預填集料高強混凝土抗壓強度影響因素研究

周孝軍，謝 琳，牟廷敏，彭建秋，范碧琨

（1.西華大學建筑與土木工程學院,四川 成都 610039；2.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司,四川 成都 610041；3.四川省鋼管混凝土橋梁工程技術研究中心,四川 成都 610041）

粗集料在混凝土中起骨架作用，是混凝土中強度最高、耐久性最佳、體積穩定性最好的結構組分，增加粗集料用量可以提高混凝土的各項性能[1?2]。常規混凝土是將膠凝材料與集料混合攪拌，為保證混凝土良好的工作性能，漿體量與集料空隙率之比一般大于1.1[3]，集料懸浮于水泥漿體之中，其骨架作用不能充分發揮。預填集料混凝土是預先在模板內填筑粗集料，使集料呈嵌鎖狀[4]，然后注入高流動度的漿體材料，漿體量與集料空隙量基本一致。高體積含量的粗集料呈緊密堆積狀態[5]，使其彈性模量、抗氯離子滲透、抗沖擊韌性、體積穩定性等性能在很大程度上優于常規混凝土[6]。此外，預填集料混凝土的粗集料預先置于模板中然后灌漿，漿體材料較常規混凝土攪拌方便，具有施工噪音小、振搗時間短、場地占用少、漿體用量省等優點，尤其適合鋼筋密集、振搗不便的結構構件。

當前工程應用中預填集料混凝土的粗集料粒徑一般在50～200 mm，粗集料粒徑偏大，級配組成單一，導致混凝土強度偏低，主要集中在30 MPa 左右[7?12]。為提高預填集料混凝土強度，沈衛國等[13]開展了預填集料高強混凝土制備研究，通過調整砂漿配合比、摻入適宜的礦物摻合料制備了強度等級達C50 的預填集料混凝土。Najjar等[14]設計系列試驗發現預填集料混凝土灌漿材料的性能與礦物摻合料的種類和用量有關。在此基礎上，Coo 等[15]進一步調整漿體材料配合比并摻入多種礦物摻合料，制備出了強度等級達C60 的預填集料混凝土。

目前大部分研究中灌漿材料主要為砂漿，重點在調整砂漿灰砂比、水灰比以及膠凝材料組成[16]，關于制備方法、粗集料級配組成對預填集料混凝土強度影響的研究較少。因此本文研究不同制備方式、漿體材料類型及粗集料級配組成對預填集料混凝土抗壓強度的影響，探討其合理的制備方法與集料級配組成，以期制備出預填集料高強混凝土，為工程應用提供支撐。

1 試驗材料

1）水泥：P·O42.5 峨勝水泥，其主要技術指標見表1。

表1 水泥技術指標

2）粉煤灰：瀘州地博Ⅱ級粉煤灰，燒失量4.98%，需水量比102%。

3）細集料：Ⅱ區機制砂，細度模數3.04。

4）粗集料：破碎卵石、碎石，采用不同粒徑范圍的粗集料進行比例搭配而成，各粒徑范圍粗集料有10～16 mm、10～20 mm、20～25 mm（單位粒級16～25 mm，篩除粒徑19 mm 以下的集料）、20～31.5 mm（單位粒級16～31.5 mm，篩除粒徑19 mm以下的集料）、25～31.5 mm（單位粒級16～31.5 mm，篩除粒徑26.5 mm 以下的集料）。

5）外加劑：三瑞聚羧酸超塑化劑，減水率35%。

2 試驗與結果分析

2.1 制備方式及其對預填集料混凝土抗壓強度的影響

試驗研究3 種不同制備方式對預填集料混凝土抗壓強度的影響：1）一次免振成型：在立方體試模中預先用粗集料填平試模，然后注入漿體材料至滿溢，表面抹平；2）一次振動成型：在立方體試模中預先用粗集料填平試模并振動15 s，然后一邊振動一邊注入漿體材料至滿溢，整個過程總振動時間控制在1 min 之內，表面抹平；3）二次振動成型：在立方體試模中填入半數粗集料并振動5 s，注入漿體材料至淹沒集料，再用粗集料填平試模并振動10 s，然后一邊振動一邊填入漿體材料至滿溢，整個過程總振動時間控制在1 min 之內，表面抹平。二次振動成型流程如圖1 所示。

圖1 二次振動成型流程

預填集料混凝土配合比及相關性能指標見表2。

由表2 可知，A1、A2 組混凝土配合比相同，A2 組采用二次振動方法制備成型，其7、28 d 抗壓強度均較一次振動成型的A1 組強度高；同樣的，A3、A4 組混凝土配合比也相同，其制備方式分別為一次免振、一次振動，A4 組混凝土7、28 d 抗壓強度也均較A3 組抗壓強度高。程運虹等[17]的研究也指出采用振動成型后，預填集料混凝土強度等級可由C30 提升到C40?？梢?，即便預填集料混凝土的漿體材料和粗集料級配相同，其強度也會因為制備方式不同而有所差異。分層填筑、振動灌漿有利于提高預填集料混凝土抗壓強度，主要是因為分層填筑使集料的分布以及骨架結構更合理，振動填筑使混凝土的集料堆積狀態更緊密，提高了集料之間的機械咬合作用力，使得制備的預填集料混凝土強度較高。雖然預填集料混凝土的漿體材料和粗集料級配相同的情況下，采用二次振動方法制備的混凝土7、28 d 抗壓強度較一次振動成型的混凝土高，但因為本文只是定性討論制備方式、漿體材料類型、粗集料級配組成對預填集料混凝土抗壓強度的影響；因此，下面的試驗都采用一次振動成型的方法制備混凝土。

表2 預填集料混凝土配合比及相關性能指標

2.2 漿體材料類型對預填集料混凝土抗壓強度的影響

漿體流動度測試方法根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTGE30）中的方法進行，凈漿流動度用錐桶流出時間衡量，砂漿流動度用擴展度衡量。漿體力學性能按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》（GBT17671）的方法進行測試。預填集料混凝土力學性能根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T50081）的方法進行測試。漿體材料在預填集料混凝土中起著約束集料轉動及位移的重要作用[18]，不同漿體材料類型對預填集料混凝土粗集料的約束作用不同，對其強度的貢獻程度也不同[19]。凈漿、砂漿是工程建設中常用灌漿材料，根據前期試驗結果，分別選用錐桶倒流時間26 s的凈漿與流動度為330 mm 的砂漿采用一次振動成型方式制備預填集料混凝土，混凝土外觀均無露石。預填集料混凝土配合比如表3 所示。

表3 預填集料混凝土配合比

圖2 為砂漿、凈漿混凝土抗壓強度測試值，由圖2 可知，凈漿、砂漿兩類灌漿材料的28 d 抗壓強度基本一致（均在57 MPa 左右），但砂漿預填集料混凝土28 d 抗壓強度較凈漿預填集料混凝土高約12 MPa。圖3 為砂漿、凈漿預填集料混凝土的壓碎破壞形態。由圖2 和圖3 分析可知：采用凈漿填充于粗集料間隙時，整個混凝土集料體系中缺少細集料，集料體系空隙率較大；采用砂漿填充粗集料間隙時，其不僅較好黏結、約束了粗集料，而且使混凝土中整體集料體系級配空隙率較低，集料骨架作用發揮更充分，骨料之間的機械咬合力強，從而提升混凝土的強度。由此可見，采用砂漿為灌漿材料有利于提高預填集料混凝土的強度。

圖2 漿體類型對混凝土強度的影響

圖3 不同漿體類型混凝土的受壓破壞形態

2.3 粗集料級配組成對預填集料混凝土抗壓強度的影響

預填集料高強混凝土需要擁有緊密的堆積密度的粗集料體系來充分發揮其力學特性[20]；同時也需要降低粗集料體系的比表面積以減小漿體與集料的摩擦阻力從而保證其灌注密實性。為探討其合理級配組成，此處選用4 種不同級配粗集料，保證密實灌注的前提下，研究粗集料級配組成對預填集料混凝土抗壓強度的影響。漿體材料采用流動度為30 s 的凈漿，7、28 d 抗壓強度分別為46.3、58.8 MPa，制備方式為一次振動，預填集料混凝土配合比及性能指標見表4。

表4 預填集料混凝土配合比及性能指標

粗集料級配的振實空隙率根據《公路工程集料試驗規程》（JTGE42）中T0309 粗集料空隙率試驗方法測定。各組試驗的預填集料混凝土配合比中漿體的材料用量均根據成型試件時所消耗的實際材料按如下方法換算而得：

式中：m1為灌漿前后單個試件質量差值，即所灌注漿體的質量（kg）；ρ為漿體表觀密度（g·cm?3）；V0為單個試件體積（L）；V1為單個試件所需漿體體積（L）；V2為每方預填集料混凝土所需漿體體積（L）；mi為每方預填集料混凝土中各膠凝材料組分用量（kg·m?3）；Mi為每方漿體材料中各膠凝材料組分用量（kg·m?3）。

由圖4、圖5 可知，級配①—④的空隙率基本呈增加趨勢，集料堆積緊密程度逐漸下降，制備的預填集料混凝土抗壓強度逐漸降低?？梢娂隙逊e緊密程度越高，其機械咬合作用就越強，混凝土強度就越高。同時，對比級配①與級配③，其空隙率相近，但級配①制備的混凝土28 d 抗壓強度較級配③高約11 MPa，主要原因在于級配③屬于單粒級配，粒級較少、粒徑范圍較小，集料相互之間的機械咬合力較小，難以形成致密骨架結構。由此可見，預填集料混凝土不宜采用粒級較少、粒徑范圍較小的粗集料。

圖4 級配組成對混凝土強度的影響

圖5 不同級配組成的空隙率

為進一步優化級配組成，試驗采用10～25 mm非連續級配粗集料研究粗集料空隙率對預填集料混凝土抗壓強度的影響。為提升混凝土強度，此處漿體材料采用流動度330 mm 的砂漿，7、28 ds 抗壓強度分別為62.8、72.2 MPa，采用一次振動成型，預填集料混凝土配合比及相關性能指標見表5。

表5 預填集料混凝土配合比及相關性能指標

由表5 以及圖6、圖7 可知，小石(10～20 mm)與大石(20～25 mm)的搭配比例由3∶7 到2∶8 再到1∶9 變化時，粗集料空隙率先減小后增大，混凝土7、28 d 抗壓強度均先增加再減小。小石∶大石比例為2∶8 時，粗集料空隙率最小，同時還可以看到，此時粗集料的總用量最多，制備的預填集料混凝土強度最高，可達到69.4 MPa，基本滿足C60 強度等級要求?？梢?，粒級組成相同的非連續級配粗集料，不同大、小石比例搭配時空隙率不同，集料堆積緊密程度有差異，堆積越緊密時材料用量越多，粗集料空隙率越小，集料的骨架作用發揮程度就越高。

圖6 粒級比例對混凝土強度的影響

圖7 不同粒級比例的空隙率

因此，制備預填集料高強混凝土時，粗集料粒級組成相同的情況下，應采用空隙率低的級配組合?？紤]到集料的密度較漿體密度大，同一體積范圍內填充粗集料越多，混凝土強度也越高，但應注意低空隙率下要求漿體材料具備更高的流動度。

此外，從表5 可知采用10～25 mm 非連續級配粗集料（10～20 mm∶20～25 mm=2∶8，空隙率37%）與膠凝材料（水泥和粉煤灰）用量323 kg·m?3、流動度330 mm、28 d 強度72.2 MPa 的砂漿，一次振動成型可制備出28 d 抗壓強度達69.4 MPa 的預填集料高強混凝土。膠凝材料用量與該預填集料混凝土相近的常規混凝土，其強度等級約為C30[21]，由此可見采用預填集料的方法制備的混凝土膠材用量少，經濟效益較高。

3 結論

通過系列試驗研究，探明了不同成型方式、漿體材料類型、粗集料級配組成對預填集料混凝土抗壓強度的影響，以及制備預填集料高強混凝土的相關技術要求。

1）其他參數與實驗條件相同，二次振動比一次振動成型的混凝土7、28 d 強度分別提高9.9%、11.5%；一次振動比免振成型的混凝土7、28 d 強度分別提高8.2%、9.6%。振動灌漿、分層灌漿均較自填充灌漿更有利于提高預填集料混凝土抗壓強度。

2）凈漿與砂漿28 d 抗壓強度基本一致時（57 MPa 左右），采用砂漿制備的預填集料混凝土28 d 抗壓強度較采用凈漿高約12 MPa，可見漿體材料為砂漿時較凈漿更利于提高預填集料混凝土抗壓強度，但摻入細集料會降低漿體材料流動度。

3）預填粗集料最大粒徑不大于31.5 mm 時，粗集料的級配組成、粒徑范圍與空隙率對混凝土強度有不同程度的影響，采用10～20 mm 或20～25 mm 的單粒集配成型混凝土時，與非連續級配成型混凝土相比最大強度相差14.5 Mpa。因此不宜采用粒級較少、粒徑范圍較小的粗集料。粗集料粒級組成相同時，集料空隙率越小，制備的預填集料混凝土抗壓強度越高。

4）采用10～25 mm 非連續級配粗集料（10～20 mm∶20～25 mm=2∶8，空隙率37%）與膠凝材料用量323 kg·m?3、流動度330 mm、28 d 強度72.2 MPa 的砂漿，一次振動成型可制備出28 d 抗壓強度達69.4 MPa 的預填集料高強混凝土，膠材用量少，經濟效益較高。