National Kaohsiung University of Applied Sciences Institutional Repository:Item 987654321/10060

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混凝土勻質性影響因素的研究

石磊1, 水中和1, 王桂明1, 杜志國2 1. _{武漢理工大學材料科學與工程學院, 武漢 430070} 2. _{內蒙古錫林浩特多倫養路工區, 锡林浩特 027300} E-mail: [email protected]

摘要

本文采用离析度和集料分布图像法对混凝土的匀质性进行了綜合評價。試驗結果顯示，离析度、集料离差度与强度差异率存在很好的线性相关性；新拌混凝土在制备过程中引起的微观和宏观泌水作用会在集料界面处产生水分分布梯度，并最终导致硬化后混凝土界面过渡区内结构在不同位置存在明显差异；水灰比的降低、矿物掺合料和外加剂的掺入能有效改善界面过渡区的均匀性。關鍵詞:匀质性；显微硬度；界面过渡区

Investigation on the Influence Factors of Homogeneity of Concrete

Shi Lei1, Shui Zhonghe 1, Wang Guiming1, Du Zhiguo2

School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology,Wuhan 430070; 2. Xilinhaote Duolun Highway Management Work Area of Inner Mongolia, Xilinhaote 027300

Abstract

In this thesis, aggregate segregation degree and image analysis method on the homogeneity of concrete conducted a comprehensive evaluation. The results showed that the degree of segregation and diversity of aggregate had a good linear relationship to compressive strength of different part of concrete; In the preparation process of fresh concrete, the micro-bleeding and macro-bleeding make the water content around the aggregate particles asymmetry, and influent the symmetry of the interfacial transition zone( ITZ) of hard concrete; The decrease of water content, mineral admixtures and superplasticizer can effectively improve the ITZ of concrete.

Key words: homogeneity; micro-hardness; ITZ

1. 前言

由于外加剂的大量使用，在流动性增加的同时，也加大了混凝土匀质性下降的趋势，甚至造成新拌混凝土离析、泌水等情况发生。用水量的波动，不仅带来了水灰比的变化，影响了混凝土的强度；还导致了混凝土中浆体材料的粘度发生变化，增加了粗集料的分离，泌水和离析等匀质性不良现象的发生。硬化后结构呈现出宏观和细观结构上的不均匀，从而降低了强度和耐久性，所以改善匀质性消除分层离析现象是保证混凝土强度和耐久性的关键所在[1]。

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混凝土界面过渡区是混凝土的薄弱环节，它在混凝土内部是一个不均匀体系。界面过渡区的不均匀性是由结构内部宏观和微观层面上的泌水共同作用引起的。混凝土在制备过程中微泌水作用引起了内部集料的界面过渡区的不均匀性，且单个集料不同方向上的界面过渡区也是不均匀的。因此，混凝土在制备过程中的泌水作用会导致混凝土表层和内部集料以及单个集料的界面过渡区性能均存在较大差别[2]。本文研究主要涉及混凝土匀质性的评价以及界面过渡区显微硬度的测试和微观形貌的观察，通过研究用水量波动、水灰比、外加劑及礦物摻合料摻入对混凝土匀质性带来的影响，试图建立諸因素与混凝土匀质性变化之间的联系。

2. 試驗材料與方法

2.1 試驗材料 水泥：华新水泥股份有限公司生产的华新堡垒 42.5 级普通硅酸盐水泥，相对密度为 3100kg/m3_，比表面积为 330m2_{/kg。粗集料：粗集料为湖南临湘白云矿 5-31.5mm 碎石。细集料：洞庭湖黄砂，细度模数为} 2.66。粉煤灰：湖北武汉阳逻电厂的 I 级粉煤灰，密度 2.342g/cm3_{。外加剂：武汉港湾新材料}_{LN-SP 聚羧酸} 减水剂。拌合水：生活用水。 2.2 試驗方法 2.2.1 基准配合比 本文中根据相同的匀质性（离析度）设计了普通混凝土和高性能混凝土，基准配合比见表1。在基准配比的基础上，单位水量的波动为±15kg/m3_和±25kg/m3_。表1 试样配合比(kg/m3₎ 编号水水泥粉煤灰砂石子外加剂 N-3 198 385 — 645 1187 — H-3 150 265 140 722 1153 3.645 2.2.2 勻質性測試方法 为研究拌和物的匀质性，本文采用如图1 所示的试验模具，该套模具由底面和三节直径 150mm，高 100mm 的圆柱体钢模组成。试验时，拌合物装入模具，经振捣，分别取出 1～3 层拌合物，测出质量从而得出湿容重，再根据式（1-1）算出离析度（用 k 表示），k 越大表明拌和物匀质性破坏越严重，反之 k 越小表明拌和物整体的匀质性破坏越轻，匀质性越好。 2 1 0

k

ρ

−

=

（1-1）式中

ρ

0_{—基准混凝土湿容重；}

ρ

1_{—上层混凝土湿容重；}

ρ

2_{—下层混凝土湿容重。} 在完成分层度试验后，上下层混凝土试样按100mm×100mm×100mm 规格成型，测定 28d 的抗压强度。

(3)

图 2-A 原始图像图 2-B 预处理后图像图 2-C 分层图像图 2-D 图像分割后图片图1 匀质性测定装置示意图本文中还对混凝土中粗集料的分布状态进行了图像法分析。当混凝土试件达到规定龄期，沿浇注方向切割，将断面整理清洁干净，使用图像扫描技术对断面处取图（图2-A），然后运用图像处理技术对粗集料的分布状态进行标示（图 2-B），再根据所标示粗集料与背景的灰度差别对经过处理后的图像进行图像分割（图2-C），从而对不同层粗集料的分布状态进行统计，对振捣后粗集料的运动情况进行表征（图 2-D）。试验中采用了DT2000 图像分析软件。当各混凝土试件完成不同层面集料分布图像法分析后，取其中央部分制成约 10mm×100mm×100mm 规格的块样，然后选取其中一个约100mm×100mm 的平面，经过打磨、抛光，制成光片留做显微硬度测试。

3. 試驗結果及分析

3.1 用水量波動對混凝土勻質性的影響 分层离析是拌合物匀质性劣化的主要特徵之一，因为已经产生离析的混凝土就不可能充分捣实，而这对于获得可能有的最大强度却是必要的条件，因而通過降低分层离析的倾向來保證混凝土拌合物的勻質性是切實可行的[3]。图 3 用水量对混凝土离析度影响图圖 4 单位用水量对混凝土集料分布的影响由图 3 和图 4 可以看出，用水量的变化给混凝土匀质性带来了明显影响。混凝土中用水量增加，导致了砂浆的粘度下降，粘度的下降致使阻碍粗集料运动的能力降低，砂浆没有足够的粘度以阻碍集料的运动，离 0 2 4 6 8 10 12 14 -25 -15 0 15 25 普通混凝土高性能混凝土 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -25 -15 0 15 25 普通混凝土高性能混凝土单位用水量/kg 离析度 /% 粗集料离差度 /%

(4)

集料下沉，浆体上浮，混凝土整体的匀质性变差。對於高性能混凝土，粉煤灰的加入，虽然其微细颗粒的填充作用优化了混凝土的颗粒级配，同时，其分散作用使水分均匀分散，可以一定程度上提高浆体整体的均匀性；但是，外加剂的加入，显著降低了水泥浆体的粘度，集料较普通混凝土更易于发生相对运动，匀质性略微下降[4]。設集料顆粒為 r 半徑為的球體,根據流體力學理論，以重力方向為正向，可以求得混凝土中集料顆粒的運動速度為[5]： 2

2 (

)

9

c

r g

v

ρ ρ

η

−

=

（1-2）式中：r—集料粒徑；g —重力加速度（m/s2_）_；

ρ

_、 c

ρ

—分别表示颗粒密度和液体的密度（g/cm3_）；η_— 液体的粘度（P）；

ν

—颗粒的运动速度（cm/s）。將粗集料視為顆粒相，砂漿視為液體相。粗集料顆粒密度一般為 2.6 g/cm³-2.8g/cm³，而砂漿的密度為 2.2g/cm³左右，因此

ρ

−

ρ

c

>

0

，表示顆粒的運動方向與重力作用的方向一致，造成集料下沉，漿體上浮。由公式（1-2）可知，粗集料相對運動速度和集料與砂漿的密度差成正比，與砂漿粘度成反比。當用水量增加時，漿體的粘度下降，集料的相對運動速度增加，集料越易下沉，離析度加大，與前面試驗結果一致。

v

3.2 水灰比對混凝土勻質性的影響 随着水灰比增加，混凝土的离析度显著增大，粗集料的下沉、浆体的上浮加剧，对混凝土不同层结构的集料的分布也有着显著的影响[6]。本文取分层度筒上下层拌合物成型，測其分层抗压强度，通過上下部分的強度差異研究對混凝土勻質性的影響。离析度和集料分布的离差程度对混凝土结构物上下层强度差异率的影响见图5、6 所示。图 5 混凝土离析度-强度差异率图图 6 混凝土集料离差度-强度差异率图强度差异率 /% y = 0.9659x + 0.2278 R2_{= 0.9644} 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 离析度/% 强度差异率 /% y = 0.3394x + 2.0077 R2 = 0.9716 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 集料离差度/%

(5)

由图 5 和圖 6 可见，离析度和强度差异率以及上下层混凝土中粗集料的离差程度与强度差异率都具有良好的線性相關性。随着水灰比增加，混凝土的离析度显著增大，粗集料的下沉、浆体的上浮加剧，上层结构中粗集料的含量减少，浆体含量相应增多，离析作用影响下，泌水加剧，上层结构中有效水灰比降低，导致实际强度下降。上下层粗集料的离差度增加，强度差异率也增大。各试样的显微硬度测试结果如图7、8 所示。图 7 N3 内部集料界面过渡区显微硬度图图 8 N3 表层集料界面过渡区显微硬度图从图 7 和 8 可以看出，混凝土试样内部集料其下界面过渡区均最宽为 70-80μm，侧界面过渡区宽度次之为60-70μm，上界面过渡区宽度最小为 50-60μm，侧面显微硬度值介于上、下介面之间；试样表层集料界面过渡区宽度略大于内部，集料周围界面过渡区存在着明显不均匀性。這主要是因为振动过程中的宏观层面的泌水作用，使得更多的水分集中到混凝土的表层致使表层混凝土含水量偏高，集料界面处形成的水囊更大，水灰比更大，导致表层集料界面过渡区内结构更加疏松，界面过渡区宽度变大[7]。 3.3 礦物摻合料及外加劑的摻入對混凝土勻質性的影響 从图 9、10 中可以看出，高性能混凝土离析度、集料离差度与强度差异率的关系具有很好的相关性。粉煤灰的加入，由于其反应活性远低于水泥及不利于吸附混凝土中水分的球形玻璃体形貌，都可能使混凝土中的可泌水分增加。在外加剂的共同作用下，体系的粘度减小，粘度的下降和自由水的增多，加剧了颗粒的下沉和浆体的上浮，导致了强度差异率的增大。图 9 混凝土离析度-强度差异率图图 10 混凝土集料离差度-强度差异率距离/μm 显微硬度 HV/MPa 距离/μm 显微硬度 HV/MPa y = 0.842x - 0.8225 R2_{= 0.9808} 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 强度差异集料离差度/% y = 0.3705x - 4.0609 R2_{= 0.9507} 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 强度差异

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图 11 H3 内部集料界面过渡区显微硬度图显微硬度 HV/MPa 距离/μm 图 12 H3 表层集料界面过渡区显微硬度图显微硬度 HV/MPa 图 13 H5 内部单集料界面过渡区显微硬度图距离/μm 显微硬度 HV/MPa 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 20 40 60 80 100 120 140 上界面侧面下界面显微硬度 HV/MPa 图 14 H5 表层单集料界面过渡区显微硬度图 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 20 40 60 80 100 120 140 上界面侧面下界面图11～14 给出了试样 H3、H5 表层以及内部集料周围各界面显微硬度的分布情况。从图中可以看出，相同匀质性下的高性能混凝土的界面过渡区宽度窄于普通混凝土，而且上、下界面以及侧面的显微硬度值的分布呈现较为相同的趋势。可見，用水量的变化对混凝土微观匀质性的影响而言，高性能混凝的影响要明显大于普通混凝土[8]，这与2.1 节的论述一致。矿物掺合料和高效减水剂的加入改善了混凝土的界面过渡区，使得混凝土的强度和耐久性得到提高，但高性能混凝土对于用水量的波动较普通混凝土敏感，相同水量的变化对界面过渡区的影响大于普通混凝土，特别是对于混凝土表层集料四周的界面。

4. 結論

（1）采用离析度和集料分布图像法相结合的方法可以有效的对混凝土的匀质性进行判定，离析度、集料离差度与强度差异率存在很好的线性相关性；（2）用水量的增加会带来混凝土匀质性的下降，对于匀质性相同的普通混凝土和高性能混凝土，相同用水量的变化对高性能混凝土的影响更为显著；（3）水灰比的降低能减小界面过渡区的宽度，改善界面过渡区的不均匀性；（4）矿物掺合料和外加剂的掺入能够有效改善界面过渡区的均勻性。

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参考文献

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[8] 魏麗萍.水在混凝土中的作用及對混凝土性能的影響.安徽建築工程學院學報（自然科學版），2002.10（1）：17～20 作者簡介:石磊, [email protected], +86-15171466541