù)砂累計(jì)篩余曲線(xiàn)Fig.1 Grading curves of sand with different fineness modulus

表3 不同細(xì)度模數(shù)砂分計(jì)篩余百分率Table 3 Different fineness modulus sand Percentage retained %

方案2研究砂子級(jí)配對(duì)SCC等效砂漿工作性能的影響，制備6組不同級(jí)配的砂進(jìn)行試驗(yàn)。圖2所示為不同級(jí)配砂的級(jí)配曲線(xiàn)，其中，EMS2，EMS3，EMS4，EMS5 組用砂0.60 mm 以上粒徑顆粒級(jí)配完全相同，而在(0,0.60]mm 范圍內(nèi)各粒級(jí)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同。EMS1 和EMS6 以及另外4 組用砂各粒級(jí)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不相同。表5所示為EMS1，EMS2，…，EMS6組用砂的分計(jì)篩余百分率，表6所示為不同級(jí)配砂等效砂漿的配合比，砂率均為50%。

表5 不同級(jí)配砂分計(jì)篩余百分率Table 5 Residual percentage of sieve for different grades of sand distribution

表6 不同級(jí)配砂等效砂漿配合比Table 6 Equivalent mortar mix ratio of different grades of sand %

圖2 不同級(jí)配砂累計(jì)篩余曲線(xiàn)Fig.2 Grading curves of different grading sand

方案3研究砂率對(duì)SCC等效砂漿的影響，分別采用細(xì)度模數(shù)為2.90 和2.35 的砂(EM2 組和EM4組)，用不同的砂率制備等效砂漿，這2 種砂的級(jí)配曲線(xiàn)如圖1所示，表7所示為不同砂率等效砂漿配合比。

表7 不同砂率等效砂漿配合比Table 7 Equivalent mortar mix ratio of different sand ratios

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 砂漿擴(kuò)展度試驗(yàn)

按照GB/T 7671制備砂漿拌合物，砂漿擴(kuò)展度測(cè)試參照J(rèn)GJ/T 70“建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行。

1.2.2 砂漿含氣量試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用內(nèi)徑為7.35 cm，容積V為350 mL的圓柱形容器，空罐質(zhì)量為G0。試驗(yàn)時(shí)，將砂漿勻速緩緩傾倒入容器中，砂漿在容器中逐漸上升，最后利用刮刀將多余砂漿刮平，稱(chēng)質(zhì)量，記錄砂漿質(zhì)量G，砂漿實(shí)測(cè)密度計(jì)算式為

將砂漿實(shí)測(cè)密度ρ與根據(jù)各組分表觀密度和配比計(jì)算的砂漿理論表觀密度ρ0相比，可得到砂漿中含氣量q。含氣量計(jì)算式為

1.2.3 砂漿表面質(zhì)量試驗(yàn)

試驗(yàn)前，將寬為120 mm的亞克力板作為上蓋板，固定于長(zhǎng)×寬×高為40 mm×40 mm×160 mm 的三聯(lián)模上方，預(yù)留注漿口長(zhǎng)×寬為40 mm×30 mm，出漿(排氣)口長(zhǎng)×寬為40 mm×10 mm。試驗(yàn)時(shí)，將砂漿從注漿口緩緩勻速注入，如圖3所示。室內(nèi)養(yǎng)護(hù)1 d 后，揭開(kāi)蓋板，用高清數(shù)碼相機(jī)拍照，采用Image-pro plus 軟件對(duì)揭板表面的氣泡形態(tài)和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析等效砂漿的表面質(zhì)量。

圖3 等效砂漿上表面質(zhì)量試驗(yàn)Fig.3 Upper surface quality test of equivalent mortar

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 細(xì)度模數(shù)的影響

圖4所示為不同細(xì)度砂子SCC 等效砂漿靜置5 min 和90 min 的擴(kuò)展度。由圖4 可知：當(dāng)砂率相同時(shí)，隨細(xì)度模數(shù)降低，砂漿黏度增加，擴(kuò)展度減小。對(duì)比圖4(a)和圖4(e)可知：EM1組砂漿靜置5 min和90 min時(shí)，擴(kuò)展度分別為300 mm和295 mm，均發(fā)生離析泌水現(xiàn)象；EM5組5 min和90 min時(shí)的擴(kuò)展度分別為270 mm 和245 mm，砂漿黏聚性好，流動(dòng)性降低。這表明采用細(xì)砂配制砂漿黏聚性較好，但流動(dòng)性降低且擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)下降值增大。

圖4 不同細(xì)度砂等效砂漿擴(kuò)展度Fig.4 Slump flow of equivalent mortar with different fineness sand

圖5所示為不同細(xì)度砂制備等效砂漿的擴(kuò)展度隨時(shí)間的變化。由圖5可知：隨著砂子細(xì)度模數(shù)減小，砂漿5 min擴(kuò)展度降低；隨靜置時(shí)間增加，各組砂漿擴(kuò)展度均降低，且靜置90 min 時(shí)，擴(kuò)展度下降值隨砂子細(xì)度模數(shù)減小而增加，EM1，EM2，…，EM5 組砂漿靜置90 min 時(shí)，擴(kuò)展度依次下降了5，5，5，15和25 mm，這是因?yàn)樯凹?xì)度模數(shù)減小，細(xì)顆粒增多，含泥量增加。圖6所示為等效砂漿擴(kuò)展度隨細(xì)度變化的擬合曲線(xiàn)。由圖6可知：隨細(xì)度模數(shù)增加，砂漿的擴(kuò)展度呈指數(shù)趨勢(shì)增加，且擬合優(yōu)度R2均在0.96以上，相關(guān)性良好。

圖5 砂漿擴(kuò)展度隨時(shí)間的變化Fig.5 Change of slump flow of mortar with time

圖6 砂漿擴(kuò)展度與細(xì)度模數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between mortar slump flow and fineness

對(duì)等效砂漿的容重進(jìn)行歸一化處理，再利用式(2)計(jì)算等效砂漿含氣量。圖7所示為不同細(xì)度模數(shù)砂漿含氣量及隨時(shí)間的變化。由圖7可知：隨靜置時(shí)間增加，各組砂漿含氣量均降低，且EM1 和EM2 組含氣量均顯著比EM3，EM4 和EM5 組的低。這是因?yàn)镋M1 和EM2 組砂子細(xì)度模數(shù)較大，且在靜置過(guò)程中出現(xiàn)了離析泌水，氣泡難以在砂漿中穩(wěn)定保持。而當(dāng)砂細(xì)度模數(shù)較小時(shí)，砂漿狀態(tài)較黏稠，體系中氣泡容易保持相對(duì)穩(wěn)定。靜置90 min 時(shí)，EM1 和EM2 組砂漿含氣量分別下降了1.6%和2.2%，而EM3，EM4和EM5組砂漿相對(duì)含氣量隨時(shí)間的延長(zhǎng)分別下降了1.0%，1.3%和1.0%，表明當(dāng)細(xì)度模數(shù)較大時(shí)，等效砂漿含氣狀態(tài)較不穩(wěn)定，對(duì)SCC穩(wěn)定性有較大影響。

圖7 砂漿含氣量隨時(shí)間的變化Fig.7 Change of sircontent of mortar with time

2.2 細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.2.1 細(xì)骨料級(jí)配變化

圖8所示為砂的顆粒級(jí)配對(duì)等效砂漿擴(kuò)展度的影響。各組用砂級(jí)配曲線(xiàn)和分計(jì)篩余百分率分別見(jiàn)圖2和表6。由圖8可知：EMS1和EMS2組在粒徑為(0,0.60]mm 時(shí)顆粒級(jí)配相近，粒徑在 0.60 mm 以上時(shí)顆粒級(jí)配相差較大，但EMS1和EMS2靜置5 min的擴(kuò)展度分別為290 mm和295 mm；靜置90 min時(shí)，擴(kuò)展度均降低了25 mm，流動(dòng)性差異不顯著。EMS2和EMS4組在粒徑為(0,0.60]mm時(shí)級(jí)配不同，而粒徑在0.60 mm 以上時(shí)顆粒級(jí)配相同，EMS2和EMS4組的5 min擴(kuò)展度分別為295 mm和280 mm，靜置90 min時(shí)，擴(kuò)展度分別降低了25 mm和35 mm，差異較顯著。對(duì)比EMS2，EMS4 和EMS6 組，粒徑為(0,0.60]mm 時(shí)顆?？傎|(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，但粒徑為(0,0.30]mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，在此條件下，砂漿靜置 5 min時(shí)擴(kuò)展度降低；靜置90 min時(shí)，擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)下降值增加。

圖8 砂的顆粒級(jí)配對(duì)等效砂漿擴(kuò)展度的影響Fig.8 Effect of grain size distribution on equivalent mortar slump flow

圖9所示為砂的顆粒對(duì)等效砂漿含氣量的影響。由圖9 可知：EMS1 和EMS2 組靜置5 min 時(shí)，含氣量分別為18.6%和19.3%，靜置90 min時(shí)，含氣量分別降低了0.74%和0.34%，含氣量及其經(jīng)時(shí)下降值較低。EMS4 組和EMS6 組靜置5 min 時(shí)，含氣量分別為21.0%和21.6%，靜置90 min時(shí)，含氣量分別降低了2.3%和1.6%，含氣量及其經(jīng)時(shí)下降值顯著增加。EMS1，EMS2，EMS4 和EMS6 組在粒徑為(0,0.60]mm 的顆?？傎|(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，粒徑為(0,0.30]mm 的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次增加，靜置5 min時(shí)，含氣量依次增加。

圖9 砂的顆粒級(jí)配對(duì)等效砂漿含氣量的影響Fig.9 Effect of grain size distribution on air content of equivalent mortar

圖8和圖9表明：河砂中在粒徑為(0,0.60]mm時(shí)，細(xì)粒部分級(jí)配對(duì)砂漿流動(dòng)性和含氣量有重要影響，粒徑為0.60 mm以上的顆粒級(jí)配對(duì)砂漿性能和含氣量的影響較小。

2.2.2 0.6 mm粒徑以下細(xì)粒級(jí)配變化

圖10所示為是砂級(jí)配中細(xì)顆粒對(duì)等效砂漿擴(kuò)展度的影響，EMS1，EMS2，…，EMS6 組的(0,0.60]mm粒徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變。

圖10 砂級(jí)配中細(xì)顆粒對(duì)等效砂漿擴(kuò)展度的影響Fig.10 Effect of fine particles in sand grading on equivalent mortar slump flow

由圖10可知：隨河砂(0,0.30]mm粒徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，砂漿靜置5 min時(shí)擴(kuò)展度降低，靜置90 min 時(shí)擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)下降值增加；相比EMS2 組，EMS3 組中(0.15,0.30]mm 的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了10%，靜置5 min 和90 min 時(shí)擴(kuò)展度都降低；EMS3和EMS4組砂粒徑在0.3 mm以下時(shí)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，均為19%，且EMS3 中不含粒徑在0.15 mm 以下顆粒，但EMS4 組中含有5%粒徑小于0.15 mm 的細(xì)顆粒；EMS3 組和EMS4 組靜置5 min 時(shí)，擴(kuò)展度分別為285 mm 和280 mm，但靜置90 min 時(shí)，擴(kuò)展度分別為255 mm 和245 mm，擴(kuò)展度分別降低10.5% 和12.5%；相比EMS1，EMS2 和EMS3 這3 組，EMS4，EMS5 和EMS6 組顆粒級(jí)配中增加了粒徑在0.15 mm以下顆粒，靜置5 min 時(shí)，擴(kuò)展度均較顯著降低，靜置90 min 時(shí)，擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)下降值顯著增加；EMS5 和EMS6 組砂漿靜置5 min時(shí)，擴(kuò)展度分別為270 mm和250 mm，而靜置90 min 時(shí)，擴(kuò)展度分別為215 mm 和185 mm，擴(kuò)展度分別降低20.4%和26.0%。這說(shuō)明砂子中0.30 mm 以下粒徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及0.15 mm以下和(0.15,0.30]mm顆粒之間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例對(duì)等效砂漿的流動(dòng)性有重要影響，且相比粒徑為(0.15,0.30]mm 顆粒，0.15 mm 以下粒徑顆粒的影響作用更大。

相比EMS1 組，EMS2 組(0.15,0.30]mm 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加1%，但擴(kuò)展度增大。這是因?yàn)镋MS1 組砂漿中，(0.30,1.18]mm 顆粒質(zhì)量占總量的77%，級(jí)配顆粒較為集中導(dǎo)致顆粒間摩擦力增加，且不含0.15 mm粒徑以下細(xì)粉，最終導(dǎo)致漿體流動(dòng)性略下降。這表明調(diào)整0.30 mm以上粒徑級(jí)配對(duì)砂漿性能的提高不顯著。

圖11所示為砂級(jí)配中細(xì)顆粒對(duì)等效砂漿含氣量的影響。由圖11可知：隨(0,0.30]mm粒徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，砂漿含氣量增加，靜置90 min時(shí)，含氣量經(jīng)時(shí)下降值整體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；相比EMS1，EMS2 和EMS3 這3 組，EMS4，EMS5 和EMS6 這3 組砂級(jí)配中增加了0.15 mm 粒徑以下細(xì)顆粒，靜置5 min時(shí)，含氣量增加，靜置90 min 后，含氣量損失也顯著增加。EMS3 和EMS4 組(0,0.30]mm 粒徑顆?？傎|(zhì)量分?jǐn)?shù)均為19%，且EMS3 中不含0.15 mm 以下顆粒，但EMS4 組中含有5%粒徑在0.15 mm 以下細(xì)顆粒。試驗(yàn)表明，EMS3和EMS4組靜置5 min時(shí)，含氣量分別為20.1%和21.0%，靜置90 min時(shí)，含氣量分別降低了1.0%和2.3%。EMS4靜置5 min和90 min時(shí)相對(duì)含氣量及損失均顯著比EMS3組的高，這是因?yàn)殡S細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，等效砂漿黏度增加，初始含氣量增加，但砂漿黏度仍較低，僅能減緩氣泡逸出，導(dǎo)致靜置90 min 后含氣量損失顯著增加。而隨著(0,0.30]mm 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，相比EMS3 和EMS4 組，EMS5 和EMS6 含氣量增加，但增加速率減緩，且含氣量經(jīng)時(shí)下降值逐漸降低，EMS5 和EMS6 的含氣量分別為21.3%和21.7%。靜置90 min 時(shí)，含氣量分別下降了1.9%和1.6%，這是因?yàn)樯皾{黏度進(jìn)一步提高，氣泡不易上浮、聚結(jié)和破裂。

圖11 砂級(jí)配中細(xì)顆粒對(duì)等效砂漿含氣量的影響Fig.11 Effect of fine particles in sand grading on air content of equivalent mortar

由圖11 還可知：EMS1，EMS2 和EMS3 組靜置30 min 時(shí)的含氣量下降值與靜置90 min 的含氣下降值比值分別為0.84，0.21 和0.75，相比EMS1組，EMS2 和EMS3 組含氣量經(jīng)時(shí)下降速度降低。相比EMS3 組，EMS4 和EMS5 組增加了(0,0.15]mm 粒徑以下細(xì)顆粒，等效砂漿黏度增加，靜置30 min 時(shí)的含氣量下降值與靜置90 min 的含氣量下降值比值分別為0.55和0.64，含氣量經(jīng)時(shí)下降值減緩效果更加顯著。試驗(yàn)表明，增加細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于增加初始含氣量，減緩等效砂漿經(jīng)時(shí)下降值。

2.2.3 減水劑的影響

圖12所示為EMS1，EMS2，…，EMS6 組和EM1，EM2，…，EM5 組砂子(0,0.30]mm 粒徑顆粒表面積與擴(kuò)展度和擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)下降值的關(guān)系，EMS 和EM 組減水劑用量分別為膠凝材料用量的0.7% 和0.8%。由圖12(a)可知：隨著粒徑為(0,0.30]mm的細(xì)顆粒表面積逐漸增加，EMS組和EM 組的擴(kuò)展度均降低，EMS1 與EMS6 的擴(kuò)展度差值為45 mm，EM1與EM5組擴(kuò)展度差值為30 mm，EMS組的擴(kuò)展度差值顯著比EM組的高，曲線(xiàn)的擬合優(yōu)度R2均在0.90 以上，相關(guān)性較好。由圖12(b)可知：隨著粒徑為(0,0.30]mm 細(xì)顆粒表面積逐漸增加，EMS 和EM 組的擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)下降值均增加，且擬合曲線(xiàn)斜率也增大，EMS6與EMS1組擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)下降值差值為40 mm，EM5組與EM1組擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)下降值的差值為20 mm，EMS 組的擴(kuò)展度差值仍顯著比ES 組的高。曲線(xiàn)的擬合優(yōu)度R2均在0.90以上，相關(guān)性較好。這表明適當(dāng)增加減水劑用量可在一定程度上降低細(xì)骨料級(jí)配對(duì)SCC 等效砂漿擴(kuò)展度及其經(jīng)時(shí)下降值的影響。

圖12 (0,0.30]mm細(xì)顆粒表面積與砂漿流動(dòng)性能的關(guān)系Fig.12 Relationship between sand fine particles(0,0.30]mm surface area and fluidity

圖13所示為EMS1，EMS2，…，EMS6 組和EM1，EM2，…，EM5 組砂子(0,0.30]mm 細(xì)顆粒表面積與相對(duì)含氣量和含氣量經(jīng)時(shí)下降值擬合曲線(xiàn)。從圖13(a)可知：隨著粒徑為(0,0.30]mm細(xì)顆粒表面積增加，EM和EMS組等效砂漿含氣量均增加，且擬合曲線(xiàn)逐漸趨于平緩，EM1 與EM5 組含氣量差值為4.8%，EMS1與EMS6的含氣量差值為3.0%，EM 組的含氣量差值比EMS 組的略高。曲線(xiàn)的擬合優(yōu)度R2均較高，相關(guān)性較好。由圖13(b)可知：隨著粒徑為(0,0.30]mm 細(xì)顆粒表面積逐漸增加，EMS和EM組含氣量經(jīng)時(shí)下降值均先增加至閾值后降低，且損失閾值較相近，曲線(xiàn)的擬合優(yōu)度R2均較高，相關(guān)性較好。這表明減水劑用量增加會(huì)使得等效砂漿在細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)提前達(dá)到含氣經(jīng)時(shí)下降閾值。

圖13 (0,0.30]mm細(xì)顆粒表面積與含氣量的關(guān)系Fig.13 Relationship between fine particles(0,0.30]mm surface area and air content

2.3 砂率的影響

2.3.1 細(xì)度模數(shù)大時(shí)的等效砂漿擴(kuò)展度

當(dāng)砂細(xì)度模數(shù)為2.90 時(shí)，不同砂率等效砂漿的經(jīng)時(shí)擴(kuò)展度見(jiàn)圖14(a)。由圖14(a)可知：隨砂率增加，各組砂漿靜置5 min 時(shí)，擴(kuò)展度逐漸降低，靜置90 min 時(shí)擴(kuò)展度下降值增加，砂率為48%，50%，52%和54%的等效砂漿靜置90 min時(shí)的擴(kuò)展度分別下降了5，5，30 和25 mm，表明采用細(xì)度模數(shù)大的砂時(shí)，通過(guò)提高砂率可在一定程度上調(diào)控等效砂漿的工作性能。砂率增加，砂漿中細(xì)骨料顆粒增加，膠凝材料用量不變，包裹骨料顆粒的凈漿減少，顆粒間摩擦阻力增加，且砂級(jí)配中細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，漿體黏性增加，這2種因素共同作用導(dǎo)致砂漿流動(dòng)性減小。靜置不同時(shí)間時(shí)等效砂漿擴(kuò)展度與砂率的關(guān)系見(jiàn)圖14(b)。從圖14(b)可知：隨砂率增加，等效砂漿的擴(kuò)展度降低，且砂率越高，擴(kuò)展度降低程度越大。曲線(xiàn)的擬合優(yōu)度R2均較高，具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

圖14 砂率對(duì)等效砂漿擴(kuò)展度的影響Fig.14 Effect of sand ratio on equivalent mortar slump flow

當(dāng)砂細(xì)度模數(shù)為2.90 時(shí)，不同砂率等效砂漿含氣量經(jīng)時(shí)變化見(jiàn)圖15。由圖15 可知：當(dāng)砂率為48%時(shí)，砂漿的含氣量明顯比砂率為50%和52%的等效砂漿低，而砂率為50%和52%的等效砂漿含氣量隨時(shí)間的變化相近。這主要是由于提高砂率后，砂漿的黏聚性增大，含氣量有所增大。隨靜置時(shí)間增加，各組砂漿含氣量均顯著降低。

圖15 時(shí)間對(duì)不同砂率等效砂漿含氣量的影響Fig.15 Effect of time on air content of equivalent mortar with different sand ratios

2.3.2 細(xì)度模數(shù)較小時(shí)的等效砂漿擴(kuò)展度

當(dāng)砂子細(xì)度模數(shù)為2.35 時(shí)，不同砂率等效砂漿經(jīng)時(shí)擴(kuò)展度見(jiàn)圖16(a)。從圖16(a)可知：隨著砂率增加，各組砂漿靜置5 min 時(shí)擴(kuò)展度顯著降低，且隨靜置時(shí)間增加，各組砂漿的擴(kuò)展度均下降；靜置90 min 時(shí)，擴(kuò)展度依次下降了5，25，40 和20 mm。靜置不同時(shí)間時(shí)等效砂漿擴(kuò)展度隨砂率變化見(jiàn)圖16(b)。從圖16(b)可知：隨砂率增加，流動(dòng)擴(kuò)展度降低，且砂率越大，擴(kuò)展度降低程度越大；曲線(xiàn)的擬合優(yōu)度R2大于0.99，相關(guān)性較好。

圖16 不同砂率的等效砂漿擴(kuò)展度Fig.16 Equivalent mortar slump flow with different sand ratios

圖17所示為砂子細(xì)度模數(shù)為2.35 時(shí)，不同砂率等效砂漿含氣量經(jīng)時(shí)變化。由圖17 可知：隨砂率提高，含氣量增加，砂率為48%和50%組含氣量較接近，均顯著比砂率為46%組的高。對(duì)比圖15 和17 可知：在相同砂率條件下，砂細(xì)度模數(shù)為2.35的等效砂漿含氣量均顯著高于細(xì)度模數(shù)為2.90組砂漿的含氣量，這也說(shuō)明砂級(jí)配中細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加將導(dǎo)致砂漿體系內(nèi)含氣量增加。

圖17 不同砂率等效砂漿的含氣量Fig.17 Relative air content of equivalent mortar with different sand ratios

細(xì)度模數(shù)為2.90、砂率為48%與細(xì)度模數(shù)為2.35、砂率為46%時(shí)，砂漿擴(kuò)展度和擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)下降值均較接近，但較小細(xì)度的砂漿更黏稠，而細(xì)度模數(shù)為2.90 的砂漿的較粗顆粒與漿體有較明顯分離，這表明通過(guò)適當(dāng)提高(降低)砂率可在一定程度內(nèi)克服砂子細(xì)度模數(shù)偏大造成的不良性能的影響，但增加砂率并不能較好地解決穩(wěn)定性問(wèn)題。

2.4 表面質(zhì)量

圖18所示為采用不同細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)河砂制備的等效砂漿表面質(zhì)量。由圖18 可知：EMS1，EMS2 和EMS3 組細(xì)骨料級(jí)配中不含0.15 mm 粒徑以下的顆粒，漿體黏聚性差，灌注時(shí)，流動(dòng)較快達(dá)到出氣孔側(cè)壁再上升，空氣難以排除，且漿體中殘余氣泡不穩(wěn)定，上浮聚集于漿體表面，形成氣泡直徑較大，數(shù)量多且形狀不規(guī)則；相比EMS1，EMS2 和EMS3 這3 組，EMS4，EMS5 和EMS6 組0～0.15 mm 粒級(jí)顆質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為5.0%，5.0%和10.0%，等效砂漿硬化后表面質(zhì)量較好，殘余氣泡可在漿體中穩(wěn)定分布，表面氣泡數(shù)量顯著減少且均勻分散，為較規(guī)則的圓形。

圖18 砂細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)等效砂漿上表面質(zhì)量的影響Fig.18 Effect of sand fine particle mass fraction on the upper surface quality of equivalent mortar

圖19所示為粒徑為(0,30]mm的砂細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)砂漿試件表面質(zhì)量的影響。由圖19(a)可知：隨砂細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，等效砂漿上表面氣泡最大直徑呈下降趨勢(shì)，其中，EMS1，EMS2和EMS3組上表面氣孔最大粒徑均在4 mm以上。從圖19(b)可知：隨(0.15,0.30]mm 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，EMS1，EMS2和EMS3組上表面氣泡平均直徑依次增加，并且相比EMS4組，EMS5組(0.15,0.30]mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加10%，上表面氣泡平均直徑略降低；而對(duì)于EMS3，EMS4，EMS5 和EMS6 組，0.15 mm以下粒徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，依次為0，5%，5%和10%，上表面氣泡平均直徑呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。結(jié)果表明，當(dāng)砂級(jí)配中包括(0,0.15]mm粒徑的顆粒時(shí)，可顯著減小氣泡直徑，僅增加(0.15,0.30]mm 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，不能降低氣泡直徑。

圖19 粒徑為(0,0.30]mm的砂細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)上表面氣泡直徑的影響Fig.19 Effect of(0,0.30]mm sand fine particles mass fraction on upper surface bubble diameter

3 結(jié)論

1)河砂細(xì)度模數(shù)減小，SCC 等效砂漿黏聚性增大，擴(kuò)展度降低，擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)下降值增加。含氣量隨砂子細(xì)度模數(shù)減小而增加，且含氣量經(jīng)時(shí)下降值降低。當(dāng)砂子細(xì)度模數(shù)小于2.60 時(shí)，等效砂漿靜置5 min和90 min的含氣量隨細(xì)度模數(shù)變化均不顯著。

2)砂子中(0,0.15]mm 和(0.15,0.30]mm 粒徑的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SCC 等效砂漿的流動(dòng)性影響起主要作用，且0.15 mm 以下粒徑顆粒影響更顯著。隨著(0,0.15]mm 粒徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，等效砂漿擴(kuò)展度、上表面氣泡的最大直徑和平均直徑均減小，擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)下降值和含氣量增加。

3)隨著細(xì)骨料砂率增加，等效砂漿擴(kuò)展度降低，擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)下降值增加，含氣量增加。當(dāng)砂子細(xì)度模數(shù)偏大、細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，可適當(dāng)提高砂率，增強(qiáng)SCC等效砂漿黏性，提高穩(wěn)定性；當(dāng)砂子細(xì)度模數(shù)偏小、細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)，可適當(dāng)降低砂率，降低SCC 等效砂漿黏度，也有利于提高砂漿穩(wěn)定性，但僅改變砂率不能有效解決砂漿穩(wěn)定性問(wèn)題。