氣泡泡徑對全機制砂混凝土工作性的影響研究

鄧斐，成慧，劉才鵬

（1重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400016；2重慶砼磊高新混凝土有限公司，重慶 401339）

0 引言

在目前的混凝土配合比設計中，主要使用的細集料有兩種，一種是機制砂，一種是天然砂。由于經濟發展的需要，水泥混凝土需求量持續提高，傳統天然河砂已供應不足；其次，為了落實對生態環境的保護，全國大部分地區已明確規定嚴禁在河流等區域獲取天然砂。在這兩方面因素的影響下，大量使用天然砂作為混凝土原材料的做法已變得不可取，機制砂成為混凝土的原材料是不可避免的趨勢[1]。然而，機制砂的應用有一定的缺點。在機制砂生產的過程中，由大石塊破碎成細顆粒，其自身尖銳的棱角不利于低等級混凝土的和易性[2]，而且不可避免地產生粒徑小于75μm顆粒（通稱為石粉），這是機制砂與天然砂最明顯的區別之一。如果石粉含量過大，混凝土的和易性會大大降低。從目前的研究及應用情況來看，可以使用引氣劑解決這一問題[3]。加入引氣劑的新拌混凝土在攪拌過程中，會產生大量氣泡，使其和易性變好；有研究還表明這些氣泡可以增加混凝土的耐久性[4]。然而，外加劑摻入混凝土后，產生的氣泡大小并不均勻一致，氣泡泡徑過大或過小對全機制砂混凝土的流動度、坍落度和泌水率是否產生不利影響，目前尚少見具有針對性的分析。

為了探究氣泡泡徑對全機制砂混凝土工作性的影響，本文從全機制砂混凝土的流動度、坍落度和泌水率三個方面入手，以期解決全機制砂混凝土流動性差、混凝土坍落度損失大、不易泵送的技術難題[5]。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥。水泥為P.O42.5R，各項指標滿足規范要求。

（2）細集料。機制砂，產地為重慶市南川區，細度模數為2.9，Ⅱ區級配砂，表觀密度為2700kg/m3。

（3）粗集料。5~20mm碎石，產地為重慶南川，松散堆積密度為1490kg/m3，表觀密度2720kg/m3，級配符合5~20mm連續粒級要求。

（4）粉煤灰。Ⅱ級粉煤灰，產自重慶京玖環保科技有限公司，各項指標滿足規范要求。

（5）減水劑。GL-PCA聚羧酸緩凝型高性能減水劑，產自重慶宜光建材有限公司，水劑，固含量為27.5%，密度為1.16g/cm3，減水率為10%~15%。

（6）引氣劑。引氣劑為聚氧乙烯基酚醚，屬非離子表面活性劑，白色粉末。

（7）水。試驗用水為自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 混凝土工作性能測試方法

參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）測定混凝土拌合物坍落度、常壓泌水率，參照《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T 2419—2005）測定砂漿的流動度。

1.2.2 氣泡泡徑測試方法

研究混凝土中氣泡分布的方法依據《水工混凝土試驗規程》（SL/T 352—2020）中5.26混凝土氣泡參數試驗（直線導線法）。直線導線法計算硬化混凝土氣泡特征參數的原理為，硬化混凝土氣泡分析儀探頭根據導線的方向探測導線在混凝土截面上所割的氣泡個數和氣泡弦長，然后依據所得數據計算出硬化氣泡特征參數。混凝土試件尺寸為100×100×100mm，成型后標準養護28天，切割成厚度為1~2cm的試件，經研磨、拋光、清潔并利用寬頭黑色記號筆涂黑試樣觀測面，然后用粒徑小于10μm的白色碳酸鈣粉末或硫酸鋇粉末填充氣泡，再用刀片除去表面多余粉末得到待測試件。采用硬化混凝土氣泡分析儀及其系統軟件自動釆集數據并自動計算得到結果，以此檢測氣泡泡徑大小、氣泡比表面積以及氣泡間隔系數。

2 混凝土配合比

按照C30普通混凝土和M10普通砂漿進行配合比計算，配合比結果見表1和表2。在表1中的混凝土配合比和表2砂漿配合比的基礎上，通過調整引氣劑的摻量（0~0.04%），分別采用強制式攪拌、自落式攪拌、人工攪拌的方式制備出11組氣泡泡徑控制在80~225μm的全機制砂混凝土和全機制砂砂漿，用于測試混凝土坍落度、泌水率以及砂漿的流動度。

表1 試驗混凝土的配合比

表2 試驗砂漿的配合比

3 試驗結果及分析

3.1 氣泡泡徑對全機制砂砂漿流動度的影響

圖1顯示了全機制砂砂漿氣泡平均直徑對流動度的影響。由圖可知，當氣泡平均直徑小于126μm時，在全機制砂混凝土中，流動度隨著氣泡平均直徑的增大而增大，原因在于引氣劑屬于表面活性劑，可以在較大程度上降低液-氣界面張力，使新拌砂漿內部的氣泡直徑減小，將大直徑氣泡分割成穩定的微小氣泡[6]，從而增加砂漿的流動度；當氣泡平均直徑控制在大于126μm范圍內時，流動度隨著氣泡平均直徑的增大而減小。由圖可知，氣泡平均泡徑120~130μm為適于全機制砂混凝土最佳流動性能的范圍。

圖1 氣泡平均泡徑與全機制砂砂漿流動度的關系

3.2 氣泡泡徑對全機制砂混凝土坍落度的影響

圖2顯示了全機制砂混凝土中氣泡直徑對坍落度的影響。由圖可知，當氣泡泡徑小于127μm時，坍落度隨著氣泡平均直徑的增大而增大，因為此時的氣泡直徑相對較小，隨著直徑增大，拌合物中的氣泡使水泥漿體體積增加，包裹機制砂的水泥漿體增多，拌合物流動性增加，使得混凝土坍落度增加[7]；另一方面，氣泡具有一定的減水作用，在用水量一定的情況下，所產生的氣泡平均直徑增加可以提高全機制砂混凝土的坍落度。但氣泡直徑超過127μm后，坍落度呈現降低趨勢，因為此時水泥漿體內部的氣泡太大，機制砂顆粒之間更易直接接觸，造成內摩擦力增大，使拌合物流動性降低，以至于坍落度下降。故由圖2可知，適于全機制砂混凝土最佳流動性能的氣泡平均泡徑范圍為110~140μm。

圖2 氣泡平均泡徑與全機制砂混凝土塌落度的關系

3.3 氣泡泡徑對全機制砂混凝土泌水率的影響

全機制砂混凝土在運輸過程中，振動和傳送會使粗細集料下沉，從而使水分向上浮，造成混凝土泌水。泌水現象對混凝土結構強度有較大影響，由于拌合物泌水造成混凝土結構的上層部分含水量增大，使上層結構的水灰比較下層高，硬化后的上層結構強度較下層低。更嚴重的情況是混凝土結構上表面出現強度很低的浮漿。如果全機制砂混凝土內部氣泡直徑過大，氣泡在上浮過程中遇到集料或鋼筋阻礙，則在這些集料或鋼筋下面可能會形成水囊，從而影響硬化水泥石與集料或鋼筋的粘結[8]。泌水程度關系到全機制砂混凝土的可泵性，需引起重視。有研究表明，引氣對混凝土拌合物泌水率的影響遠大于對坍落度的影響[9]，下文分析氣泡泡徑對全機制砂混凝土泌水率的影響。

圖3顯示了全機制砂混凝土中氣泡直徑對泌水率的影響。由圖可知，隨著氣泡平均泡徑的增加，全機制砂混凝土的泌水率出現上升趨勢。這是由于當氣泡直徑較小時，拌合物內部存在的大量微小氣泡阻隔了水分自下而上的流動，進而降低了混凝土的泌水程度。另一方面，細小均勻的氣泡增加了混凝土拌合物的粘聚性，拌合物中的水泥漿體包裹機制砂和粗集料，增加了骨料下沉的阻力，減少了水分上浮的現象，從而減少了混凝土泌水現象[10]。當氣泡直徑較大時，增加了機制砂之間、粗集料之間直接接觸的幾率，骨料之間的摩擦阻力降低了拌合物內部的均勻性，增加了泌水現象。

圖3 氣泡平均泡徑與全機制砂混凝土泌水率的關系

3.4 混凝土經時坍落度損失情況驗證

將實驗環境大氣溫度控制為20℃~30℃，制備新拌混凝土，使氣泡平均泡徑控制在120~130μm范圍內，測定此時的混凝土經時坍落度損失值。經測定，混凝土經時坍落度損失值為23~28mm/h，滿足《預拌混凝土》（GB/T 14902—2012）中不宜大于30mm/h的泵送要求。

綜上可知，適于全機制砂混凝土最佳可泵性能的氣泡平均泡徑范圍為120~130μm。

通過對氣泡泡徑對全機制砂混凝土流動度、坍落度和泌水率影響的分析可知，當氣泡泡徑處于120~130μm范圍內時，混凝土的工作性處于相對較優水平。

4 結論

（1）引氣劑的摻入使新拌砂漿內部的氣泡直徑減小，將大直徑氣泡分割成穩定的微小氣泡，控制合適的氣泡泡徑能使混凝土拌合物內部獲得較好流動性。

（2）控制合適的氣泡直徑可使混凝土拌合物中的水泥漿體體積增加，包裹機制砂的水泥漿體增多，拌合物流動性增加，使混凝土坍落度增加。

（3）越小的氣泡直徑，越能阻隔水分自下而上的流動，增加骨料下沉的阻力，進而降低混凝土的泌水程度。

（4）當氣泡泡徑處于120~130μm范圍內時，混凝土的工作性處于相對較優水平。