砂率及機制砂特性對混凝土流動性與顆粒膜層厚度的影響

肖世玉，彭丙杰，吳 濤，羅小東，陶 俊

(成都建工賽利混凝土有限公司，成都 610000)

0 引 言

混凝土的泵送施工是目前建筑行業中普遍使用的施工方式，尤其是在高層建筑以及大跨徑橋梁施工中[1-3]。而在混凝土泵送施工過程中，決定混凝土能否順利泵送完成的關鍵因素之一是混凝土本身流動性能否滿足泵送的相關要求。因此，如何制備流動性優異的混凝土一直是建筑行業從業者所關心的問題。

眾所周知，混凝土主要由砂、石、膠凝材料、水以及減水劑五種組分組成。其中，砂和石占混凝土體積70%以上，其含粉量、級配、顆粒形貌等因素都會對混凝土工作性產生較大影響[4-6]。由膠凝材料、水和減水劑組成的漿體也是影響混凝土流動性的關鍵因素，而漿骨比的概念則將漿體的影響更加完善地表現出來，混凝土流動性隨漿骨比的增加呈上升趨勢[7-8]。之所以研究砂和石的級配、粒型等方面，是希望能夠制備出空隙率低、密實度高的砂、石混合料，保證在同樣的配合比中提高混凝土富余漿體量，從而提高混凝土流動性。

綜上可知，影響混凝土工作性的主要因素為用水量、漿體量、空隙率，漿體的主要作用是填充骨料堆積形成的空隙以及包裹砂、石形成漿膜層；水主要起到填充膠凝材料堆積形成的空隙以及包裹整體混凝土材料形成水膜層的作用；漿膜層和水膜層對新拌混凝土流動性存在顯著影響[9-11]。本文通過設計不同種類的砂搭配、不同砂率混凝土配合比，進行混凝土試驗以及漿膜層厚度、水膜層厚度計算，詳細分析了漿膜層厚度和水膜層厚度對新拌混凝土流動性的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

表1 不同品種砂篩分析

表2 碎石篩分析

表3 骨料表觀密度

1.2 混凝土配合比

表4為混凝土配合比，該配合比主要從不同砂率、不同砂搭配兩方面進行設計，由表1可知，砂S1、S3以及砂S2、S4細度模數相當，但石粉含量差異較大，而砂S3、S5以及S4、S6中石粉含量相當，但細度模數差異較大，因此選擇S1+S2、S3+S4、S5+S6三種搭配進行試驗，對比砂細度模數和石粉含量對混凝土擴展度和擴展時間(T500)的影響。具體搭配情況見表4，其中A1～A6組為不同砂率混凝土配合比，砂率為45%～50%，相同比例的砂S1、S2搭配；A7～A11組為不同比例的砂S1、S2搭配；B1～B4組為不同比例的砂S3、S4搭配；C1～C6組為不同比例的砂S5、S6搭配。混凝土強度等級設計為C30，膠凝材料中水泥、粉煤灰、礦粉的質量比為7∶3∶1，水膠比為0.47，減水劑摻量為2.0%(質量分數)，通過濕堆積試驗測得膠凝材料最小空隙率為0.51。

表4 混凝土配合比

1.3 試驗方法

混凝土拌合物性能測試按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)，測試混凝土的擴展度以及擴展時間(T500)。

為保證試驗準確性，在試驗前對粗骨料進行篩分，保證粗骨料粒徑完全處于5～31.5 mm范圍內，同時對粗骨料進行清洗，防止粗骨料表面附著的粉塵的影響。

混凝土水膜層厚度(water film thickness, WFT)按照文獻[12-14]進行計算，測量混凝土(膠材加骨料)中所有<75 μm顆粒的堆積密度，通過濕堆積試驗[15]，確定所有顆粒的堆積密度，并獲得相應的最小空隙率Uc。所有顆粒的比表面積(所有顆粒每單位固體體積的固體表面積)可根據所有顆粒的粒徑分布計算得出。WFT計算公式見式(1)。

HW=(Uw-Uc)/A

(1)

式中：HW為水膜層厚度；Uw為混凝土體積水膠比；Uc為膠凝材料最小空隙率；A為膠凝材料及砂中<75 μm固體顆粒的比表面積。

A=AcRc+AfRf+AkRk+AeRe

(2)

式中：Ac、Af、Ak、Ae分別為水泥、粉煤灰、礦粉以及砂中<75 μm顆粒的比表面積；Rc、Rf、Rk、Re分別為水泥、粉煤灰、礦粉以及砂中<75 μm顆粒的體積分數。

混凝土漿膜層厚度(paste film thickness, PFT)按照文獻[12-13]進行計算，首先通過濕堆積法[16]測得骨料最小空隙率，得到富余漿體比例(混凝土漿骨體積比減去骨料最小空隙率)。其次，根據粒徑分布計算得出骨料中≥75 μm固體顆粒的比表面積Aa(骨料顆粒每單位固體體積的固體表面積)。混凝土PFT計算公式見式(3)。

HP=(Up-Ua)/Aa

(3)

式中：HP為漿膜層厚度；Up為混凝土漿骨體積比；Ua為濕堆積法測定的骨料最小空隙率；Aa為骨料中≥75 μm固體顆粒的比表面積。

[38] Hearing Before the Senate Foreign Relations Committee Subcommittee on Asia Hearing on Maritime Territorial Disputes in East Asia, July 15, 2009.

Aa=AsRs+AgRg

(4)

式中：As、Ag分別為細集料、粗集料的比表面積；Rs、Rg分別為細集料、粗集料的體積分數。

2 結果與討論

2.1 混凝土擴展度、T500以及WFT、PFT分析

圖1為各組混凝土的擴展度和T500，結合表4和圖1可知，在A1～A6組中，隨著砂率提高，混凝土擴展度先增大后減小，在砂率為46%時混凝土擴展度達到最大值(635 mm)；T500先減小后增大，在砂率為47%時用時最短，混凝土流速最快，且在砂率低于50%時整體用時差異較小。隨著S2、S4、S6三種細砂比例提高，各組混凝土的擴展度逐漸減小，當細砂比例高于50%后，混凝土擴展度均低于500 mm，且A7～A11組(砂S1+S2)混凝土的擴展度明顯高于B1～B4(砂S3+S4)、C1～C6(砂S5+S6)組；T500也隨著細砂比例提高而逐漸延長，B1～B4、C1～C6組混凝土的T500亦較A7～A11組的長。通過對比發現，當砂細度模數相當而石粉含量差異較大時，對應混凝土擴展度和T500差異大，當機制砂石粉含量相當而細度模數差異較大時，對應混凝土擴展度和T500差異相對較小。

圖1 混凝土擴展度和T500

圖2為各組混凝土的WFT和PFT。由圖2可知，隨著砂率提高，混凝土WFT逐漸減小，PFT先增大后減小。隨著細砂比例提高，混凝土WFT逐漸減小，隨著砂S2、S6比例提高，混凝土的PFT存在最大值，而隨著砂S4比例提高，混凝土的PFT逐漸減小。不同搭配比例的S1+S2砂制備的混凝土的WFT大于不同搭配比例的砂S3+S4、S5+S6制備的混凝土，PFT則反之。

通過WFT和PFT計算方法可知，引起WFT變化的因素是體積水膠比、膠材空隙率、<75 μm固體顆粒比表面積，引起PFT變化的因素是漿骨比、骨料空隙率、骨料比表面積。在保持膠材總量和水膠比不變的情況下，無論是砂率變化還是不同砂搭配，引起WFT變化的都是石粉含量的變化。因此，隨著砂率以及細砂比例提高，石粉含量增加，導致體積水膠比減小，固體顆粒比表面積增大，WFT逐漸減小。同時，由于砂S3+S4、S5+S6兩種搭配的石粉含量明顯高于砂S1+S2，因此二者對應的WFT更小。砂率、砂搭配以及搭配比例的變化均會引起砂細度、骨料級配、石粉含量變化，即砂比表面積、骨料空隙率、漿骨比變化，三者都會引起PFT的變化。因此，隨著砂率以及細砂比例提高，漿骨比增大，比表面積增大，空隙率先減小后增大，則PFT的變化趨勢取決于富余漿體比例與比表面積的變化幅度大小。結合表4和圖2可知，隨著砂率增大，富余漿體比例先增大后減小，PFT的變化趨勢與富余漿體比例變化趨勢一致。隨著細砂比例增加，三種砂搭配下的富余漿體比例均呈先增大后減小的變化趨勢。而對應的PFT變化趨勢則不同，隨著砂S2、S6比例提高，混凝土的PFT存在最大值，但隨著S4比例提高，混凝土的PFT逐漸減小。通過對比三種砂搭配發現：砂S1+S2配制混凝土的富余漿體比例明顯小于另外兩種砂搭配，主要是石粉含量引起的漿骨比差異導致；當搭配比例相同時，砂S3+S4的比表面積最小，其次是砂S1+S2，砂S5+S6的比表面積最大；而富余漿體比例高、比表面積小也導致砂S3+S4配制混凝土的PFT變化規律與另外兩種砂搭配的不同。

圖2 混凝土的WFT和PFT

2.2 不同砂率混凝土WFT、PFT與擴展度、T500對應關系

將不同砂率條件下混凝土WFT與擴展度、T500進行擬合，擬合關系見圖3。由圖3可知，WFT與擴展度、T500的相關性系數(R2)分別為0.973 46和0.942 21，關聯度較高。隨著WFT增加，WFT在0.521～0.531 μm范圍內對應擴展度為535～635 mm,T500為6.06～12.2 s。WFT在0.529 μm時對應的混凝土擴展度最大，在0.527 μm時對應的混凝土T500最短。結合圖1～圖3可知，隨著砂率提高，WFT逐漸減小，混凝土擴展度先增大后減小，T500先減小后增大，WFT隨砂率變化的趨勢與擴展度、T500不同。

圖3 混凝土擴展度、T500隨WFT變化趨勢

將不同砂率條件下混凝土PFT與擴展度、T500進行擬合，擬合關系見圖4。由圖4可知，PFT與擴展度、T500的相關性系數(R2)分別為0.832 46和0.900 14，PFT與擴展度的相關性相對較差。整體來看，不同砂率條件下計算得到的PFT在28.739～33.753 μm范圍內，隨著PFT增加，混凝土擴展度呈增大趨勢，而T500呈下降趨勢。

結合圖1、圖2、圖4可知，隨著砂率提高，PFT先增大后減小，混凝土擴展度先增大后減小，T500先減小后增大，PFT隨砂率變化的趨勢與擴展度相同，與T500相反。

圖4 混凝土擴展度、T500隨PFT變化趨勢

2.3 不同砂搭配混凝土WFT、PFT與擴展度對應關系

將不同砂率以及不同比例的砂S1+S2制備混凝土的WFT、PFT分別與擴展度、T500進行擬合，擬合關系見圖5。從圖中可知:WFT、PFT與擴展度的相關性均較高，且隨著WFT、PFT逐漸增大，混凝土擴展度逐漸變大，當WFT>0.522 μm、PFT>31 μm之后，混凝土擴展度≥550 mm，其流動性良好；PFT與T500具有一定相關性，而WFT與T500相關性較差。

圖5 不同砂率以及不同比例的砂S1+S2制備混凝土的擴展度、T500隨WFT、PFT變化趨勢

將不同比例的砂S3+S4、S5+S6制備混凝土的WFT、PFT分別與擴展度、T500進行擬合，擬合關系見圖6。從圖中可知：WFT、PFT均與擴展度具有較高的相關性，且WFT與擴展度相關性高于PFT；混凝土擴展度隨著WFT增大逐漸變大，而隨著PFT增大呈波動變化趨勢，當WFT>0.408 μm、PFT>36.313 μm之后，混凝土擴展度≥500 mm，其流動性較好；混凝土的WFT、PFT與T500的相關性均較差。

圖6 不同比例的砂S3+S4、S5+S6制備混凝土的擴展度、T500隨WFT、PFT變化趨勢

將不同搭配比例砂制備混凝土的WFT、PFT分別與擴展度進行擬合，擬合關系見圖7～圖9。從圖7中可知：不同比例砂S1+S2制備混凝土的WFT、PFT與擴展度的相關性系數均在0.97以上；隨著細砂S2比例減小，WFT、PFT均逐漸增大，混凝土擴展度亦逐漸變大，當細砂比例低于50%時，混凝土擴展度≥550 mm，對應的WFT≥0.508 μm，PFT≥31.445 μm。

圖7 不同比例砂S1+S2制備混凝土的擴展度隨WFT、PFT變化趨勢

從圖8中可知：不同比例砂S3+S4制備混凝土的WFT、PFT與擴展度的相關性系數均在0.88以上；隨著細砂S4比例減小，WFT、PFT逐漸增大，混凝土擴展度亦逐漸變大；當細砂比例低至20%時，混凝土擴展度達到555 mm，對應的WFT為0.44 μm,PFT為44.388 μm。

圖8 不同比例砂S3+S4制備混凝土的擴展度隨WFT、PFT的變化趨勢

從圖9中可知:不同比例砂S5+S6制備混凝土的WFT與擴展度的相關性系數達到0.99，而PFT與擴展度的相關性系數僅為0.74；隨著細砂S6比例減小，WFT逐漸增大，混凝土擴展度亦隨之變大，而PFT呈先減小后增大、然后再減小的變化趨勢；當細砂比例低至20%時，混凝土擴展度≥541 mm，對應的WFT≥0.442 μm，PFT在37～38 μm范圍內。

圖9 不同比例砂S5+S6制備混凝土的擴展度隨WFT、PFT的變化趨勢

通過對比發現，不同種類砂搭配制備混凝土的流動性、PFT、WFT均存在較大差異，該差異主要由三種砂細度模數、石粉含量以及骨料空隙率的差異導致。當石粉含量過高時，雖然會引入更多漿體使PFT增加，但也會引起體積水膠比減小，<75 μm固體顆粒比表面積增大，導致PFT變小，混凝土流動性反而變差。

結合圖1、圖2、圖7～圖9可知，隨著細砂比例提高，混凝土擴展度逐漸減小，T500延長，WFT、PFT逐漸減小，混凝土擴展度隨細砂比例變化的趨勢與WFT、PFT相同，T500相反。

3 結 論

(1)不同砂率條件下砂S1+S2制備混凝土流動性好，WFT與擴展度、T500的相關性系數分別為0.973 46和0.942 21，PFT與擴展度、T500的相關性系數分別為0.832 46和0.900 14，關聯度較高。

(2)隨著細砂比例提高，三種砂搭配混凝土的流動性均逐漸變差，WFT均逐漸減小，PFT變化規律則不一致，砂S1+S2、砂S5+S6制備混凝土的PFT存在最大值，而砂S3+S4制備混凝土的PFT逐漸減小，且砂S1+S2制備混凝土的WFT大于砂S3+S4、砂S5+S6制備混凝土的WFT，PFT則相反。

(3)對比三種不同砂搭配制備混凝土性能，砂S1+S2與砂S3+S4的細度模數相當而石粉含量差異較大，二者對應混凝土擴展度、T500、WFT、PFT的差異均較大，砂S3+S4與砂S5+S6的石粉含量相當而細度模數差異較大，二者對應混凝土擴展度、T500、WFT、PFT的差異均相對較小。

(4)機制砂石粉含量過高時，雖然會引入更多漿體使PFT增加，但同時也會引起體積水膠比減小，<75 μm固體顆粒比表面積增大，導致WFT變小，混凝土流動性反而變差。

(5)PFT與WFT均能在一定程度上反映混凝土流動性變化，其中，混凝土擴展度隨PFT、WFT的增加而增加，且相關性較高，T500隨PFT、WFT的增加而減少，但相關性較差。