预填骨料混凝土的结构缺陷及改进措施

第24卷　第6期

2002年6月

武　汉　理　工　大　学　学　报

J OURNAL OF W UHAN UN I VERSI T Y OF TECHN OLOG Y

V o l .24　N o .6　Jun .2002

文章编号:167124431(2002)0620019203

预填骨料混凝土的结构缺陷及改进措施

高振国　金树新　罗永会(石家庄铁道学院)

摘　要:　在试验的基础上,从预填集料混凝土力学性能入手,应用混凝土结构理论,分析了预填集料混凝土内部缺陷成因,并对传统预填集料混凝土的施工方法加以改进,从而减少缺陷,配制出较高强度的预填集料混凝土。关键词:　预填集料混凝土;　结构缺陷;　强度;　施工中图分类号:　TU 528.59

文献标识码:　A

收稿日期:2001212203.

作者简介:高振国(19682),男,讲师;石家庄,石家庄铁道学院(050043).

预填集料混凝土是指预先在模具内将粗骨料铺好振实,再向其空隙中注入砂浆而成的混凝土[1]。由于施工方法与普通混凝土有较大的不同,其结构与普通混凝土也存在较大的差异,进而导致预填集料混凝土的多项性能(特别是强度)下降。资料表明,预填集料混凝土强度总体水平为C 20。

对预填集料混凝土进行大量宏观力学性能试验,分析其缺陷成因,采取一定的措施,使预填集料混凝土28d 强度达34M Pa 以上。

1　预填集料混凝土主要缺陷及成因

1.1　预填集料混凝土的界面裂缝

混凝土的受力破坏是以其内部初始裂缝扩展而开始的。初始裂缝主要是指由于水泥石收缩形成内应力而造成的微裂缝及混凝土内的一些孔隙。普通混凝土中,由于粗骨料是悬浮于砂浆中的,因而在水泥石及砂浆收缩时,被其所包裹的粗骨料可随之发生一定的位移,从而抵消部分内应力。预填集料混凝土中,粗骨料的预填使其颗粒相互接触,颗粒间存在一定的机械咬合力,在砂浆收缩时粗骨料颗粒不能发生相对位移,使得粗骨料与砂浆界面上的拉应力比普通混凝土更大,因而界面裂缝数目会更多。同时,预填集料混凝土成型时,为保证砂浆的顺利注入,砂浆的水泥及水用量均较大,必然导致其后期收缩的增大,进一步加剧了界面裂缝的形成及其尺寸的扩大。1.2　界面过渡区结构

界面过渡区是影响混凝土性能的一个重要区域。界面过渡区对混凝土强度的影响主要通过过渡区晶体取向及过渡区孔隙率两个方面体现。由于预填集料混凝土的独特施工工艺要求灌注砂浆有足够高的流动性,因而砂浆的水泥用量及用水量均较大,这在客观上必然导致灌注砂浆的稳定性低于普通混凝土中砂浆的稳定性,因而预填集料混凝土内分层加剧,砂浆中的水会更多、更容易泌出,从而在粗骨料下部形成较大水囊。这会使水泥水化而得的氢氧化钙及水化硫铝酸钙等结晶受到较小的约束,晶体生长的取向性会加大[2];同时,因为约束小,晶粒尺寸也将加大,必然导致过渡区孔隙率的增大。因此界面强度下降,从而导致预填集料混凝土强度降低。

1.3　预填集料混凝土粗骨料的网络式接触

吴中伟院士在其“中心质假说”理论中指出[3],中心质网络化是复合材料的一种理想结构。因为中心质网络化可更好地使中心质效应叠加,从而对复合材料起到增强的作用。这一点在水泥石结构体系中有较好的体现,但对于混凝土这种大颗粒分散体系,界面粘结力的强弱对中心质效应的影响是必须考虑的因素。换言之,

中心质网络化必须以较强的界面粘结力来保障,才能达到较好的增强作用。在预填集料混凝土中,粗骨料颗粒间相互接触可形成空间网架,但由于其界面裂缝的产生、界面过渡区结构的恶化,均导致粗骨料与砂浆介质界面粘结力下降,因而在混凝土受压时,不受力的方向约束较小,粗骨料颗粒更容易向无约束方向发生位移或偏转,造成粗骨料与砂浆介质界面几乎全面积受拉,恶化了承载作用,使预填集料混凝土强度下降。1.4　施工形成的内部缺陷

预填集料混凝土由于砂浆后注入,必然会使粗骨料颗粒间隙局部浆体不饱满,从而形成空洞。传统的预填集料混凝土施工方法为避免这一情况的发生,采用铝粉发气的方式使浆体膨胀,以保证浆体饱满地填充于粗骨料间隙中。但铝粉发气会使混凝土孔隙率增大,对其力学性能不利;同时浆体的后期收缩不可能减少,且由于浆体硬化后含气量较大、弹性模量低,浆体收缩会有加大的趋势。硬化浆体收缩加大进一步恶化了粗骨料与砂浆介质的界面粘结,从而使预填集料混凝土强度进一步下降。1.5　小结

上述种种缺陷的发生,均可导致预填集料混凝土强度及其它力学性能与普通混凝土相比有极大的差异。采用水灰比(W C )为0.45、0.50、0.55、0.60、0.65,砂灰比(S C )为1.0、0.8分别配制预填集料混凝土(水泥为P .O 425),得出预填集料混凝土强度与水灰比关系如下:

R 预=23.54(C W )-20.31 (S C =1.0)

(1)R 预=18.85(C W )-

14.19 (S C =0.8)(2)

与普通混凝土相比,在常用水灰比范围内,预填集料混凝土强度低于普通混凝土强度,其趋势见图1,强

度数据见表1。

表1　预填集料混凝土与普通混凝土强度对比

M Pa

混凝土类别

数据来源灰水比1.5381.6671.8182.0002.222预填集料混凝土(S C =1.0)实 测17.018.023.124.832.8预填集料混凝土(S C =0.8)

实 测18.019.323.227.7普通混凝土

公式计算

22.5

25.4

28.7

32.7

37.1

2　改进措施

2.1　减少界面裂缝

图1　强度与灰水比关系

以U EA 膨胀剂造成浆体膨胀,弥补浆体硬化后收缩,可减少砂浆介质硬化后与粗骨料的界面裂缝,从而使预填集料混凝土强度得以提高。

采用5220碎石,粒径小于1.25mm 的河砂及P .O 425水泥(上述材料均为石家庄市产)为基本原材料成型预填集料混凝土,试验水灰比为0.50,减水剂w (FDN )=0.7%,砂

灰比S C =1.0;改变约束龄期及U EA 内掺量,应用L 9(3)4

正交表安排试验[4],因素水平表见表2,试验结果见表3(因素A 排L 9(3)4表第一列,B 排L 9(3)4表第二列)。

试验结果分析表明,U EA 内掺量与约束龄期之间存在交互作用,内掺量越高、约束龄期越长,预填集料混凝土强度越高。其试验最高强度达34M Pa ,比由(1)式计算而得的同水灰比强度(26.7M Pa )超出7.3M Pa 。可见,U EA 的掺加可以提高预填集料混凝土的强度,其界面裂缝可以有一定的修复。

2.2　改善界面过渡区结构

通过掺加减水剂减少注入浆体的用水量、尽可能采用最大粒径较小的碎石、采用粉煤灰活性掺和料及掺加U EA 膨

表2　因素水平表

水平

因 素A 内掺量 %B 约束龄期 d 1

3726143

921

2 武　汉　理　工　大　学　学　报 2002年6月