自密实砂浆配合比设计及工作性能

张云国,李梦楠,薛向锋

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)



自密实砂浆配合比设计及工作性能

张云国,李梦楠,薛向锋

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)

分别考虑了水胶比、粉煤灰掺量、砂率、减水剂用量的变化，用全计算法设计了13种配合比的自密实砂浆，应用欧洲自密实混凝土规范EFNARC建议的方法对自密实砂浆进行了流动扩展度、V型漏斗试验，分析材料掺量对工作性能的影响规律，据此可以快速确定自密实砂浆的配合比参数.结果表明，在选定水泥标号条件下，自密实砂浆配合比参数范围的选择有限.

自密实砂浆；工作性能；流动扩展度；配合比设计

0 引言

近年来，自密实混凝土在工程上的应用越来越广泛，国内外学者开展了较多的关于自密实混凝土性能的研究[1-2].有的把纤维添加到自密实混凝土中形成纤维自密实混凝土，也有的用轻骨料替代普通骨料得到自密实轻骨料混凝土[3]，这些混凝土的配合比设计方法及工作性能一直是国内外研究中主要关注的问题.作为自密实混凝土重要基体材料，自密实砂浆的性能对自密实混凝土工作性能的影响非常大，同时它也是一种特殊形式的自密实混凝土，广泛应用于工程狭窄部位的填充、自流平地面及工程修复当中[4].日本学者Okamura最早提出自密实混凝土概念时，就提出了一种先配制自密实砂浆，再按照固定粗骨料体积进行自密实混凝土配合比设计的方法[5].自密实砂浆的工作性能对自密实混凝土的工作性能有着重要的影响[6].本文从自密实砂浆的组成材料着手，采用欧洲规范EFNARC建议的试验方法[7]，分析各组成材料对自密实砂浆工作性能的影响规律，为自密实砂浆的工程应用及自密实混凝土配合比设计方法提供更多依据.

1 试验

1.1 试验原材料

试验中采用的水泥为大连小野田水泥厂生产的P·O 42.5R普通硅酸盐水泥，其基本性能指标如下：初凝时间为148 min，终凝时间为192 min，3 d抗压强度为27.5 MPa，28 d抗压强度为53.6 MPa，安定性为合格.粉煤灰的加入可减少水泥的用量，降低水化热，提高混凝土的抗离析性，因此，配制高性能混凝土或者砂浆时通常要加入粉煤灰，以改善混凝土的性能.本次研究采用的是大连本地产Ⅰ级粉煤灰，物理性能如下：密度为2.3 g/cm3，烧失量为0.62%，需水量比为94%，含水量为0.1%，三氧化硫为0.78%.减水剂的加入可以大大提高砂浆的流动性，降低用水量.由于聚羧酸类的减水剂减水率高，与水泥的兼容性好，所配制出的混凝土拌合物的保水性和体积稳定性也较好，本次试验采用的减水剂为巴斯夫化学建材(北京)有限公司生产的聚羧酸减水剂，减水剂物理性能见表1.

表1 高效减水剂物理性能

配制自密实砂浆对砂的要求较高，砂的粗细直接影响自密实砂浆的工作性能.如果选用粗砂，会降低自密实砂浆的粘聚性，容易离析；如果选用细砂，表面积增大，会导致用水量增加，会对自密实混凝土的强度和弹性模量产生不利影响.因此，在配制自密实砂浆时宜选用细度模数较大的偏粗中砂，从而降低自密实砂浆的用水量，保证拌合物的流动性.试验中采用大连本地河砂，表观密度2 650 kg/m3，细度模数2.75.

1.2 砂浆配合比设计方法

砂浆配合比设计采用全计算配合比设计方法的观点[8]，假设：①自密实砂浆的各个组成材料具有体积可加性；②干砂浆的空隙由水来填充；③砂浆由水泥、砂、矿物掺和料和空隙组成.

按照上述假定，单位体积砂浆的构成如式(1)所示：

式中:Vw、Vc、Vf、Vs、Va分别为水、水泥、粉煤灰、砂及空隙的体积.

换算成质量与密度的关系得：

水胶比C可根据经验确定，由于自密实砂浆或者混凝土水胶比通常较小，强度容易达到设计要求，工作性能是配合比设计的主要控制指标，因此，水胶比通常可以在0.3～0.4之间选择，然后通过试配确定.干砂体积Vs可依据砂和胶凝材料二相材料最大压实度法确定，也可以通过经验确定，通常干砂在砂浆中体积率可以在0.40～0.44之间选择.根据上述水胶比表达式和粉煤灰取代水泥量关系可以确定水及粉煤灰用量.减水剂用量需要根据减水剂的特性和减水效率综合确定.

为了研究砂浆在不同配合比参数条件下工作性能的变化规律，研究中考虑了水胶比的变化、砂率的变化、粉煤灰掺量的变化及减水剂掺量的变化.水胶比的变化取0.34、0.35、0.36和0.38；砂率变化取0.4、0.41、0.42和0.43；粉煤灰取代率分别为20%、25%、30%、35%和40%；减水剂变化取胶凝材料质量的0.55%、0.6%和0.65%.分别考虑上述变化，设计砂浆配合比如表2所示.

表2 砂浆配合比设计参数

1.3 砂浆工作性能试验方法

自密实砂浆的试配过程中，每种配合比类别的砂浆每次试验配制2L，这样可以大大降低试配的工作量，同时也可以节约材料.将称好的砂、水泥、粉煤灰依次倒入砂浆搅拌机容器中，慢速搅拌60s，使得三种原材料充分混合，然后加入水和减水剂，30s后调至快搅的档位，再搅拌60s.自密实砂浆工作性能的判定采用欧洲自密实混凝土规范(EFNARC)[7]关于自密实砂浆工作性能建议的流动扩展度试验和V-型漏斗试验方法综合判定，V-型漏斗试验装置如图1所示.

图1 砂浆V-型漏斗试验装置

2 结果与讨论

2.1 试验结果及分析

目前砂浆工作性能的试验研究方法多数采用欧洲规范EFNARC的流动扩展度和V-型漏斗试验，前者主要评价砂浆的流动性，而后者主要评价砂浆的粘聚性，二者是评价自密实砂浆或者混凝土工作性能的重要指标，其关于自密实砂浆的流动扩展度建议值为(240±20)mm，通过V-型槽的时间Tv为7～11s.对于砂浆扩展到直径250mm所用的时间T250国际上并没有统一的标准，只作为评价砂浆流动性能的参考指标，T250越小表明砂浆的流动性能越好.因此，研究中采用该三项指标结合观察对自密实砂浆的工作性能进行综合分析.对设计的13种配合比的砂浆进行流动扩展度及V-型漏斗试验，结果见表3～表6所示，同时绘制不同分组的砂浆流动扩展度及V-型漏斗试验结果，见图2.

由表3可以看出，随着水胶比的增加，砂浆的流动扩展度增加，T250及通过V-型漏斗的时间Tv逐渐减小，这是因为随着水胶比的增大，用水量增加，砂浆拌合物粘聚性减小，导致流动扩展度增加，综合上述实验结果分析水胶比为0.36的M-3较好，减小或增大水胶比会导致粘稠流动性不满足要求或者出现离析现象.

表3 不同水胶比条件下砂浆工作性能结果

由表4可以看出，随着砂率的增加，自密实砂浆的流动扩展度呈减小趋势，T250及Tv时间逐渐增大，说明砂浆的流动性能变差，其原因是随着用砂量的增加，砂的表面积增加，胶凝材料用量不变情况下，包裹砂表面的胶凝材料变少，导致颗粒之间的摩擦力增大，同样水胶比条件下砂浆会变得粘稠，因此出现流动扩展度变小，通过V-型漏斗时间增加.可以看出，砂率为0.41的M-3工作性能较好.

表4 不同砂率条件下砂浆工作性能结果

表5 不同粉煤灰掺量条件下砂浆工作性能结果

由表5可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，流动扩展度呈增加趋势，而通过V-型漏斗时间呈先减小后增大的趋势，说明粉煤灰用量增加，砂浆流动性增大，而粘聚性先减小后增加，由于粉煤灰采用的是内掺法，用等量的粉煤灰取代水泥，粉煤灰的颗粒更细，水化速度慢，初始阶段水化反应需水量小，使得砂浆混合物的均匀性和保水性得到改善，降低了砂浆流动所需要克服的剪切屈服应力，流动性增加；但粉煤用量较大时，较大的颗粒表面积需要吸收更多的水分，超过了水泥和粉煤灰水化反应需水量的差值，砂浆就会变得粘稠，通过V-型漏斗的时间就会增加.可以看出，粉煤灰掺量为30%和35%的M-3和M-10工作性能较好.

由表6可以看出，随着减水剂用量的增加，砂浆的流动扩展度增大，T250及Tv减小，说明砂浆流动性增大，粘性变小，由于减水剂的减水作用，降低了颗粒之间的吸附力，使得砂浆流动需要克服的剪切屈服强度及粘聚性降低，因而流动扩展度增大，流动时间变短，随着减水剂掺量的增加，砂浆离析风险增加.可以看出，减水剂掺量为0.6%的M-3工作性能较好.

表6 不同减水剂掺量条件下砂浆工作性能结果

2.2 自密实砂浆配合比参数讨论

图2给出了各组配合比参数变化条件下自密实砂浆的流动扩展度和Tv的变化规律，图中虚线表示EFNARC建议的自密实砂浆工作性能满足条件.根据试验结果满足虚线区域要求的范围，结合试验现象的观察综合判断确定各个参数的取值.根据上述结果的分析及观察的砂浆粘稠或者离析情况，满足V-型漏斗条件的有M-3、M-5、M-10、M-11和M-13，满足流动扩展度在(240±20)mm范围的只有M-12，但其不满足Tv条件.但M-3、M-5、M-10、M-11和M-13流动扩展度均大于260mm，只要不离析对自密实砂浆是有利的，试验中发现M-5、M-11和M-13出现了不同程度的轻离析现象，M-3和M-10良好，前者粉煤灰掺量为30%，后者为35%，其他配合比参数相同，分别是水胶比0.36，砂率0.41，减水剂0.6%.可见，在采用全计算法确定自密实砂浆配合比时的相关参数可以参照该参数，当材料特性有所差别时，通过试配略加调整即可满足要求.采用该方法得到的自密实砂浆，减水剂用量很低，只有0.6%，对降低离析风险和工程造价十分有利.

(a)流动扩展度

(b)通过V-型漏斗时间

3 结论

(1)提出了采用全计算结合经验参数取值的方法配制自密实砂浆，该方法简便易行，效率高；

(2)得到了水胶比、砂率、粉煤灰、减水剂掺量对自密实砂浆工作性能的影响规律，认为水胶比在0.36左右、砂率在0.41左右、粉煤灰掺量在30%～35%范围、减水剂在0.6%左右，容易得到工作性能良好的自密实砂浆；

(3)当选定了水泥标号后，满足工作性能要求的砂浆水胶比相对固定，若要改变砂浆或者混凝土的强度等级，通过调整水胶比不易实现，可以考虑调整水泥标号.

[1]毕巧巍,李梦梦. 纤维对高强自密实混凝土工作性能的影响[J].大连交通大学学报,2014,35(2)：53-56.

[2]丁一宁,董香军,王岳华.混杂纤维自密实混凝土的强度和抗弯韧性[J].建筑材料学报,2005,8(3)：294-298.

[3]何廷树,王振军,伍勇华，等.自密实轻骨料混凝土工作性能的研究[J].西安科技大学学报,2004,24(4)：422-425.

[5]OKAMURA H,OZAWA K.Mix-design for self-compacting concrete[S].Concrete of JSCE,1993，25:107-120.

[6]赵庆新,杜艳廷,李春雨，等.自密实砂浆工作性测试方法研究[J].武汉理工大学学报,2009,31(7)：9-11,30.

[7]陈建奎,王栋民.高性能混凝土(HPC)配合比设计新法——全计算法[J].硅酸盐学报,2000,28(2)：194-198.

[8]European Project Group.Specification and guidelines for self-compacting concrete[S].UK ：EFNARC,2002：14-17.

Design Method and Workability Study of Self-Compacting Mortar

ZHANG Yunguo,LI Mengnan,XUE Xiangfeng

(School of Civil & Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Considering the changes of water to binder ratio,fly ash content, sand percentage and usage of high range water reducer,13 types of self-compacting mortars are designed using full calculation method.The workability of the designed mortars is studied through slump flow and v-funnel test suggested by EFNARC.The mix proportion of the self-compacting mortar can be quickly decided based on the effect rules of the parameters on the workability.It is indicated by the results that the mix proportion parameter scope is limited if the cement grade is decided.

self-compacting mortar;workability;slump flow;mix proportion design

1673-9590(2015)03-0060-05

2014-11-25

辽宁省教育厅高等学校科学研究计划资助项目(L2012169)

张云国(1978-),男，讲师,博士，主要从事高性能混凝土性能方面研究E-mail:zyg-ncwu@163.com.

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