砂浆流变特性及其膜厚对自密实混凝土性能的影响

第５０卷第３期２０２０年５月　
东南大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
Ｖｏｌ．５０Ｎｏ．３
Ｍａｙ２０２０
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０２０．０３．００８
砂浆流变特性及其膜厚对自密实
混凝土性能的影响
何小兵１　沈武福１　贾秋炳１　刘　亚２
（１重庆交通大学省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆４０００７４）
（２杭州市交通规划设计研究院，杭州３１００００）
摘要：将新拌自密实混凝土（ｓｅｌｆ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅ，ＳＣＣ）视作砂浆和粗骨料两相悬浮体系，研究砂浆流变特性以及砂浆膜厚（粗骨料的理论计算裹浆厚度）对ＳＣＣ性能的影响．设计不同强度等级的ＳＣＣ配合质量比，采用旋转流变仪优化ＳＣＣ砂浆中粉煤灰质量分数和砂的体积分数，通过改变ＳＣＣ中粗骨料体积分数设计不同砂浆膜厚混凝土配合质量比，测试不同砂浆膜厚下新拌混凝土筛出砂浆（新拌自密实混凝土通过５ｍｍ标准筛后自由流出的砂浆）的流变特性、工作性以及其硬化混凝土的抗压强度．结果表明，基于ＳＣＣ砂浆流变参数进行砂浆组分优化得到的粉煤灰取代质量分数范围为２５％～３５％，砂的体积分数范围为０．４０～０．４２；当砂浆膜厚大于２．１ｍｍ后，新拌混凝土的工作性满足ＳＣＣ要求，筛出砂浆流变参数和硬化混凝土抗压强度趋于稳定，新拌混凝土坍落扩展度与其砂浆屈服剪切应力和密度相关，并给出了预测公式．
关键词：自密实混凝土；砂浆膜厚；筛出砂浆；流变参数；坍落扩展度；抗压强度
中图分类号：ＴＵ５９９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－０５０５（２０２０）０３ ０４６３ ０８
Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｏｒｔａｒｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｆｉｌｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
ｏｎｓｅｌｆ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅ
ＨｅＸｉａｏｂｉｎｇ１　ＳｈｅｎＷｕｆｕ１　ＪｉａＱｉｕｂｉｎｇ１　ＬｉｕＹａ２
（１ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｏｕｎｔａｉｎＢｒｉｄｇｅａｎｄＴｕｎｎｅｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００７４，Ｃｈｉｎａ）（２ＨａｎｇｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＰｌａｎｎｉｎｇＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｆｒｅｓｈｓｅｌｆ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅ（ＳＣＣ）ａｓａｔｗｏ ｐｈａｓｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆｍｏｒｔａｒａｎｄｃｏａｒｓｅａｇｇｒｅｇａｔｅ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｍｏｒｔａｒｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｔｈｅｆｉｌｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＳＣＣｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅＳＣＣｍｉｘｒａｔｉｏｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｅｎｇｔｈｇｒａｄｅｓ，ｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎａｌｒｈｅｏｍｅｔｅｒｗａｓｕｓｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｆｌｙ ａｓｈｃｏｎｔｅｎｔ（ｂｙｍａｓｓ）ａｎｄｓａｎｄｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｒｔａｒｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅＳＣＣ，ｔｈｅｎｃｏｎｃｒｅｔｅｍｉｘｔｕｒｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｒｔａｒｆｉｌｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏａｒｓｅａｇｇｒｅｇａｔｅｉｎｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅＳＣＣｍｉｘｅｓｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｌａｗｓｗｉｔｈｍｏｒｔａｒｆｉｌｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓ（ＭＦＴ），ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｉｅｖｅｄｍｏｒｔａｒｆｒｏｍｔｈｅｍｉｘｔｕｒｅｓ，ｗｏｒｋａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｉｘｔｕｒｅｓａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｈａｒｄｅｎｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎｒａｔｉｏｏｆｆｌｙａｓｈｆｏｒｃｅｍｅｎｔｒａｎｇｅｓｆｒｏｍ２５％ｔｏ３５％ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｍｏｒｔａｒｆｒｏｍＳＣＣ，ａｎｄｔｈｅｓａｎｄｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｉｓｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ０．４０ｔｏ０．４２；ｗｈｅｎＭＦＴｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ２．１ｍｍ，ｔｈｅｗｏｒｋａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｉｘｔｕｒｅｓｍｅｅｔｓＳＣＣｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｓｉｅｖｅｄｍｏｒｔａｒａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｔｅｎｄｔｏｂｅｓｔａｂｌｅ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｅｍｐｉｒｉｃａｌｆｏｒｍｕｌａｆｏｒｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｓｌｕｍｐｆｌｏｗｏｆｆｒｅｓｈＳＣＣｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｍｏｒｔａｒｙｉｅｌｄｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓａｎｄｔｈｅｍｉｘｔｕｒｅｄｅｎｓｉｔｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｌｆ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｍｏｒｔａｒｆｉｌｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓ；ｓｉｅｖｅｄｍｏｒｔａｒ；ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒ；
ｓｌｕｍｐｆｌｏｗ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈ
收稿日期：２０１９ １０ ２２．　作者简介：何小兵（１９７８—），男，博士，教授，ｄａｖｉｄ．ｈｘｂ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ．
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１４０８０９１）、中国博士后基金资助项目（２０１５Ｍ５７２６４１ＸＢ）、重庆市基础研究与前沿探索面上资助项目（ｃｓｔｃ２０１９ｊｃｙｊ ｍｓｘｍ２１７３）、重庆市教委科学技术研究资助项目（ＫＪ１５００５１２）、山区桥梁与隧道国家省部共建重点实验室开放基金资助项目（ＣＱＳＬＢＦ ２０１５ １２）．
引用本文：何小兵，沈武福，贾秋炳，等．砂浆流变特性及其膜厚对自密实混凝土性能的影响［Ｊ］．东南大学学报（自然科学版），２０２０，５０（３）：４６３４７０．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０２０．０３．００８．
新拌自密实混凝土（ｓｅｌｆ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅ，ＳＣＣ）是由不同尺度材料组成的三层次（净浆、砂浆和混凝土）固液两相体系［１３］，不同尺度材料体系构成了影响其工作性和强度的诸因素．流变学是研究和评价新拌混凝土工作性的有效方法［４７］，主要通过研究浆体的流变性能来评价混凝土的工作性［８９］．Ｃｈｉｄｉａｃ等［１０］和吴琼［１１］围绕微米级水泥净浆流变性与厘米级混凝土的工作性开展了大量的研究，认为水泥净浆流变性能能够反映混凝土的工作性．文献［１２１３］研究发现，净浆与混凝土存在较大尺度差，新拌混凝土流动变形时颗粒的内摩擦机制和大小差异显著，水泥净浆流动度与混凝土流变性能的相关性较差．由于胶凝材料／液相与骨料／液相的界面结构显著不同，粗、细骨料／液相界面结构本质相同，砂浆与混凝土拌和物内部结构中存在尺度上的近似性，混凝土和砂浆具有宏观性质相似性［１４］．因此，可将新拌自密实混凝土拌和物视作砂浆与粗骨料两相组成物，依据富裕砂浆理论假定［１２，１１，１５］，砂浆首先填充由粗骨料形成的堆积空隙，富裕砂浆（总砂浆减去填充骨料堆积空隙所需砂浆后的砂浆）则在粗骨料表面形成一定厚度的砂浆膜（粗骨料裹浆厚度）．可见，砂浆流变性能及其膜厚度直接影响ＳＣＣ工作性，进而影响其硬化强度［４，１６１８］．因此，设计ＳＣＣ配合质量比时，可采用流变学参数进行材料组合优化，同时综合考虑砂浆膜厚及其流变参数对混凝土拌和物的工作性和强度的影响．
本文在基础砂浆＋粗骨料两相悬浮体系假设基础上，结合膜厚理论，采用流变学参数设计ＳＣＣ．采用旋转流变仪测试ＳＣＣ砂浆中粉煤灰质量分数和砂的体积分数对材料流变参数的影响，利用流变参数指导砂浆组分优化，保证制备ＳＣＣ的基础砂浆具有较好的流动性和黏聚性；通过改变ＳＣＣ中粗骨料体积分数设计不同砂浆膜厚的ＳＣＣ拌和物，研究砂浆流变特性、ＳＣＣ拌和物工作性以及其抗压强度，基于砂浆膜厚和流变参数进行ＳＣＣ工作性预测，指导ＳＣＣ组分优化．
１　原材料及自密实混凝土参考配合质量比
１．１　原材料
水泥选用重庆拉法基地维水泥公司生产的Ｐ·Ｏ４２．５普通硅酸盐水泥，表观密度为３．１ｇ／ｃｍ３，比表面积为３４５ｍ２／ｋｇ，４５μｍ筛筛余量８．４％，需水量为２６．８％，初凝和终凝时间分别为１６５和２２６ｍｉｎ，２８ｄ抗压强度和抗折强度分别为５０．０和８．３ＭＰａ；粉煤灰采用重庆华珞粉煤灰公司提供的Ｆ类Ⅰ级粉煤灰，表观密度为２．３ｇ／ｃｍ３，４５μｍ筛筛余量为０．０％，烧失率为５％，需水率为９５％；细骨料采用细度模数为２．９０的中粗河砂，表观密度为２．６１ｇ／ｃｍ３，堆积密度为１．７１ｇ／ｃｍ３；粗骨料采用５～１６ｍｍ连续级配碎石，表观密度为２．７８ｇ／ｃｍ３，堆积密度为１．４５ｇ／ｃｍ３；减水剂选用高效聚羧酸减水剂母液（固含质量为５０％～６０％），６．５倍稀释使用．骨料级配组成见表１．１．２　自密实混凝土参考配合质量比
根据《自密实混凝土应用技术规程》（ＪＧＪ／Ｔ２８３—２０１２）制备Ｃ３０、Ｃ４０和Ｃ５０三种强度等级的ＳＣＣ，按规程进行坍落扩展度、Ｊ环扩展度和抗压强度测试，试验结果见表２．
表１　骨料级配
筛孔尺寸／ｍｍ１６．０１３．２９．５４．７５４．７５２．３６１．１８０．６００．３００．１５０．０７５０分计筛余／％０２７４０３３０１９．３１７．４２２．１２１．７１３．７３．６２．２累计筛余／％０２７６７１０００１９．３３６．７５８．８８０．５９４．２９７．８１００Ｄｉ／ｍｍ０１４．５３１１．２０６．７２４．７５３．３５１．６７０．８４０．４２０．２１０．１１０
　注：Ｄｉ为第ｉ级粒径骨料的等效粒径，Ｄｉ＝Ｄｉ＋１Ｄｉ
槡－１，Ｄｉ＋１、Ｄｉ－１为相邻筛孔尺寸．
表２　自密实混凝土参考配合质量比及性质
强度等级
配合质量比／（ｋｇ·ｍ－３）
水泥粉煤灰水细骨料粗骨料
减水剂／％
工作性／ｍｍ
坍落扩展度Ｊ环扩展度
抗压强度／
ＭＰａ
Ｃ３０３７１．５１５９．２２２２．９７７８．３８０６．０１．３６９０６７０３９．０Ｃ４０４０１．０１７２．０２０６．０７７８．３８０６．０１．４６８５６７０４９．７Ｃ５０４４４．０１９０．０１７７．０７７８．３８０６．０２．１７１０６９０５７．７
２　试验设计
２．１　自密实混凝土砂浆组分优化设计
以Ｃ５０自密实混凝土参考配合质量比为基础，在确定水胶质量比的前提下，采用绝对体积法将粗骨料体积分数设定为０，采用单因素变化试验获得不同粉煤灰质量分数和砂体积分数下砂浆流变性能变化规律，优化自密实混凝土配合质量比设计．
４
６
４东南大学学报（自然科学版） 第５０卷
ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
２．２　砂浆膜厚对自密实混凝土性能影响试验设计
基于两相悬浮体系假设，一部分砂浆填充粗骨料空隙，定义为空隙砂浆；另一部分砂浆包裹粗骨
料［１２，１１，１５］
，定义为富裕砂浆．富裕砂浆分布在粗骨
料表面，形成一层砂浆膜，混凝土的工作性能则由砂浆膜厚度和砂浆的流变特性共同决定．在获得优化的具有良好流变特性的砂浆后，仅需对砂浆膜厚进行试验设计．在进行膜厚计算时，由于流体表面张力作用，可将包裹着砂浆的骨料视作球形，因此将粗骨料等效为球形，并假定不同粒径粗骨料裹浆厚度相同，砂浆膜厚（粗骨料的理论计算裹浆厚度）模型见图１
．图１　砂浆膜厚模型
根据图１砂浆膜厚模型，单位体积混凝土拌和物砂浆膜厚计算公式如下：
Ｖｍ＋Ｖｃａ＝１Ｖｍ＝Ｖｉｍ＋Ｖｅｍ
Ｖｉｍ＝Ｖｃａ１－
ρｓｄρ()
ｐｄ
Ｔｍ＝
１６１－Ｖｉｍ
Ｖｃａ
－()１∑ｉ
Ｗｉ珚Ｄ
()
ｉ
－
１（１）
式中，Ｔｍ为砂浆膜厚，ｍｍ；Ｖｃａ、Ｖｍ、Ｖｉｍ和Ｖｅｍ分别为单位体积混凝土拌和物中粗骨料、砂浆、空隙砂浆和富裕砂浆的体积分数；ρｓｄ
为粗骨料的堆积密度，ｋｇ／ｍ３；ρｐｄ
为粗骨料的表观密度，ｋｇ／ｍ３
；Ｗｉ为第ｉ级粒径骨料所占总骨料的质量分数；珚Ｄｉ为连续
级配中（ｉ－１，ｉ＋１）筛子筛分粗骨料平均粒径，ｍｍ．
在本文中，理论上认为空隙砂浆的体积即为粗骨料的堆积空隙，由粗骨料的级配分布决定．砂浆（净浆＋细骨料）、粗骨料各自的理化性质决定了存在一个临界砂浆膜厚，当富裕砂浆所包裹粗骨料的厚度小于此临界厚度时，粗骨料裹浆不足，粗骨料的理化性质（如吸水性、表面吸附等作用）将劣化空隙砂浆的工作性；当厚度大于临界砂浆膜厚时，骨料完全被砂浆包裹，其理化性质对空隙砂浆工作性的影响可以忽略．为了确定理论上的空隙砂浆的流变特性是否受到了砂浆膜厚的影响，本文测试新拌混凝土通过５ｍｍ标准筛自由流出的筛出砂浆，根据筛出砂浆的流变性质
是否稳定来判断砂浆是否达到临界膜厚．因此，在级配确定的条件下，仅改变粗骨料的体积分数，就可以获得不同砂浆膜厚下的配合质量比，进而通过工作性试验和流变试验确定临界膜厚，并且相互印证．
根据式（１），以表２自密实混凝土参考配合质量比为基础，分别改变３组不同强度等级自密实混
凝土配合质量比中单位体积混凝土粗骨料体积分数（０．２７、０．２９、０．３１、０．３３和０．３５），得到不同砂浆膜厚Ｔｍ混凝土配合质量比（见表３），通过试验获得其流变参数、工作性和强度随砂浆膜厚的变化关系．
表３　试验配合质量比
强度
等级
Ｔｍ／ｍｍρ
（水泥）／（ｋｇ·ｍ－３
）ρ
（粉煤灰）／（ｋｇ·ｍ－３
）ρ
（水）／（ｋｇ·ｍ－
３）ρ
（骨料）／（ｋｇ·ｍ－３）细粗ρ
（减水剂）／（ｋｇ·ｍ－３
）
混凝土密度／
（ｋｇ·ｍ－３）Ｃ３０２．９３８２．０１６３．７２２９．０８００．０７５１．０７．１２３３２．８２．５
３７１．５１５９．２２２２．９７７８．３８０６．０６．９２３４４．８２．１３６１．０１５４．７２１６．６７５６．４８６２．０６．７２３５７．４１．８３５０．６１５０．２２１０．３７３４．５９１７．０６．５２３６９．１１．５３４０．１１４５．８２０４．１７１２．５９７３．０６．３２３８１．８Ｃ４０２．９４１２．０１７７．０２１２．０８００．０７５１．０８．２２３６０．２２．５
４０１．０１７２．０２０６．０７７８．３８０６．０８．０２３７１．３２．１３８９．０１６７．０２００．０７５６．４８６２．０７．８２３８２．２１．８３７８．０１６２．０１９４．０７３４．５９１７．０７．６２３９３．１１．５３６７．０１５７．０１８９．０７１２．５９７３．０７．３２４０５．８Ｃ５０
２．９４５６．０１９５．０１８２．０８００．２７５１．０１３．７２３９７．９２．５４４４．０１９０．０１７７．０７７８．３８０６．０１３．３２４０８．６２．１４３１．０１８５．０１７２．０７５６．４８６２．０１２．９２４１９．３１．８
４１９．０
１７９．０
１６７．０
７３４．５
９１７．０
１２．６
２４２９．１
３　试验方法
３．１　砂浆流变性能测试
砂浆流变性能测试采用ＡｎｔｏｎＰａａｒ ＭＣＲ １０２
旋转球测试系统（见图２（ａ）），转子为８ｍｍ球形转子，适用于最大粒径小于８ｍｍ的砂浆．在测试砂浆屈服剪切应力与塑性黏度变化规律时，剪切速
率控制在１～１００ｓ－１［１６］
．
５
６４第３期何小兵，等：砂浆流变特性及其膜厚对自密实混凝土性能的影响
ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
自密实混凝土砂浆组分优化时，采用流变仪直接测试砂浆的流变参数．
理论上的空隙砂浆和富裕砂浆只用于计算砂浆膜厚，在砂浆膜厚对自密实混凝土性能影响试验中，需将砂浆从混凝土中筛出后进行流变测试．试验用５ｍ
ｍ标准筛子筛出砂浆（混凝土经筛子自由流出），通过测试筛出砂浆（见图２（ｂ））的流变参
数来表征混凝土的流变性质［
１９］
．筛出砂浆流变性质是空隙砂浆和富裕砂浆的综合性质，当砂浆膜厚达到临界厚度后，可以认为是空隙砂浆的性质，也即是混凝土中砂浆组分的流变性质．因此，可以通过筛出砂浆的流变参数和计算膜厚来预测自密实混凝土工作性，进而指导配合质量比的设计
．
（ａ）ＡｎｔｏｎＰａａｒ ＭＣＲ １０２旋转球测试系统
（ｂ）砂体积分数
图４　砂浆流变参数变化规律
６６４东南大学学报（自然科学版） 第５０卷
ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
图４（ａ）表明，随着粉煤灰质量分数的增加，混凝土初始屈服剪切应力先显著降低，当粉煤灰质量分数达到３０％后开始稳步增加；塑性黏度随着粉煤灰质量分数增加，先增加后逐步趋于稳定．屈服剪切应力变化与粉煤灰中玻璃微珠的滚珠效应和表面效应有关，当粉煤灰质量分数过大后，其比表面积效应逐步成为主导因素，屈服剪切应力开始逐步增加；塑性黏度变化与滚珠效应、表面效应和活
化效应导致的自由水先减少后趋于稳定有关［２０］
．
由图４（ｂ）可见，随着砂体积分数的增加，混凝土初始屈服剪切应力先缓慢增加，达到０．４２后开始急剧增加；塑性黏度先缓慢增加，后趋于稳定，主要与细骨料表面效应有关．
因此，当粉煤灰质量分数在２５％～３５％、砂的体积分数在０．４０～０．４２时，自密实混凝土具有较小的初始屈服应力和稳定的塑性黏度，能保证其具有较好的流动性和黏聚性．
４．２　砂浆膜厚对混凝土性能影响分析４．２．１　工作性
图５为混凝土工作性与砂浆膜厚的关系，表现为收敛对数函数．以Ｃ３０混凝土为例，拟合得到函
数为Ｆ＝５３０．２７ｌｎＴｍ＋
１７３．８８，Ｒ２＝０．９６６，其中，Ｆ为混凝土坍落／Ｊ环扩展度，ｍｍ．当膜厚大于２．１ｍ
ｍ
（ａ）坍落扩展度
（ｂ）Ｊ环扩展度
图５　混凝土工作性随砂浆膜厚变化关系后，混凝土的坍落扩展度大于５５０ｍｍ，且坍落扩展度与Ｊ
环扩展度之差小于５０ｍｍ，满足自密实混凝土流动度和间隙通过性要求；当膜厚达到２．５ｍｍ后，坍落扩展度与Ｊ环扩展度逐步趋于稳定，此时膜厚的影响减小，混凝土工作性主要取决于砂浆流动性能．
可见，随着砂浆膜厚增加，粗骨料体积分数逐渐降低，砂浆能够包裹粗骨料表面，避免了粗骨料直接接触，起到润滑层作用，减少了骨料之间的摩擦力，显著改善混凝土的流动性；当砂浆膜厚增加到临界厚度后，骨料已包裹足够的浆膜，粗骨料的理化性质对膜厚的增量效应可以忽略，扩展度变化趋于稳定，其流动特性主要取决于混凝土中砂浆组分的特性．４．２．２　流变参数
图６为不同强度等级混凝土、
不同砂浆膜厚的
（ａ）Ｃ３
０
（ｂ）Ｃ４
０
（ｃ）Ｃ５０
图６　筛出砂浆流变曲线
７
６４第３期何小兵，等：砂浆流变特性及其膜厚对自密实混凝土性能的影响
筛出砂浆流变曲线，符合Ｂｉｎｇｈａｍ流变模型，相关系数达０．９９以上．根据图６得到的筛出砂浆初始屈服剪切应力、塑性黏度随砂浆膜厚变化关系见图７．
ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
判工作性形成对应关系，用于指导配合质量比设
计．由图９可见，混凝土抗压强度随砂浆膜厚的增
加先有一定幅度的增加，当膜厚达到２．１ｍｍ后，
趋于稳定．图５工作性测试表明，当砂浆膜厚度小
于２．１ｍｍ时，混凝土的流动性不满足自密实要
求，由于抗压试件按自密实混凝土试件成型方法制
作，未经振捣，因此混凝土强度会有一定程度降低．
当砂浆膜厚大于２．１ｍｍ后，继续增加膜厚对混凝
土强度影响不大，并且当膜厚为２．９ｍｍ时，骨料
的体积分数仅为０．２７，小于《自密实混凝土应用技
术规程》（ＪＧＪ／Ｔ２８３—２０１２）中规定的粗骨料体积
分数最小值０．２８～０．３５，而砂浆膜厚过大可能会
出现未知的负面效应，加之浆体含量过大会增加材
料成本，因此在进行配合质量比设计时，根据实际
情况，应在满足自密实性能的前提下尽量采用较小
的砂浆膜厚．
ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
５９：３８４８．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｅｍｃｏｎｃｏｍｐ．２０１５．０３．００１．
［９］刘豫，史才军，焦登武，等．新拌水泥基材料的流变特性、模型和测试研究进展［Ｊ］．硅酸盐学报，２０１７，４５（５）：７０８７１６．ＤＯＩ：１０．１４０６２／ｊ．ｉｓｓｎ．０４５４ ５６４８．２０１７．０５．１７．
ＬｉｕＹ，ＳｈｉＣＪ，ＪｉａｏＤＷ，ｅｔａｌ．Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｍｏｄｅｌｓａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｆｒｅｓｈｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｍａｔｅｒｉ ａｌｓ—Ａｓｈｏｒｔｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＣｅｒａｍｉｃＳｏｃｉｅｔｙ，２０１７，４５（５）：７０８７１６．ＤＯＩ：１０．１４０６２／ｊ．ｉｓｓｎ．０４５４ ５６４８．２０１７．０５．１７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
［１０］ＣｈｉｄｉａｃＳＥ，ＭａｈｍｏｏｄｚａｄｅｈＦ．Ｐｌａｓｔｉｃｖｉｓｃｏｓｉｔｙｏｆｆｒｅｓｈｃｏｎｃｒｅｔｅ—Ａｃｒｉｔｉｃａｌｒｅｖｉｅｗｏｆｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓｍｅｔｈ
ｏｄｓ［Ｊ］．ＣｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｃｒｅｔｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，２００９，３１
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