潘 婧

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著天然砂存儲(chǔ)量的減少，人工砂作為細(xì)骨料得到了普遍應(yīng)用[1-2]。目前工地上使用的人工砂很難統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，存在較多問(wèn)題[3]，其中就有人工砂級(jí)配雜亂。JGJ/T 241—2011《人工砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中參照天然砂細(xì)骨料級(jí)配，對(duì)人工砂顆粒級(jí)配做出了大致的區(qū)間規(guī)定，其中0.6～1.18mm間的顆粒偏多，整體細(xì)度模數(shù)偏大。相比于球狀體的天然砂，人工砂屬于棱角粒型，比表面積較大，細(xì)顆粒偏多會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性較差，混凝土澆筑中需水量變大，易產(chǎn)生收縮裂縫，直接導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致密，孔隙率變大，耐久性能變差等一系列后果，且人工砂混凝土硬化過(guò)程中水化反應(yīng)過(guò)程及產(chǎn)物與天然砂不同。若僅將天然砂替換為人工砂進(jìn)行配制勢(shì)必會(huì)影響混凝土性質(zhì)，因此，找到適合人工砂特性的骨料級(jí)配是很有必要的。

顆粒堆積是一種模擬固體顆粒堆積體系中堆積密度、孔隙率等參數(shù)的方法，可以優(yōu)化混凝土內(nèi)骨料堆積狀態(tài)，改善混凝土內(nèi)部致密度，從而減少有害空隙，提高混凝土性能。在過(guò)去70年里，一些典型的數(shù)學(xué)堆積模型被開(kāi)發(fā)出來(lái)[4-9]，比如：Furnas方程、Andreasen方程、Dinger-Funk方程等，但這些公式大多都是建立在球形顆粒，材料均勻的理想情況下，而人工砂骨料顆粒直徑較大、材料不均勻、粒型為不規(guī)則棱狀體，基于以上理想公式求出的堆積密度誤差較大。De Earrard[10]、聶晶[11]在以上模型的基礎(chǔ)上提出一種CMP(Concrete Mixture Proportioning)顆粒堆積模型，該模型引入壓實(shí)指數(shù)和剩余堆積密度(不同的材料根據(jù)其自身特性都有各自不同的剩余堆積密度)，有效解決了非球形堆積顆粒產(chǎn)生的堆積密度誤差，考慮了不同的堆積方式、不同顆粒材質(zhì)對(duì)堆積密度產(chǎn)生的影響?；谝陨戏治?，本文將運(yùn)用CMP模型對(duì)人工砂骨料級(jí)配進(jìn)行調(diào)整，得出最優(yōu)級(jí)配，并研究級(jí)配的優(yōu)化對(duì)水泥基材料性能的影響。

1 人工砂優(yōu)化級(jí)配推導(dǎo)

1.1 細(xì)骨料級(jí)配推導(dǎo)

CMP模型較其他堆積模型優(yōu)勢(shì)在于引入剩余堆積密度和壓實(shí)指數(shù)。剩余堆積密度是材料本身特有性質(zhì)，壓實(shí)指數(shù)則為不同堆積方式的體現(xiàn)，兩參數(shù)的引入更加準(zhǔn)確、真實(shí)地模擬顆粒堆積狀態(tài)。為了深入研究多顆粒堆積問(wèn)題，本文還引入Appolonian模型。Appolonian模型[12]是一種基于上述原理簡(jiǎn)化過(guò)的模型，能提供一種直接的方法計(jì)算連續(xù)顆?；旌系淖顑?yōu)級(jí)配。根據(jù)CMP模型和Appolonian連續(xù)顆粒堆積模型推導(dǎo)出本文所用細(xì)骨料的最佳級(jí)配，見(jiàn)表1。

表1 各粒徑區(qū)間骨料的特性參數(shù)

1.2 混凝土骨料級(jí)配推導(dǎo)

混凝土的骨料可將其看成粗、細(xì)骨料兩大種。采用CMP模型中二元骨料堆積模型進(jìn)行計(jì)算，其中細(xì)骨料用表1中計(jì)算得到的級(jí)配，粗骨料直徑5～20mm，見(jiàn)表2。

表2 骨料參數(shù)

運(yùn)用MATLAB按照CMP模型中二元顆粒堆積計(jì)算方法編程計(jì)算得到粗細(xì)骨料混摻堆積密度，如圖1所示。

圖1 粗細(xì)骨料混摻堆積密度

由圖1可知，兩骨料對(duì)應(yīng)的最大堆積密度情況下，粗骨料占總體積的72%。因此，由CMP計(jì)算的混凝土骨料分布為粗骨料∶細(xì)骨料=2.57∶1。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料為二級(jí)配玄武巖碎石，5～20mm；細(xì)骨料為5mm以下的玄武巖砂。用砂石標(biāo)準(zhǔn)篩將細(xì)骨料根據(jù)已算得的最優(yōu)粒徑范圍篩分為6個(gè)區(qū)間，如圖2所示。

圖2 砂子粒型

常規(guī)人工砂級(jí)配的選用參考JGJ/T 241—2011規(guī)范和實(shí)際工地所用，見(jiàn)表3。

表3 兩種細(xì)骨料級(jí)配

兩種砂級(jí)配分布如圖3所示，驗(yàn)測(cè)得優(yōu)化級(jí)配砂堆積密度為0.806，超過(guò)常規(guī)砂堆積密度為0.756的6.6%，說(shuō)明根據(jù)CMP模型算得的級(jí)配連續(xù)性和堆積性都是較好的。

圖3 兩種細(xì)骨料級(jí)配區(qū)間圖

2.2 砂漿配比

砂漿性能對(duì)比試驗(yàn)分為不加減水劑和加減水劑兩組，每組采用3種水灰比，控制骨料所占體積是相同的，細(xì)骨料的級(jí)配按照計(jì)算結(jié)果配制，見(jiàn)表4。

表4 砂漿配比

2.3 混凝土配比

混凝土配比設(shè)計(jì)控制V漿/V骨=0.35不變，細(xì)骨料按照計(jì)算結(jié)果配制，見(jiàn)表5。

表5 混凝土配比

2.4 試驗(yàn)方法

參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行砂漿、混凝土的宏觀力學(xué)性能。參照ASTM C642—97 《硬化混凝土的比重、吸收性及孔隙率的試驗(yàn)方法》中真空飽水測(cè)定混凝土孔隙率方法測(cè)量混凝土電滲處理后的空隙率分布特征。使用快速氯離子滲透法測(cè)試混凝土滲透性，采用掃描電鏡探究水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與分析

3.1 拌合物工作性能

按照GB/T 50080—2002《普通濕凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)得新拌砂漿流動(dòng)性，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在相同配比下，優(yōu)化級(jí)配砂漿流動(dòng)性明顯大于常規(guī)級(jí)配砂漿，且差異隨水灰比的減小更加明顯。

圖4 砂漿流動(dòng)性試驗(yàn)

新拌混凝土塌落度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，相同配比下，優(yōu)化級(jí)配混凝土坍落度大于常規(guī)級(jí)配。在0.4～0.45的水灰比下，坍落度提高20%～30%。

圖5 混凝土坍落度試驗(yàn)

綜上所述，水泥基材料中的水泥漿體有三大作用。首先，以一定的漿體厚度包裹骨料，厚度與骨料直徑成正比；其次，填充骨料堆積形成的空隙，取決于堆積密度的大??；最后，剩余的漿體提供新拌材料的流動(dòng)性，如圖6所示。優(yōu)化級(jí)配骨料最大程度上形成較小顆粒，逐級(jí)嵌在較大顆?？障吨g，骨料堆積密度大，孔隙率??；優(yōu)化級(jí)配粗顆粒較多，比表面積小，所需用來(lái)包裹骨料表面的漿體就少；水泥漿體體積相同的情況下，在減去填充骨料堆積空隙以及包裹在骨料比表面積的漿體體積后，優(yōu)化級(jí)配就會(huì)有更多的剩余漿體來(lái)充當(dāng)潤(rùn)滑劑，使砂漿流動(dòng)，從而增大流動(dòng)性。

圖6 砂漿內(nèi)部漿骨示意圖

3.2 宏觀力學(xué)性能

3.2.1砂漿力學(xué)性能

砂漿抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，優(yōu)化級(jí)配砂漿試塊強(qiáng)度要比常規(guī)級(jí)配砂漿高，未加減水劑的砂漿強(qiáng)度平均提高6.8%，加減水劑的砂漿強(qiáng)度平均提高10.05%；水灰比越小，強(qiáng)度提高幅度越大。

圖7 砂漿圓柱體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

兩種不同級(jí)配砂漿抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，優(yōu)化級(jí)配砂漿抗折強(qiáng)度明顯比常規(guī)級(jí)配砂漿大；抗折強(qiáng)度隨著水灰比減小而增大，且水灰比越小，兩者差異越明顯。

圖8 砂漿抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

通過(guò)應(yīng)變片的應(yīng)變和強(qiáng)度試驗(yàn)，采集應(yīng)力處理得到砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算彈性模量，結(jié)果如圖9所示。

圖9 砂漿彈性模量

3.2.2混凝土力學(xué)性能

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，相同條件下，優(yōu)化級(jí)配混凝土強(qiáng)度高于常規(guī)級(jí)配混凝土，強(qiáng)度提高6%左右。

圖10 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)混凝土試塊做氯離子電通量試驗(yàn)，結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，優(yōu)化級(jí)配混凝土的孔隙率及氯離子電通量均小于常規(guī)級(jí)配混凝土。

圖11 氯離子電通量試驗(yàn)試驗(yàn)

3.2.3力學(xué)性能機(jī)理分析

從骨料堆積角度解釋，優(yōu)化級(jí)配砂漿工作性能好，拌合充分。骨料級(jí)配的連續(xù)和大小顆粒之間良好的嵌合使得整個(gè)骨架結(jié)構(gòu)緊密，澆出的砂漿內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)致密，有害孔減少，抗壓強(qiáng)度提高。從界面過(guò)渡區(qū)角度來(lái)解釋，界面過(guò)渡區(qū)的水泥水化較其他部分水泥水化具有密度小、強(qiáng)度低、彈性模量低和滲透性高等特點(diǎn)，通常將其看成是混凝土中的“薄弱環(huán)節(jié)”，裂縫由此產(chǎn)生。首先，優(yōu)化級(jí)配的比表面積較小，減少界面過(guò)渡區(qū)的薄弱面，減少產(chǎn)生內(nèi)部缺陷的可能性。其次，砂漿-骨料間的粘結(jié)強(qiáng)度以機(jī)械咬合作用為主，該力隨骨料表面粗糙度增大而增大。在優(yōu)化級(jí)配中，粗顆粒占比多、棱角多、接觸點(diǎn)多，骨料與硬化漿體的咬合度高、強(qiáng)度大。所以，優(yōu)化級(jí)配砂漿、混凝土強(qiáng)度高于常規(guī)級(jí)配。

優(yōu)化級(jí)配砂漿彈性模量大于常規(guī)級(jí)配砂漿。已有研究表明，水泥基材料的彈性模量與骨料、水泥漿體和界面過(guò)渡區(qū)有關(guān)，提出三相復(fù)合球模型來(lái)預(yù)測(cè)水泥基材料彈模[13]，圖12所示。從宏觀上來(lái)看，優(yōu)化級(jí)配砂漿內(nèi)部骨料嵌合度好、整體性高、骨架結(jié)構(gòu)致密，因此，彈模會(huì)高于常規(guī)級(jí)配砂漿。從機(jī)理上分析，兩種砂漿骨料來(lái)源一致，漿骨比一致，因此，骨料的性質(zhì)特征相同。唯一不同的是骨料的級(jí)配，骨料比表面積不同。有研究發(fā)現(xiàn)，界面過(guò)渡區(qū)彈性模量對(duì)水泥基材料整體的彈性模量影響還是較大的[14]。結(jié)果表明：在相同集料體積率下，集料比表面積的減小會(huì)提高混凝土的彈性模量。而彈性模量與強(qiáng)度是成正比的，優(yōu)化級(jí)配比表面積比常規(guī)級(jí)配小，此結(jié)果也從側(cè)面論證了優(yōu)化級(jí)配砂漿強(qiáng)度高于常規(guī)級(jí)配砂漿。

圖12 三相復(fù)合球模型

3.3 微觀分析

3.3.1孔隙率

兩種不同級(jí)配砂漿孔隙率試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。由圖13可見(jiàn)，優(yōu)化級(jí)配砂漿孔隙率明顯比普通級(jí)配砂漿小，且水灰比越小，這種差異越明顯。

圖13 砂漿孔隙率試驗(yàn)

兩種不同級(jí)配混凝土孔隙率試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。由圖14可見(jiàn)，優(yōu)化級(jí)配混凝土孔隙率明顯比普通級(jí)配混凝土小。

圖14 混凝土孔隙率試驗(yàn)

綜上所述，影響孔隙率的因素有很多，骨料級(jí)配是其中之一[15]。優(yōu)化砂漿工作性優(yōu)于常規(guī)砂漿，含氣量小，從源頭上減少有害孔隙率的帶入。良好的工作性易于拌合，充分的拌合可以減少水泥的絮凝成團(tuán)，隨著水泥水化的深入，減少水化空隙的產(chǎn)生。且兩種砂漿之間的孔隙率差異隨著水灰比減小而增大。

3.3.2微觀形貌

制取砂漿試樣進(jìn)行微觀試驗(yàn)，在電鏡下主要尋找骨料與漿體界面處的粘結(jié)狀態(tài)，如圖15所示。觀察分析對(duì)比可知，常規(guī)級(jí)配砂漿過(guò)渡區(qū)存在明顯的裂縫，優(yōu)化級(jí)配砂漿界面過(guò)渡區(qū)明顯比常規(guī)級(jí)配界面過(guò)渡區(qū)致密。

圖15 砂漿骨漿界面過(guò)渡區(qū)

3.4 優(yōu)化級(jí)配意義

從強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，優(yōu)化級(jí)配確實(shí)能提高強(qiáng)度性能，但提高幅度不大，在5%～10%范圍內(nèi)。從工作性能試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，優(yōu)化級(jí)配能顯著改善工作性，平均提高27%。從工作性角度分析，同一流動(dòng)，優(yōu)化級(jí)配則可以減小用水量，水灰比的減小對(duì)強(qiáng)度提高效果顯著，且不摻任何外加劑，如圖16—17所示。因此，從節(jié)約成本角度來(lái)看，優(yōu)化級(jí)配砂漿或混凝土可以作為一種改良的、經(jīng)濟(jì)的、環(huán)保的材料推廣。

圖16 砂漿立方體抗壓強(qiáng)度、流動(dòng)度試驗(yàn)

圖17 混凝土抗壓強(qiáng)度、塌落度試驗(yàn)

骨料級(jí)配對(duì)砂漿或者混凝土的強(qiáng)度性能貢獻(xiàn)在高強(qiáng)砂漿或高強(qiáng)混凝土的配制中體現(xiàn)的更加明顯。常規(guī)砂漿中，骨料所起的角色不大，膠凝材料承擔(dān)大部分力的傳遞。在高強(qiáng)砂漿或混凝土中，水灰比小且骨料所占體積大，骨料起到很大的角色[16]，優(yōu)化級(jí)配的作用體現(xiàn)出來(lái)，強(qiáng)度提高的顯著。

4 結(jié)論

(1)找到一種適合人工砂級(jí)配優(yōu)化的顆粒堆積模型——CMP模型。該模型引入剩余堆積密度及壓實(shí)指數(shù)，更能真實(shí)準(zhǔn)確地模擬不同顆粒的堆積狀態(tài)。

(2)優(yōu)化級(jí)配對(duì)水泥基材料工作性能改善是顯著的，接近30%。相同工作性能下，優(yōu)化級(jí)配可以減少用水量，即減小水灰比，在不添加其他外加劑的情況下強(qiáng)度明顯提升。

(3)基于CMP模型優(yōu)化的人工砂級(jí)配能有效改善水泥基材料性質(zhì)。宏觀性能試驗(yàn)表明：拌合物工作性能上，優(yōu)化級(jí)配砂漿較常規(guī)級(jí)配平均提高27%；抗壓、抗折強(qiáng)度上，優(yōu)化級(jí)配砂漿提高5%～10%；孔隙率測(cè)定上，優(yōu)化級(jí)配砂漿降低5%～10%，優(yōu)化級(jí)配混凝土降低20%～30%；氯離子電通量試驗(yàn)，優(yōu)化級(jí)配砂漿降低15%。微觀試驗(yàn)表明：優(yōu)化級(jí)砂漿能改善漿骨界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)，水化產(chǎn)物更加致密，增強(qiáng)粘結(jié)力。優(yōu)化級(jí)配理論同樣適用于混凝土。

(4)骨料顆粒級(jí)配的優(yōu)劣直接影響混凝土質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益，可通過(guò)人工砂生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)級(jí)配的優(yōu)化，將優(yōu)化級(jí)配的方法應(yīng)用到實(shí)際工程中。