粉料含量與砂率對新拌混凝土泌水過程的影響*

白瑞英，吳計旭,2，蔡基偉,3，劉偉華

（1. 華北理工大學材料科學與工程學院/河北省無機非金屬材料重點實驗室，河北 唐山 063009；2. 邯鄲金隅太行水泥有限責任公司，河北 邯鄲 056200；3. 河南大學材料與結構研究所，河南 開封 475004；4. 冀東發展集團有限責任公司/材料科研技術中心，河北 唐山 064000）

0 引言

新拌混凝土的工作性非常重要，會影響硬化混凝土的性能[1]。保水性是新拌混凝土工作性的一個重要方面，保水能力不足時，泌水現象就難以避免。尤其膠材用量較少時，混凝土更易于泌水，泌水過程往往持續到水泥漿完全硬化[2]。泌水會嚴重影響混凝土的勻質性，影響結構的使用性能和耐久性[3]。現場通常是目測法觀察混凝土的泌水情況，但僅僅是定性表述而不是定量表征。在實驗室可以按 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[4]之 5.1 進行泌水試驗，測定泌水量和泌水率。有研究發現，隨著混凝土坍落度的增加，拌合物從不泌水漸次到隱性泌水和顯性泌水，目測到的是顯性泌水，而隱性泌水通常滯后泌出[5]。在本課題組的前期研究[6-8]中，逐漸揭示了混凝土泌水過程的規律性，提出了泌水潛伏時間、泌水初始速率、泌水極限和水粉比等概念，依據這些參數將混凝土泌水分為早快型、晚快型、早慢型和晚慢型四種類型，并討論了泌水率與水粉比的關系及其與坍落度一致性。本文將進一步討論粉料含量及砂率對混凝土拌合物泌水過程的影響。

1 試驗原材料與方法

1.1 原材料

（1）水泥 (C) 為 P·O42.5 水泥、石粉為長英巖石粉，其基本性質見表 1。

（2）細骨料 (S) 系從長英巖尾礦中篩選出的副產人工砂，石粉含量 3.3%，細度模數 2.1；粗骨料 (G) 為石灰石質5～31.5mm 連續級配碎石。骨料密度與空隙率見表 2、級配曲線見圖 1。

1.2 試驗方法

共設計 3 組試驗，為減少干擾因素，均不摻外加劑。A組按一系列水灰比和不同坍落度設計若干試樣；B 組試樣主要是重復 A 組試驗，變化的主要參數是用水量；C 組變化的主要參數是砂率。所有試樣均按 GB/T 50080[4]之 5.1 進行泌水試驗，測定各時刻 (t) 的泌水率 (B)。由于部分試樣在 240min時泌水試驗結束，所以本文統一將泌水率列舉到 240min(B240)。

2 結果與討論

試驗混凝土配合比、目測工作性與泌水試驗結果見表3。

表 1 水泥和石粉的基本性質

表 2 骨料密度與空隙率

圖 1 骨料級配曲線

圖 2 新拌混凝土的泌水過程

2.1 新拌混凝土的泌水過程及分類

用試樣靜置時間 (t) 及泌水率 (B) 作泌水過程曲線，其中A 組試樣的泌水過程見圖 2。

由圖 2 可以看出，隨著拌合物靜置時間 (t) 的延長，泌水過程呈指數發展趨勢，這一過程可用式 (1) 表示[7]。

式中：

B——混凝土拌合物各時刻的泌水率，%；

Blmt——混凝土拌合物試樣的泌水極限，%；

e——歐拉常數，2.7183；

表 3 混凝土配合比、目測工作性與泌水試驗結果

t——混凝土拌合物靜置時間，min；

t0——泌水潛伏時間，t0越小、泌水開始得越早；

k——泌水速率系數，k 越大、泌水越快。

對表 3 中所有試樣進行回歸分析，回歸結果與式 (1) 的相關性很高(相關系數 r>0.99)。匯總所有試樣的 Blmt、t0和 k等參數，然后再進行下一步分析。

在對泌水速率系數 k 的統計分析中，發現 k>0.01 的各試樣 4h 泌水完成度(B240/Blmt)基本都在 90% 以上；統計分析泌水潛伏時間 t0，又發現 t0<20min 且 k>0.01 的試樣 4h 泌水完成度（B240/Blmt）接近 100%。因此，將 k>0.01者劃為快型泌水，反之視為慢型泌水；將 t0<20min 者劃為早型泌水；反之視為晚型泌水（詳見表 4）。

表 4 不同類型泌水的統計規律

2.2 粉料體積率對泌水過程的影響

所謂粉料是全部活性礦物粉末（如水泥和摻合料）與非活性礦物粉末（如砂中所含石粉）的總稱，粉料（P）在拌合物（Mix）中所占的體積百分率稱為粉料體積率（βp）。

式中：

βp——混凝土拌合物中粉料所占的體積率，%；

Vp——混凝土拌合物中全部粉料的總體積，L；

Vmix——混凝土拌合物總體積，理論上 1000L。

將表 3 中全部試樣的泌水過程參數與粉體體積率 (βp) 進行回歸分析，分析結果見圖 3 和圖 4 。

圖 3 泌水速率系數 (k) 與粉料體積率 (βp) 的關系

圖 4 粉料體積率 (βp) 對 4h 泌水率及其完成度的影響

與粉料體積率（βp）回歸相關性最高的泌水過程參數是泌水速率系數（k），r=0.9654。這說明粉料體積率是影響泌水快慢的關鍵因素，無減水劑情況下，隨著粉料體積率的增加，泌水速率逐漸減小，當 βp=15.6%時 k 達到最小值，該值應當成為混凝土配合比設計的指導性指標。欲使泌水速率系數 k<0.01，βp宜介于 13.8%～17.3%之間。

其次，與粉料體積率有一定相關性的泌水參數是 4h 泌水率（B240）及其完成度（B240/Blmt），r=0.753 和 0.798。由圖 4可以看出，隨著粉料體積率的增加，B240和 B240/Blmt基本上呈逐漸減小趨勢。這意味著粉料體積率越大，拌合物保水性越好，能夠泌出的水越少。

2.3 砂率及粉料填砂系數對泌水過程的影響

C 組是按 w/c=0.46 和 0.78 及多個砂率（βs=32%～40%）配制的混凝土，對該組數據進行回歸分析，僅泌水潛伏時間（t0）顯得與砂率密切相關，r=0.9985 和 0.901（如圖 5）。

圖 5 泌水潛伏時間 (t0) 與砂率 (βs) 的關系

由圖 5 可以看出，不同 w/c 條件下，趨勢線的形狀和方向均不相同。在 w/c=0.78 時粉料相對偏少，隨著砂率的增加，砂的堆積體積隨之增加，砂粒間的空隙體積也逐漸增加，砂粒空隙的填充物（凈漿）中粉料體積率隨之減小，粉料顆粒間的緊密程度隨之降低，毛細作用對水的束縛隨之減弱，泌水阻力越來越小，泌水開始得越來越早。而在w/c=0.46 時粉料相對偏多，已經超出了臨界比例，對砂粒的填隙作用變為懸浮作用，隨著砂率的增加，砂粒間的空隙體積隨之增加，砂粒對凈漿的擠壓程度降低，游離水受排擠的壓力減小，泌水開始得就越來越晚。

若將粉料體積與緊密堆積狀態下砂的空隙體積之比定義為粉料填砂系數 (Φp)，則

式中：

Φp——混凝土拌合物中的粉料填砂系數（比值）；

Vp——混凝土拌合物中全部粉料的總體積，L；

Vas——緊密堆積狀態下砂粒間的空隙體積，L。

則 C 組試樣的 t0與 Φp存在著密切關系（如圖 6）, r=0.9637。由圖 6 可以判斷出當粉料填砂系數為 0.78 時，泌水開始得最晚，即此值為臨界值，也可作為中高水膠比混凝土配合比設計的指導性參數。按此參數推斷，欲使 t0≥20min，粉料填砂系數宜介于 0.614～0.948 之間。

粉料填砂系數同樣對泌水速率系數（k）有很大影響（對于表 3 中的全部試樣，r=0.958），如圖 7。由圖 7 可知，當粉料填砂系數為 0.87 時，k 最小。欲使 k≤0.01，粉料填砂系數宜介于 0.663～1.077 之間。

圖 6 泌水潛伏時間(t0) 與粉料填砂系數(Φp)的關系

圖 7 泌水速率系數(k) 與粉料填砂系數(Φp)的關系

綜合圖 6 和圖 7，欲使泌水成為危害最小的晚慢型[8]泌水，粉料填砂系數宜介于 0.663～0.948 之間，最好介于0.78～0.87 之間。

對于中低強度混凝土來說，由于膠凝材料用量少，僅靠膠凝材料作粉料難以達到上述指標要求，可以使用含有適量石粉的砂，亦可另加石粉作補充粉料，以降低泌水速率并推遲泌水開始時間，改善混凝土的內部結構和耐久性。

3 結論

通過上述試驗結果和回歸分析，對于不摻外加劑時中高水膠比混凝土的泌水過程，可以得出下列結論：

（1）新拌混凝土的泌水過程呈指數曲線形式，即各時刻的泌水率隨著拌合物靜置時間的延長而逐漸增加，泌水過程參數包括泌水速率系數、泌水潛伏時間和泌水極限。

（2）泌水速率系數大于 0.01 者為快型泌水、反之為慢型；泌水潛伏時間 <20min 者為早型泌水、反之為晚型。目測嚴重泌水者一般屬于早快型泌水，其泌水率最高；目測輕微泌水者一般為晚快型泌水，其泌水率較高；而慢型泌水一般目測不到，早慢型泌水的泌水率較低，晚慢型泌水的泌水率最低。

（3）受粉料體積率影響最大的泌水過程參數是泌水速率系數，隨著粉料體積率的增加，泌水速率逐漸減小，泌水率也隨之減小。當粉料體積率為 15.6% 時，泌水速率最小。欲將泌水類型控制為慢型，粉料體積率宜介于 13.8%～17.3% 之間。

（4）受砂率影響最大的泌水過程參數是泌水潛伏時間，砂率是通過改變粉料填砂系數的方式來影響泌水潛伏時間的。當粉料填砂系數小于 0.78 時，隨著該系數的增加，泌水開始時間逐漸延后；該系數超過臨界值 0.78 以后，凈漿與砂之間的穩定被打破，隨著粉料填砂系數的增加，游離水越來越受排擠，泌水開始的時間逐漸提前。

（5）粉料填砂系數同時也影響著泌水速率，當粉料填砂系數小于 0.87 時，隨著該系數的增加，毛細作用逐漸增強，粉料對游離水的束縛隨之加強，泌水速率逐漸降低；該系數超過臨界值 0.87 以后，隨著粉料填砂系數的增加，排擠壓力增加，泌水速率逐漸加快。

（6）若要把泌水類型控制為危害最小的晚慢型，粉料填砂系數最好介于 0.78～0.87 之間。在配制中高水膠比混凝土時，宜補充石粉之類的粉料，將粉料填砂系數以及粉料體積率調整到恰當值。

[1] S. Mindess, J. F. Young, D. Darwin. Concrete [M]. Pearson Education, Inc, 2003.

[2] A. M. Neville. Properties of Concrete [M]. Pitman Publishing Limited, London, 1981.

[3]覃維祖.初齡期混凝土的泌水、沉降、塑性收縮與開裂[J].商品混凝土，2006,(1): 1-4,9.

[4] GB/T50080—2002.普通混凝土拌合物性能試驗方法標準

[S].

[5] 甘昌成.對混凝土滯后泌水現象的分析[J].商品混凝土，

2012(5): 1-3.

[6] 蔡基偉.石粉對機制砂混凝土性能的影響及機理研究[D].武漢理工大學，2006.

[7] 蔡基偉，封孝信，趙麗，等.鐵尾礦砂混凝土的泌水特性[J].武漢理工大學學報，2009,31(7): 88-91.

[8] 吳計旭.新拌混凝土泌水規律及控制研究[D].河北聯合大學，2012.