免振捣自密实混凝土是借助于高效减水剂、流化剂、增塑剂以及掺加粉煤灰、矿渣等粉粒制成的流动性大的混凝土,不必振捣,依靠混凝土自重流动密实.免振捣自密实混凝土自问世以来,虽在国内外一些混凝土工程中得到应用,但仍处于研究开发利用阶段,对于相同配比的混凝土,有关免振捣自密实混凝土与振捣混凝土的性质对比的研究还末见报道.弄清相同配比的免振混凝土与振捣混凝土对比性质的影响因素,尤其是对强度的影响,使得配制的免振捣自密实混凝土接近或达到振捣混凝土的强度, 从而充分发挥免振捣自密实混凝土承受荷载潜能,降低材料成本,提高经济效益.
1 试验用原材料
水泥选用重庆水泥厂硅酸盐水泥,标号525.砂选用重庆特细砂,细度模数0.66,堆积密度1 277 kg/m3,空隙率52.5%.石子选用重庆5～20 mm卵石,连续级配,表观密度2 700 kgm3.减水剂选用广东湛江外加剂厂FDN,掺量0.7 %.
2 试验方法
试验选择混凝土坍落度为(24±1)cm.将相同配比的混凝土拌合物成型二个三联试模．第一个三联试模在振动台上成型,振动时间15 s;第二个三联试模的成型是将混凝土从20 cm高处自由落下,流实填充试模.测混凝土拌合物的湿表观密度和试件标准养护28 d的抗压强度，分析免振捣自密实混凝土与振捣混凝土的湿表观密度之比和强度之比.
考虑到单位体积用水量对混凝土流动性的影响,水泥用量对混凝土强度和耐久性的影响,砂率对混凝土粘聚性和流动性的影响,试验选择用水量、水泥用量和砂率三个因素,设计正交试验,表1为试验因素水平表,选用L9(34)正交表(表2).
表1 因素水平表
| 水平 |
因 素 |
A.用水量
kg/m3 |
B.水泥用量
kg/m3 |
C.砂率
% |
| 1 |
180 |
450 |
23 |
| 2 |
185 |
410 |
26 |
| 3 |
190 |
370 |
29 |
表2 L9(34)试验方案与试验结果
试
验 |
因 素 |
强度比
% |
表观
密度比
% |
| A |
B |
C |
D |
| 1 |
2 |
3 |
4 |
| 1 |
1(180) |
1(450) |
1(23) |
1 |
105 |
90 |
| 2 |
1(180) |
2(410) |
2(26) |
2 |
91 |
89 |
| 3 |
1(180) |
3(370) |
3(39) |
3 |
81 |
97 |
| 4 |
2(185) |
1(450) |
2(26) |
3 |
85 |
97 |
| 5 |
2(185) |
2(410) |
1(23) |
1 |
76 |
100 |
| 6 |
2(185) |
3(370) |
3(39) |
2 |
97 |
98 |
| 7 |
3(190) |
1(450) |
3(39) |
2 |
96 |
99 |
| 8 |
3(190) |
2(410) |
2(26) |
3 |
88 |
97 |
| 9 |
3(190) |
3(370) |
1(23) |
1 |
83 |
99 | 3 试验结果与分析
3.1 影响强度比的因素
极差R大小反映各因素影响程度(表3).从影响强度比的因素来看,极差R的排序是砂率>水泥用量>用水量,即在影响免振捣自密实混凝土与振捣混凝土的强度比的三个因素中,影响程度由强到弱的顺序是砂率、水泥用量和用水量.
根据混凝土固定用水量法则,混凝土的用水量表征流动性,则流动性对免振捣自密实混凝土与振捣混凝土的强度比影响不如水泥用量和砂率影响程度大.考虑到试验选择混凝土坍落度保持在(24±1) cm, 因此,在混凝土流动性满足要求的前提下,影响强度比因素还与混凝土的配合比有关.因特细砂微粉量(<0.315 mm)较多,水泥用量和砂率的影响程度较大,实质上说明水泥用量和微粉量总和的影响较大.按混凝土流变学理论,新拌水泥砂浆和混凝土属宾汉姆体,流变方程为 τ=τ0+ηΥ，式中，τ为剪应力,τ0为屈服应力,η为塑性粘度,Υ为剪切速率． τ0是阻止塑性变形的最大应力,在外力作用下混凝土拌合物内部产生的剪应力τ≥τ0时,混凝土产生流动;η是混凝土拌合物内部阻止其流动的一种性能, η越小,在相同外力作用下流动速度越快,由此可见,τ0和η是反映混凝土拌合物和易性的二个主要的流变参数.
表3 正交试验极差分析 %
| 强 度 比 |
表观密度比 |
| k1 |
k2 |
k3 |
k4 |
k1 |
k2 |
k3 |
R |
| 92 |
86 |
89 |
6 |
92 |
98 |
98 |
6 |
| 95 |
85 |
87 |
8 |
96 |
95 |
98 |
3 |
| 95 |
88 |
84 |
11 |
96 |
94 |
99 |
5 |
| 88 |
95 |
85 |
10 |
96 |
95 |
97 |
2 |
普通混凝土采用机械振捣时,因能使τ0大幅度减少,与振动区内的混凝土液化而流动并密实成型的道理相似．制备免振捣自密实混凝土的原理是通过合理的混凝土配合比设计,使τ0减少到适宜范围,同时又具有足够的η,保持骨料悬浮于水泥浆中,不出现离析泌水,能自由流淌充分填充模板空隙形成均匀密实的结构.
3.2 砂率对免振捣自密实混凝土的影响
免振捣自密实混凝土中的细集料使得混凝土拌合物具有粘聚性以抵抗分层离析.免振捣自密实混凝土在模板内能顺利流动,是由于砂浆润滑粗骨料和粗骨料悬浮在灰浆中的缘故，细骨料量过低过高都不利.当水灰比和水泥用量一定时,如砂率太低,没有足够的砂粒对石子起润滑作用,混凝土的流动性降低,使得水泥砂浆的粘聚性降低,混凝土产生离析,砂浆从粗骨料中流出,剩下呈米花糖状的无砂混凝土.但砂浆量也不可过大,否则会因水泥量相应增大导致混凝土的干缩增大,出现干缩裂缝.特细砂混凝土的砂率从24%增至31%,砂率每增加1%,水泥用量增加3～6 kg/m3,半年期和一年期混凝土干缩随砂率提高而增大.
特细砂砂率与混凝土流动性关系见表4.对于一定级配的粗集料和水泥用量一定的混凝土拌合料,存在最佳砂率,使得满足自密实要求条件下用水量最少.表5列出了用525号矿渣水泥配制坍落度5～7 cm的特细砂混凝土配比,从中可见特细砂混凝土的低砂率和高水泥用量.免振捣自密实混凝土的最佳含砂率宜在普通混凝土的最佳含砂率基础上提高3%～5%.从表2可见,单位体积用水量为180 kg/m3和185 kg/m3时,随着砂率的降低,免振捣自密实混凝土与振捣混凝土的强度比增加.考虑到特细砂混凝土配比的低砂率和高水泥用量的特点,特细砂免振捣自密实混凝土的最大砂率不宜超过23%.
表4 特细砂砂率与混凝土流动性关系
| 编号 |
水泥用量kg/m3 |
用水量kg/m3 |
水灰比 |
砂率% |
坍落度cm |
| 1 |
450 |
210 |
0.47 |
23 |
24.0 |
| 2 |
450 |
210 |
0.47 |
26 |
22.5 |
| 3 |
450 |
210 |
0.47 |
29 |
19.5 |
| 4 |
450 |
210 |
0.47 |
32 |
1.5 |
| 5 |
370 |
210 |
0.57 |
23 |
22.5 |
| 6 |
370 |
210 |
0.57 |
26 |
21.5 |
| 7 |
370 |
210 |
0.57 |
29 |
20.5 |
| 8 |
370 |
210 |
0.57 |
32 |
18.5 |
表5 525号矿渣水泥特细砂混凝土配比
| 水泥标号 |
配 比C∶S∶G∶W |
Ckg/m3 |
Wkg/m3 |
砂率% |
| C35 |
1∶0.54∶3.27∶0.38 |
471 |
179 |
14 |
| C30 |
1∶0.69∶3.61∶0.42 |
426 |
179 |
16 |
| C25 |
1∶0.88∶4.04∶0.47 |
381 |
179 |
18 |
| C20 |
1∶1.19∶4.74∶0.55 |
325 |
179 |
20 |
3.3 水灰比对强度比的影响
水灰比是影响混凝土强度的主要因素之一.混凝土强度与水灰比关系见表4.根据鲍罗米公式,通过回归分析,免振捣自密实混凝土和振捣混凝土的强度与水灰比关系式分别为
免振捣自密实混凝土强度 fcu1=36.5C/W-29.3(MPa), 相关系数r=0.931；
机械振捣混凝土强度fcu0=30.5C/W-20.9(MPa), 相关系数r=0.876．
从以上二关系式可见,由于二直线的斜率不同,要使强度相等,强度比为100%,须增大灰水比,即降低水灰比,由fcu1= fcu0可得水灰比C/W=0.33.但水灰比低,为了保持流动性,势必增加水泥用量.若取用水量185 kg/m3,则水泥用量555 kg/m3.水泥用量高,带来混凝土大收缩,高水化热及徐变增大等不利影响.因此,单纯用特细砂配制免振捣自密实混凝土,在技术上还有上述难题需解决.可见，从强度比角度的研究也说明掺磨细粉煤灰、矿渣等矿物掺合料是配制免振捣自密实混凝土的有效途径之一．
3.4 湿表观密度对比
从表2可见,免振捣自密实混凝土与振捣混凝土的湿表观密度比变化不大，没有强度比效果明显.因此,用免振捣自密实混凝土与振捣混凝土的强度比讨论免振捣自密实效果比用湿表观密度比更说明问题.在配比相差不大时，混凝土的表观密度和强度之间无相关性(表6)．
表6 混凝土表观密度比和强度比 %
| 项 目 |
编 号 |
| 1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
表 观
密度比/% |
100.0 |
99.9 |
101.6 |
100.3 |
101.8 |
100.8 |
99.4 |
100.3 |
100.5 |
96.4 |
103.4 |
| 强度比/% |
103 |
109 |
105 |
95 |
111 |
109 |
92 |
105 |
112 |
92 |
110 |
3.5 弹性模量对比
从表7中看到振捣混凝土的弹性模量略高于免振捣自密实混凝土的弹性模量,说明成型方式对混凝土的弹性模量有影响.
表7 混凝土弹性模量
| 混凝土 |
变形量
Δn/mm |
弹性模量
Ec×104
MPa |
轴压强度
fa / MPa |
弹性模量
平均值
MPa |
轴压强度
平均值
MPa |
立方体
抗压强度
MPa |
振捣
混凝土 |
0.035 0 |
3.42 |
27.6 |
3.00 |
25.5 |
50.9 |
| 0.042 5 |
2.78 |
25.7 |
| 0.043 0 |
2.81 |
23.1 |
免振捣
自密实
混凝土 |
0.047 0 |
2.54 |
31.3 |
2.39 |
30.5 |
53.2 |
| 0.036 0 |
3.32 |
31.2 |
| 0.042 7 |
2.80 |
29.0 |
3.6 干缩对比
干燥收缩是由于水分在新生的水泥石骨架中的分布变化、移动及蒸发引起的,这种收缩在混凝土的总收缩中起主导作用.发生在已硬化混凝土中的干缩会引起混凝土的开裂,降低混凝土结构的质量和耐久性．特细砂流态混凝土的干燥收缩在7～60 d相对较大,到90 d时干缩曲线已与基态混凝土干缩曲线大致平行.因此,笔者测试了6个月混凝土的干缩.免振捣自密实混凝土干燥为3.51×10-4,振捣混凝土的干缩为3.26×10-4,二者相差不大. 故成型方式对干缩没有影响.
4 基本结论
a. 影响免振捣自密实混凝土与振捣混凝土强度比的程度,由大到小分别为砂率、水泥用量和用水量.混凝土坍落度为(24±1)cm时,能配制强度比较大的免振捣自密实混凝土.除了流动性以外,免振捣自密实混凝土还应具有一定量的微粉,以提高其粘聚性.
b. 免振捣自密实混凝土的砂率宜在普通混凝土砂率基础上提高3%～5%,特细砂免振捣自密实混凝土以不超过23%为宜.
c. 免振捣自密实和机械振捣成型方式没有影响混凝土干燥收缩量,但影响其弹性模量.
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