摘 要

预裹浆抛填骨料混凝土是一种基于抛填骨料混凝土的改性方法：在新拌混凝土中分层均匀抛撒表面包裹一层水泥浆体的骨料制备一种特殊的混凝土。论文探究骨料中包裹浆体，粉体对混凝土性能的影响。通过与基准混凝土，抛填骨料混凝土在力学性能（抗压，抗折，弹性模量），耐久性能（抗渗性，抗冻性）的试验比较，结合其微观界面过渡区形貌，得出以下成果：

1） 与普通混凝土相比，拋填骨料工艺可改善混凝土的抗压强度、弹性模量和抗渗性，并减少了混凝土抗冻剥落物质量。

2) 与抛填骨料混凝土相比，预裹浆及预裹粉抛填骨料可有效提高混凝土的抗压强度及抗渗性；预裹浆拋填骨料混凝土的弹性模量提升4.7%，但对抗折强度的影响不大；预裹粉抛填骨料可提升混凝土的抗折强度，但对弹性模量无明显作用。

3）预裹粉抛填骨料混凝土与拋填骨料混凝土的抗冻性无明显差异。

4）SEM电镜结果表明，抛填骨料可使混凝土的界面过渡区更为密实。

关键词：预裹浆 骨料 嵌锁效应 混凝土

Abstract

Pre-encapsulated slurry throwing aggregate concrete is a modified method based on throwing aggregate concrete: in fresh concrete, the aggregate layer is evenly dispersed and the surface is wrapped with a layer of cement paste to prepare a special concrete. This paper explores the influence of slurry and powder in aggregate on the performance of concrete. By comparing the mechanical properties (compressive strength, flexural strength, modulus of elasticity) and durability (impermeability, frost resistance) of standard concrete and thrown-in aggregate concrete, and combining with the morphology of transition zone of micro-interface, the following results are obtained:

1) Compared with ordinary concrete, the technology of throwing aggregate can improve the compressive strength, modulus of elasticity and impermeability of concrete, and reduce the quality of frost-spalling resistance of concrete.

2) Compared with cast-in-place aggregate concrete, pre-wrapped slurry and pre-wrapped powder can effectively improve the compressive strength and impermeability of concrete; the modulus of elasticity of pre-wrapped slurry cast-in aggregate concrete increases by 4.7%, but has little effect on the flexural strength; the pre-wrapped powder cast-in aggregate can improve the flexural strength of concrete, but has no obvious effect on the modulus of elasticity.

3) There is no significant difference in frost resistance between the pre-coated powder-filled aggregate concrete and the thrown aggregate concrete.

4) SEM results show that the interface transition zone of concrete can be more compact by throwing aggregate.

Key Words：Pre wrapped pulp aggregate Interlocking effect concrete

目录

第一章绪论 5

1.1研究背景 5

1.2国内外研究现状 6

1.2.1骨料含量对混凝土的影响 6

1.2.4预裹浆抛填骨料混凝土技术的提出 8

1.3研究目的及意义 10

1.4主要研究内容 10

第2章 实验材料与实验方法 11

2.1预裹浆抛填骨料混凝土配合比设计 11

2.1.1实验原材料要求 11

2.1.2实验原材料 11

2.2试验方法 11

2.2.1骨料吸水率测试 11

2.2.2混凝土性能测试方法 12

2.2.3预裹浆抛填骨料混凝土微观结构实验方法 13

第3章.预裹浆抛填骨料混凝土制备及其性能测试 15

3.1预裹浆抛填骨料的制备 15

3.1.1配合比 15

3.1.2搅拌工艺及流程 15

3.2.性能测试 15

3.2.1力学性能 15

3.2.2耐久性能(渗透性） 17

3.3预裹浆抛填骨料混凝土微观结构 18

第4章.预裹粉抛填骨料混凝土 20

4.1力学性能测试 20

4.1.1抗压强度 20

4.1.2抗折强度 20

4.1.3弹性模量 21

4.2.耐久性能测试 21

4.2.1抗渗性 21

4.2.2抗冻性 22

第5章.结论 24

致 谢 25

参考文献： 26

第一章绪论

1.1研究背景

21世纪的混凝土必须更加耐用、坚固、可预测（即性能可以预测）、具有成本竞争力的环境友好型混凝土。近年来超高层建筑的不断出现，混凝土追求高强高性能，而骨料在混凝土中用量越来越低，这将意味着浆体含量不断的增大，这就带来了混凝土早期开裂现象十分普遍，被人们形象地成为混凝土的富贵病。对于高性能混凝土，过低的粗集料用量不仅不利于混凝土强度的增长，往往带来的是中高强混凝土早期收缩导致的开裂问题出现；同时过多的浆体富余得不到充分利用，从而降低了混凝土的经济性，最终造成这类混凝土的早期制造和后期服役维护成本大幅上升。

骨料的作用一开始并没有被人们所重视，它并不参与混凝土中一系列复杂的水化反应，在很长的一段时间里，骨料仅仅作为一种廉价的混凝土填充料。但随着混凝土研究的不断深入，水泥用量的增加，水泥等级的增强对于混凝土性能的提升已经走到了尽头，骨料对于混凝土性能的影响逐渐走进了人们的视野，首先它具有良好的硬度，可以作为十分可靠的混凝土骨架结构，提高混凝土的力学强度；其次它的性质稳定，可以提高混凝土的体积稳定性和抗裂性，最后，就像一开始被人们所用到混凝土中的理由一样，它的成本低廉，加入更多的骨料显然是可以节约成本。于是很多人沿着这个思路开始了在混凝土中增加骨料，在经过长期的混凝土研究后，人们发现，在新拌混凝土中均匀分层抛填骨料相比于直接在搅拌机中添加骨料对于后期性能提升更多，最终确定抛撒三层或三层以上的抛填层数是十分有利于混凝土力学性能和耐久性能的，尤其是在弹性模量和抗渗性方面。

同时从环境保护的角度出发，混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料之一，其生产过程所排放的二氧化碳所带来的环境压力已经受到国际各层的重视，对环境影响最大的是其主要成分-水泥的生产，它对于资源的消耗，能源的使用，温室气体和酸雨气体的排放都有很深的影响，波特兰水泥（PC）生产商生产了全球高达10%的二氧化碳排放量。要二氧化碳排放的减少，制备低水泥含量的合格混凝土是一种非常有效的方法，可以降低混凝土的总体环境影响，甚至降低人类活动的二氧化碳排放，这对于环境保护有着十分重要的意义。

骨料的作用显得越来越重要，但随着不断深入的研究发现，并不是骨料含量越多，混凝土性能就越高，因为研究者发现过多的骨料添加会导致浆体与骨料的粘结强度下降，降低混凝土的工作性、强度以及耐久性，而且过多的骨料会使得混合料出现沉降和离析等问题而影响工程的施工进度和质量要求。沈卫国教授通过试验得出结论，在新拌混凝土中抛填20%体积分数的骨料所制成的混凝土性能有明显的提高，这中混凝土被称为抛填骨料混凝土。

抛填骨料混凝土对于提高混凝土性能以及环境保护都具有十分重要的影响，目前，随着抛填骨料混凝土研究的不断深入，人们发现抛填骨料确实对混凝土性能起到了一定的提高，并且由于骨料的不断加入，生产成本也在原有的基础上有一定程度的下降。但抛填骨料在改善了原有的一些混凝土工作性，强度，耐久性的同时，也带来的新的问题，随着骨料的抛填，水泥浆体与骨料接触的机会越来越少，相应二者由于性质相差较大，无法融为一体，于是就形成了大量的界面过渡区，而界面过渡区是混凝土性能的薄弱环节，随着界面过渡区数量不断增加，导致在混凝土耐久性方面尤其在抗冻性上表现出相较于普通混凝土抗冻性的下降，而界面过渡区的性质及其影响因素，目前尚未有十分明确统一的说法，但总的来说界面过渡区的增加，从某种程度上就加重了界面过渡区对混凝土性能的决定程度，进而对混凝土性能造成影响。现有的研究也表示抛填骨料混凝土在耐久性方面诸如抗冻性，吸水性明显低于普通混凝土，为了弥补这样的不足，并更好的发挥骨料嵌锁效应对混凝土性能的提高，考虑在抛填骨料表面包裹浆体，粉料，以此在抛填骨料混凝土发挥骨料与浆体嵌锁效应，不断引入新的界面过渡区的同时，屏蔽或者削弱界面过渡区对混凝土性能的影响，以此来弥补抛填骨料的不足，并不断促进骨料对混凝土性能的提高。

1.2国内外研究现状

1.2.1骨料含量对混凝土的影响

1）骨料含量对混凝土力学性能的影响

混凝土是一种由砂浆，骨料和二者之间的界面过渡区形成的多相材料，其中骨料因其硬度相对较大，承担了混凝土的强度骨架作用，同时粗骨料也是体积稳定性，强度，耐久性的构成单元。

在Mohammed Seddik Meddah^[1]等人的研究中，指出混凝土骨料含量对其抗压强度有着十分明显的影响，而且骨料含量对混凝土抗压强度的影响在普通混凝土和高性能混凝土中也不尽相同，在普通混凝土中，其抗压强度随着骨料含量的增加而增加，在高性能混凝土中，存在一个骨料含量的最佳用量，在最佳骨料含量时混凝土的抗压强度最高。

Stock^[2]通过实验发现，当骨料含量为20%时，混凝土的抗压，抗拉强度都低于浆体强度，在骨料含量到达40%时，抗压，抗拉强度达到最小值，之后随着骨料含量的增加，混凝土抗压强度不断增加，而当骨料含量为60%时，混凝土抗拉强度才有明显的提高。

2）骨料含量对混凝土强度的影响

沈卫国^[3]等人制备了常规混凝土强度等级为C30～C80的混凝土，采用各种骨料、水泥、矿物掺合料和混合料配制而成，混凝土采用抛填骨料工艺，加入20%的粗骨料体积比代替常规混凝土配制而成。随着添加集料比从10%增加到30%，强度明显增加，增长率可高达25%，必须指出的是，加入30%粗集料的抛填骨料混凝土的固结变得非常漫长和困难。当分散填充集料取代率大于20%时，多余的集料会使混凝土中产生过多的空隙，不利于骨料的填充，使混凝土的强度降低，从而形成一个稳定的整体。在振捣掺量大于20%的混凝土时，强度随掺加集料体积分数的取代率不断提高，直至取代率达到40%。

这可以用Alexander和Taplin提出的经验方程来解释：

（1-1）

式中为混凝土强度，、、、为常数，为浆体抗压强度，为浆体与集料的粘结强度。由于干附加集料吸收了浆体中的水分，使水灰比降低，因此增加，ITZ增加，粘结强度增加；当自密实混凝土（SCC）中有太多的附加集料不能被浆体完全覆盖时，粘结强度减弱，强度开始下降。

M.A .Tasdemir^[4]等人指出混凝土的弹性模量随着骨料体积分数的增加而不断增大，A.F.Stock^[5]等人发现当粗骨料的体积分数占混凝土体积分数的20%时，

混凝土容易加固，但与传统混凝土相比，振捣时间延长了15-20秒。用362-392kg/m³的水泥或粘合剂制备了60-70MPa的混凝土，这是传统混凝土浇筑工艺无法达到的。抛填骨料可以制备具有很高粗集料含量的混凝土，尽管“预置集料”混凝土工艺可以制备具有与此工艺相同的低水泥用量的混凝土，但只能制备低强度或中等强度的混凝土。这不仅使混凝土具有良好的成本竞争力，而且环境协调性也很好。混凝土中分散集料的最佳体积百分数取决于原混凝土中粗集料的空隙率和混凝土的流动性，集料越松散，流动性越大，分散集料的添加量越大，约5-12%的集料可分散在其中。混凝土的散填集料法可以应用于几乎所有的常规塑性和流动性混凝土，尤其适用于高砂浆含量的泵送混凝土。

3）骨料含量对混凝土收缩性的影响

当附加集料在原混凝土中分散时，集料体积分数明显增大，混凝土收缩率明显降低。混凝土中干缩与集料体积分数的关系可描述为：

（1-2）

其中和分别是混凝土和膏体的收缩率，a是混凝土中集料的体积分数，n是一个常数，根据混凝土的弹性在1.2和1.7之间变化，因此混凝土的收缩率随着集料体积分数的增加而降低。在SCC中加入超粗集料，使粗集料体积分数显著增加，有助于降低收缩率。随着抛填粗集料取代率的增加，混凝土的收缩率明显降低。粗集料散填工艺是降低高强自密实混凝土收缩率的有效途径。

4）骨料含量对混凝土抗渗性的影响

混凝土的迁移特性对其耐久性至关重要^[6]，氯离子渗透系数被广泛用于评价高性能混凝土的耐久性，混凝土的迁移系数取决于膏体结构、集料结构以及膏体与混凝土之间的界面过渡区（ITZ）。

Shah和Delagave^[7]等人指出，水化水泥浆体中产生的水化产物对混凝土的迁移特性产生了两种相反的影响：稀释和弯曲效应降低了混凝土的渗透性，而渗透效应则增加了混凝土的渗透性。由于粗集料比膏体迁移系数小，造成稀释效应，粗集料堵塞了部分流动路径，降低了混凝土横截面的透水面积。稀释效应取决于粗集料的体积分数和实际迁移系数；之所以出现扭曲效应，是因为集料的不渗透性迫使集料颗粒周围流动，从而增加了流动路径的长度，降低了流速。然而，多孔性ITZ和渗透效应增加了混凝土的渗透性，这被称为渗透效应。将弯曲效应与稀释效应相结合，混凝土的氯离子迁移系数可用布鲁格曼方程^[8]表示：

（1-3）

式中，为基质迁移系数，为粗集料体积分数。说明了散射填充聚合栅极替换率对氯离子渗透系数的影响，结果与根据Bruggeman方程计算的值进行了比较，其中粗集料体积即，根据和SCC-0的计算。混凝土的氯离子渗透系数随散填集料取代率的增大而减小。当散填集料换填率为15%时，混凝土的渗透系数等于原混凝土的90%，之后渗透系数急剧下降。这主要是因为粗集料是混凝土中最不透水的单元，与混凝土中的ITZ和砂浆相比，随着集料体积分数的增加，混凝土渗透系数降低。此外，混凝土浆体中的水分被多余的集料吸收，因此，浆体在混凝土中的水灰比降低，浆体变得更致密，从而降低了混凝土的渗透性。

1.2.2抛填骨料混凝土

针对当下普通混凝土浆体过多现象及近年来粗骨料作用不断被人们所认识。为了最大限度地利用粗骨料，沈卫国^[9]教授提出的抛填骨料混凝土的施工技术，在新拌混凝土浇筑或成型时，将抛填骨料同时加入并振捣密实。

抛填骨料混凝土相比普通混凝土不仅保证了混凝土工作性强度，而且还能提高混凝土的后期强度。使用10％-30％粗骨料替代混凝土，明显提高了混凝土的骨料含量，可使混凝土骨料的总体积分数达到74％，比传统混凝土高8％左右。在混凝土中浆体体积分数不断下降，既可以减少混凝土的生产成本的，又可以提高混凝土的性能，改善混凝土在服役期间的的体积稳定性，这对混凝土是一次重大突破。从结构来看，抛填骨料表面干燥，对于在浆体中的水分，它可以吸收一定的水分，一方面减少了减水剂的用量，另一方面它降低了界面过渡区的水灰比，形成十分密实的界面过渡区，提高了混凝土强度。通过SEM观察也表明：抛填骨料与水泥浆体形成的界面过渡区的粘结强度比普通混凝土中界面过渡区的粘结强度要大很多。