周孝军，谢 琳，牟廷敏，彭建秋，范碧琨

（1.西华大学建筑与土木工程学院,四川 成都 610039；2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610041；3.四川省钢管混凝土桥梁工程技术研究中心,四川 成都 610041）

粗集料在混凝土中起骨架作用，是混凝土中强度最高、耐久性最佳、体积稳定性最好的结构组分，增加粗集料用量可以提高混凝土的各项性能[1−2]。常规混凝土是将胶凝材料与集料混合搅拌，为保证混凝土良好的工作性能，浆体量与集料空隙率之比一般大于1.1[3]，集料悬浮于水泥浆体之中，其骨架作用不能充分发挥。预填集料混凝土是预先在模板内填筑粗集料，使集料呈嵌锁状[4]，然后注入高流动度的浆体材料，浆体量与集料空隙量基本一致。高体积含量的粗集料呈紧密堆积状态[5]，使其弹性模量、抗氯离子渗透、抗冲击韧性、体积稳定性等性能在很大程度上优于常规混凝土[6]。此外，预填集料混凝土的粗集料预先置于模板中然后灌浆，浆体材料较常规混凝土搅拌方便，具有施工噪音小、振捣时间短、场地占用少、浆体用量省等优点，尤其适合钢筋密集、振捣不便的结构构件。

当前工程应用中预填集料混凝土的粗集料粒径一般在50～200 mm，粗集料粒径偏大，级配组成单一，导致混凝土强度偏低，主要集中在30 MPa 左右[7−12]。为提高预填集料混凝土强度，沈卫国等[13]开展了预填集料高强混凝土制备研究，通过调整砂浆配合比、掺入适宜的矿物掺合料制备了强度等级达C50 的预填集料混凝土。Najjar等[14]设计系列试验发现预填集料混凝土灌浆材料的性能与矿物掺合料的种类和用量有关。在此基础上，Coo 等[15]进一步调整浆体材料配合比并掺入多种矿物掺合料，制备出了强度等级达C60 的预填集料混凝土。

目前大部分研究中灌浆材料主要为砂浆，重点在调整砂浆灰砂比、水灰比以及胶凝材料组成[16]，关于制备方法、粗集料级配组成对预填集料混凝土强度影响的研究较少。因此本文研究不同制备方式、浆体材料类型及粗集料级配组成对预填集料混凝土抗压强度的影响，探讨其合理的制备方法与集料级配组成，以期制备出预填集料高强混凝土，为工程应用提供支撑。

1 试验材料

1）水泥：P·O42.5 峨胜水泥，其主要技术指标见表1。

表1 水泥技术指标

2）粉煤灰：泸州地博Ⅱ级粉煤灰，烧失量4.98%，需水量比102%。

3）细集料：Ⅱ区机制砂，细度模数3.04。

4）粗集料：破碎卵石、碎石，采用不同粒径范围的粗集料进行比例搭配而成，各粒径范围粗集料有10～16 mm、10～20 mm、20～25 mm（单位粒级16～25 mm，筛除粒径19 mm 以下的集料）、20～31.5 mm（单位粒级16～31.5 mm，筛除粒径19 mm以下的集料）、25～31.5 mm（单位粒级16～31.5 mm，筛除粒径26.5 mm 以下的集料）。

5）外加剂：三瑞聚羧酸超塑化剂，减水率35%。

2 试验与结果分析

2.1 制备方式及其对预填集料混凝土抗压强度的影响

试验研究3 种不同制备方式对预填集料混凝土抗压强度的影响：1）一次免振成型：在立方体试模中预先用粗集料填平试模，然后注入浆体材料至满溢，表面抹平；2）一次振动成型：在立方体试模中预先用粗集料填平试模并振动15 s，然后一边振动一边注入浆体材料至满溢，整个过程总振动时间控制在1 min 之内，表面抹平；3）二次振动成型：在立方体试模中填入半数粗集料并振动5 s，注入浆体材料至淹没集料，再用粗集料填平试模并振动10 s，然后一边振动一边填入浆体材料至满溢，整个过程总振动时间控制在1 min 之内，表面抹平。二次振动成型流程如图1 所示。

图1 二次振动成型流程

预填集料混凝土配合比及相关性能指标见表2。

由表2 可知，A1、A2 组混凝土配合比相同，A2 组采用二次振动方法制备成型，其7、28 d 抗压强度均较一次振动成型的A1 组强度高；同样的，A3、A4 组混凝土配合比也相同，其制备方式分别为一次免振、一次振动，A4 组混凝土7、28 d 抗压强度也均较A3 组抗压强度高。程运虹等[17]的研究也指出采用振动成型后，预填集料混凝土强度等级可由C30 提升到C40。可见，即便预填集料混凝土的浆体材料和粗集料级配相同，其强度也会因为制备方式不同而有所差异。分层填筑、振动灌浆有利于提高预填集料混凝土抗压强度，主要是因为分层填筑使集料的分布以及骨架结构更合理，振动填筑使混凝土的集料堆积状态更紧密，提高了集料之间的机械咬合作用力，使得制备的预填集料混凝土强度较高。虽然预填集料混凝土的浆体材料和粗集料级配相同的情况下，采用二次振动方法制备的混凝土7、28 d 抗压强度较一次振动成型的混凝土高，但因为本文只是定性讨论制备方式、浆体材料类型、粗集料级配组成对预填集料混凝土抗压强度的影响；因此，下面的试验都采用一次振动成型的方法制备混凝土。

表2 预填集料混凝土配合比及相关性能指标

2.2 浆体材料类型对预填集料混凝土抗压强度的影响

浆体流动度测试方法根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30）中的方法进行，净浆流动度用锥桶流出时间衡量，砂浆流动度用扩展度衡量。浆体力学性能按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》（GBT17671）的方法进行测试。预填集料混凝土力学性能根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T50081）的方法进行测试。浆体材料在预填集料混凝土中起着约束集料转动及位移的重要作用[18]，不同浆体材料类型对预填集料混凝土粗集料的约束作用不同，对其强度的贡献程度也不同[19]。净浆、砂浆是工程建设中常用灌浆材料，根据前期试验结果，分别选用锥桶倒流时间26 s的净浆与流动度为330 mm 的砂浆采用一次振动成型方式制备预填集料混凝土，混凝土外观均无露石。预填集料混凝土配合比如表3 所示。

表3 预填集料混凝土配合比

图2 为砂浆、净浆混凝土抗压强度测试值，由图2 可知，净浆、砂浆两类灌浆材料的28 d 抗压强度基本一致（均在57 MPa 左右），但砂浆预填集料混凝土28 d 抗压强度较净浆预填集料混凝土高约12 MPa。图3 为砂浆、净浆预填集料混凝土的压碎破坏形态。由图2 和图3 分析可知：采用净浆填充于粗集料间隙时，整个混凝土集料体系中缺少细集料，集料体系空隙率较大；采用砂浆填充粗集料间隙时，其不仅较好黏结、约束了粗集料，而且使混凝土中整体集料体系级配空隙率较低，集料骨架作用发挥更充分，骨料之间的机械咬合力强，从而提升混凝土的强度。由此可见，采用砂浆为灌浆材料有利于提高预填集料混凝土的强度。

图2 浆体类型对混凝土强度的影响

图3 不同浆体类型混凝土的受压破坏形态

2.3 粗集料级配组成对预填集料混凝土抗压强度的影响

预填集料高强混凝土需要拥有紧密的堆积密度的粗集料体系来充分发挥其力学特性[20]；同时也需要降低粗集料体系的比表面积以减小浆体与集料的摩擦阻力从而保证其灌注密实性。为探讨其合理级配组成，此处选用4 种不同级配粗集料，保证密实灌注的前提下，研究粗集料级配组成对预填集料混凝土抗压强度的影响。浆体材料采用流动度为30 s 的净浆，7、28 d 抗压强度分别为46.3、58.8 MPa，制备方式为一次振动，预填集料混凝土配合比及性能指标见表4。

表4 预填集料混凝土配合比及性能指标

粗集料级配的振实空隙率根据《公路工程集料试验规程》（JTGE42）中T0309 粗集料空隙率试验方法测定。各组试验的预填集料混凝土配合比中浆体的材料用量均根据成型试件时所消耗的实际材料按如下方法换算而得：

式中：m1为灌浆前后单个试件质量差值，即所灌注浆体的质量（kg）；ρ为浆体表观密度（g·cm−3）；V0为单个试件体积（L）；V1为单个试件所需浆体体积（L）；V2为每方预填集料混凝土所需浆体体积（L）；mi为每方预填集料混凝土中各胶凝材料组分用量（kg·m−3）；Mi为每方浆体材料中各胶凝材料组分用量（kg·m−3）。

由图4、图5 可知，级配①—④的空隙率基本呈增加趋势，集料堆积紧密程度逐渐下降，制备的预填集料混凝土抗压强度逐渐降低。可见集料堆积紧密程度越高，其机械咬合作用就越强，混凝土强度就越高。同时，对比级配①与级配③，其空隙率相近，但级配①制备的混凝土28 d 抗压强度较级配③高约11 MPa，主要原因在于级配③属于单粒级配，粒级较少、粒径范围较小，集料相互之间的机械咬合力较小，难以形成致密骨架结构。由此可见，预填集料混凝土不宜采用粒级较少、粒径范围较小的粗集料。

图4 级配组成对混凝土强度的影响

图5 不同级配组成的空隙率

为进一步优化级配组成，试验采用10～25 mm非连续级配粗集料研究粗集料空隙率对预填集料混凝土抗压强度的影响。为提升混凝土强度，此处浆体材料采用流动度330 mm 的砂浆，7、28 ds 抗压强度分别为62.8、72.2 MPa，采用一次振动成型，预填集料混凝土配合比及相关性能指标见表5。

表5 预填集料混凝土配合比及相关性能指标

由表5 以及图6、图7 可知，小石(10～20 mm)与大石(20～25 mm)的搭配比例由3∶7 到2∶8 再到1∶9 变化时，粗集料空隙率先减小后增大，混凝土7、28 d 抗压强度均先增加再减小。小石∶大石比例为2∶8 时，粗集料空隙率最小，同时还可以看到，此时粗集料的总用量最多，制备的预填集料混凝土强度最高，可达到69.4 MPa，基本满足C60 强度等级要求。可见，粒级组成相同的非连续级配粗集料，不同大、小石比例搭配时空隙率不同，集料堆积紧密程度有差异，堆积越紧密时材料用量越多，粗集料空隙率越小，集料的骨架作用发挥程度就越高。

图6 粒级比例对混凝土强度的影响

图7 不同粒级比例的空隙率

因此，制备预填集料高强混凝土时，粗集料粒级组成相同的情况下，应采用空隙率低的级配组合。考虑到集料的密度较浆体密度大，同一体积范围内填充粗集料越多，混凝土强度也越高，但应注意低空隙率下要求浆体材料具备更高的流动度。

此外，从表5 可知采用10～25 mm 非连续级配粗集料（10～20 mm∶20～25 mm=2∶8，空隙率37%）与胶凝材料（水泥和粉煤灰）用量323 kg·m−3、流动度330 mm、28 d 强度72.2 MPa 的砂浆，一次振动成型可制备出28 d 抗压强度达69.4 MPa 的预填集料高强混凝土。胶凝材料用量与该预填集料混凝土相近的常规混凝土，其强度等级约为C30[21]，由此可见采用预填集料的方法制备的混凝土胶材用量少，经济效益较高。

3 结论

通过系列试验研究，探明了不同成型方式、浆体材料类型、粗集料级配组成对预填集料混凝土抗压强度的影响，以及制备预填集料高强混凝土的相关技术要求。

1）其他参数与实验条件相同，二次振动比一次振动成型的混凝土7、28 d 强度分别提高9.9%、11.5%；一次振动比免振成型的混凝土7、28 d 强度分别提高8.2%、9.6%。振动灌浆、分层灌浆均较自填充灌浆更有利于提高预填集料混凝土抗压强度。

2）净浆与砂浆28 d 抗压强度基本一致时（57 MPa 左右），采用砂浆制备的预填集料混凝土28 d 抗压强度较采用净浆高约12 MPa，可见浆体材料为砂浆时较净浆更利于提高预填集料混凝土抗压强度，但掺入细集料会降低浆体材料流动度。

3）预填粗集料最大粒径不大于31.5 mm 时，粗集料的级配组成、粒径范围与空隙率对混凝土强度有不同程度的影响，采用10～20 mm 或20～25 mm 的单粒集配成型混凝土时，与非连续级配成型混凝土相比最大强度相差14.5 Mpa。因此不宜采用粒级较少、粒径范围较小的粗集料。粗集料粒级组成相同时，集料空隙率越小，制备的预填集料混凝土抗压强度越高。

4）采用10～25 mm 非连续级配粗集料（10～20 mm∶20～25 mm=2∶8，空隙率37%）与胶凝材料用量323 kg·m−3、流动度330 mm、28 d 强度72.2 MPa 的砂浆，一次振动成型可制备出28 d 抗压强度达69.4 MPa 的预填集料高强混凝土，胶材用量少，经济效益较高。