砂率及机制砂特性对混凝土流动性与颗粒膜层厚度的影响
时间：2023-01-15 13:15:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
肖世玉，彭丙杰，吴 涛，罗小东，陶 俊
(成都建工赛利混凝土有限公司，成都 610000)
混凝土的泵送施工是目前建筑行业中普遍使用的施工方式，尤其是在高层建筑以及大跨径桥梁施工中[1-3]。而在混凝土泵送施工过程中，决定混凝土能否顺利泵送完成的关键因素之一是混凝土本身流动性能否满足泵送的相关要求。因此，如何制备流动性优异的混凝土一直是建筑行业从业者所关心的问题。
众所周知，混凝土主要由砂、石、胶凝材料、水以及减水剂五种组分组成。其中，砂和石占混凝土体积70%以上，其含粉量、级配、颗粒形貌等因素都会对混凝土工作性产生较大影响[4-6]。由胶凝材料、水和减水剂组成的浆体也是影响混凝土流动性的关键因素，而浆骨比的概念则将浆体的影响更加完善地表现出来，混凝土流动性随浆骨比的增加呈上升趋势[7-8]。之所以研究砂和石的级配、粒型等方面，是希望能够制备出空隙率低、密实度高的砂、石混合料，保证在同样的配合比中提高混凝土富余浆体量，从而提高混凝土流动性。
综上可知，影响混凝土工作性的主要因素为用水量、浆体量、空隙率，浆体的主要作用是填充骨料堆积形成的空隙以及包裹砂、石形成浆膜层；
水主要起到填充胶凝材料堆积形成的空隙以及包裹整体混凝土材料形成水膜层的作用；
浆膜层和水膜层对新拌混凝土流动性存在显著影响[9-11]。本文通过设计不同种类的砂搭配、不同砂率混凝土配合比，进行混凝土试验以及浆膜层厚度、水膜层厚度计算，详细分析了浆膜层厚度和水膜层厚度对新拌混凝土流动性的影响。
1.1 原材料
表1 不同品种砂筛分析
表2 碎石筛分析
表3 骨料表观密度
1.2 混凝土配合比
表4为混凝土配合比，该配合比主要从不同砂率、不同砂搭配两方面进行设计，由表1可知，砂S1、S3以及砂S2、S4细度模数相当，但石粉含量差异较大，而砂S3、S5以及S4、S6中石粉含量相当，但细度模数差异较大，因此选择S1+S2、S3+S4、S5+S6三种搭配进行试验，对比砂细度模数和石粉含量对混凝土扩展度和扩展时间(T500)的影响。具体搭配情况见表4，其中A1～A6组为不同砂率混凝土配合比，砂率为45%～50%，相同比例的砂S1、S2搭配；
A7～A11组为不同比例的砂S1、S2搭配；
B1～B4组为不同比例的砂S3、S4搭配；
C1～C6组为不同比例的砂S5、S6搭配。混凝土强度等级设计为C30，胶凝材料中水泥、粉煤灰、矿粉的质量比为7∶3∶1，水胶比为0.47，减水剂掺量为2.0%(质量分数)，通过湿堆积试验测得胶凝材料最小空隙率为0.51。
表4 混凝土配合比
1.3 试验方法
混凝土拌合物性能测试按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)，测试混凝土的扩展度以及扩展时间(T500)。
为保证试验准确性，在试验前对粗骨料进行筛分，保证粗骨料粒径完全处于5～31.5 mm范围内，同时对粗骨料进行清洗，防止粗骨料表面附着的粉尘的影响。
混凝土水膜层厚度(water film thickness, WFT)按照文献[12-14]进行计算，测量混凝土(胶材加骨料)中所有<75 μm颗粒的堆积密度，通过湿堆积试验[15]，确定所有颗粒的堆积密度，并获得相应的最小空隙率Uc。所有颗粒的比表面积(所有颗粒每单位固体体积的固体表面积)可根据所有颗粒的粒径分布计算得出。WFT计算公式见式(1)。
HW=(Uw-Uc)/A
(1)
式中：HW为水膜层厚度；
Uw为混凝土体积水胶比；
Uc为胶凝材料最小空隙率；
A为胶凝材料及砂中<75 μm固体颗粒的比表面积。
A=AcRc+AfRf+AkRk+AeRe
(2)
式中：Ac、Af、Ak、Ae分别为水泥、粉煤灰、矿粉以及砂中<75 μm颗粒的比表面积；
Rc、Rf、Rk、Re分别为水泥、粉煤灰、矿粉以及砂中<75 μm颗粒的体积分数。
混凝土浆膜层厚度(paste film thickness, PFT)按照文献[12-13]进行计算，首先通过湿堆积法[16]测得骨料最小空隙率，得到富余浆体比例(混凝土浆骨体积比减去骨料最小空隙率)。其次，根据粒径分布计算得出骨料中≥75 μm固体颗粒的比表面积Aa(骨料颗粒每单位固体体积的固体表面积)。混凝土PFT计算公式见式(3)。
HP=(Up-Ua)/Aa
(3)
式中：HP为浆膜层厚度；
Up为混凝土浆骨体积比；
Ua为湿堆积法测定的骨料最小空隙率；
Aa为骨料中≥75 μm固体颗粒的比表面积。
[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分别为细集料、粗集料的比表面积；
Rs、Rg分别为细集料、粗集料的体积分数。
2.1 混凝土扩展度、T500以及WFT、PFT分析
图1为各组混凝土的扩展度和T500，结合表4和图1可知，在A1～A6组中，随着砂率提高，混凝土扩展度先增大后减小，在砂率为46%时混凝土扩展度达到最大值(635 mm)；
T500先减小后增大，在砂率为47%时用时最短，混凝土流速最快，且在砂率低于50%时整体用时差异较小。随着S2、S4、S6三种细砂比例提高，各组混凝土的扩展度逐渐减小，当细砂比例高于50%后，混凝土扩展度均低于500 mm，且A7～A11组(砂S1+S2)混凝土的扩展度明显高于B1～B4(砂S3+S4)、C1～C6(砂S5+S6)组；
T500也随着细砂比例提高而逐渐延长，B1～B4、C1～C6组混凝土的T500亦较A7～A11组的长。通过对比发现，当砂细度模数相当而石粉含量差异较大时，对应混凝土扩展度和T500差异大，当机制砂石粉含量相当而细度模数差异较大时，对应混凝土扩展度和T500差异相对较小。
图1 混凝土扩展度和T500
图2为各组混凝土的WFT和PFT。由图2可知，随着砂率提高，混凝土WFT逐渐减小，PFT先增大后减小。随着细砂比例提高，混凝土WFT逐渐减小，随着砂S2、S6比例提高，混凝土的PFT存在最大值，而随着砂S4比例提高，混凝土的PFT逐渐减小。不同搭配比例的S1+S2砂制备的混凝土的WFT大于不同搭配比例的砂S3+S4、S5+S6制备的混凝土，PFT则反之。
通过WFT和PFT计算方法可知，引起WFT变化的因素是体积水胶比、胶材空隙率、<75 μm固体颗粒比表面积，引起PFT变化的因素是浆骨比、骨料空隙率、骨料比表面积。在保持胶材总量和水胶比不变的情况下，无论是砂率变化还是不同砂搭配，引起WFT变化的都是石粉含量的变化。因此，随着砂率以及细砂比例提高，石粉含量增加，导致体积水胶比减小，固体颗粒比表面积增大，WFT逐渐减小。同时，由于砂S3+S4、S5+S6两种搭配的石粉含量明显高于砂S1+S2，因此二者对应的WFT更小。砂率、砂搭配以及搭配比例的变化均会引起砂细度、骨料级配、石粉含量变化，即砂比表面积、骨料空隙率、浆骨比变化，三者都会引起PFT的变化。因此，随着砂率以及细砂比例提高，浆骨比增大，比表面积增大，空隙率先减小后增大，则PFT的变化趋势取决于富余浆体比例与比表面积的变化幅度大小。结合表4和图2可知，随着砂率增大，富余浆体比例先增大后减小，PFT的变化趋势与富余浆体比例变化趋势一致。随着细砂比例增加，三种砂搭配下的富余浆体比例均呈先增大后减小的变化趋势。而对应的PFT变化趋势则不同，随着砂S2、S6比例提高，混凝土的PFT存在最大值，但随着S4比例提高，混凝土的PFT逐渐减小。通过对比三种砂搭配发现：砂S1+S2配制混凝土的富余浆体比例明显小于另外两种砂搭配，主要是石粉含量引起的浆骨比差异导致；
当搭配比例相同时，砂S3+S4的比表面积最小，其次是砂S1+S2，砂S5+S6的比表面积最大；
而富余浆体比例高、比表面积小也导致砂S3+S4配制混凝土的PFT变化规律与另外两种砂搭配的不同。
图2 混凝土的WFT和PFT
2.2 不同砂率混凝土WFT、PFT与扩展度、T500对应关系
将不同砂率条件下混凝土WFT与扩展度、T500进行拟合，拟合关系见图3。由图3可知，WFT与扩展度、T500的相关性系数(R2)分别为0.973 46和0.942 21，关联度较高。随着WFT增加，WFT在0.521～0.531 μm范围内对应扩展度为535～635 mm,T500为6.06～12.2 s。WFT在0.529 μm时对应的混凝土扩展度最大，在0.527 μm时对应的混凝土T500最短。结合图1～图3可知，随着砂率提高，WFT逐渐减小，混凝土扩展度先增大后减小，T500先减小后增大，WFT随砂率变化的趋势与扩展度、T500不同。
图3 混凝土扩展度、T500随WFT变化趋势
将不同砂率条件下混凝土PFT与扩展度、T500进行拟合，拟合关系见图4。由图4可知，PFT与扩展度、T500的相关性系数(R2)分别为0.832 46和0.900 14，PFT与扩展度的相关性相对较差。整体来看，不同砂率条件下计算得到的PFT在28.739～33.753 μm范围内，随着PFT增加，混凝土扩展度呈增大趋势，而T500呈下降趋势。
结合图1、图2、图4可知，随着砂率提高，PFT先增大后减小，混凝土扩展度先增大后减小，T500先减小后增大，PFT随砂率变化的趋势与扩展度相同，与T500相反。
图4 混凝土扩展度、T500随PFT变化趋势
2.3 不同砂搭配混凝土WFT、PFT与扩展度对应关系
将不同砂率以及不同比例的砂S1+S2制备混凝土的WFT、PFT分别与扩展度、T500进行拟合，拟合关系见图5。从图中可知:WFT、PFT与扩展度的相关性均较高，且随着WFT、PFT逐渐增大，混凝土扩展度逐渐变大，当WFT>0.522 μm、PFT>31 μm之后，混凝土扩展度≥550 mm，其流动性良好；
PFT与T500具有一定相关性，而WFT与T500相关性较差。
图5 不同砂率以及不同比例的砂S1+S2制备混凝土的扩展度、T500随WFT、PFT变化趋势
将不同比例的砂S3+S4、S5+S6制备混凝土的WFT、PFT分别与扩展度、T500进行拟合，拟合关系见图6。从图中可知：WFT、PFT均与扩展度具有较高的相关性，且WFT与扩展度相关性高于PFT；
混凝土扩展度随着WFT增大逐渐变大，而随着PFT增大呈波动变化趋势，当WFT>0.408 μm、PFT>36.313 μm之后，混凝土扩展度≥500 mm，其流动性较好；
混凝土的WFT、PFT与T500的相关性均较差。
图6 不同比例的砂S3+S4、S5+S6制备混凝土的扩展度、T500随WFT、PFT变化趋势
将不同搭配比例砂制备混凝土的WFT、PFT分别与扩展度进行拟合，拟合关系见图7～图9。从图7中可知：不同比例砂S1+S2制备混凝土的WFT、PFT与扩展度的相关性系数均在0.97以上；
随着细砂S2比例减小，WFT、PFT均逐渐增大，混凝土扩展度亦逐渐变大，当细砂比例低于50%时，混凝土扩展度≥550 mm，对应的WFT≥0.508 μm，PFT≥31.445 μm。
图7 不同比例砂S1+S2制备混凝土的扩展度随WFT、PFT变化趋势
从图8中可知：不同比例砂S3+S4制备混凝土的WFT、PFT与扩展度的相关性系数均在0.88以上；
随着细砂S4比例减小，WFT、PFT逐渐增大，混凝土扩展度亦逐渐变大；
当细砂比例低至20%时，混凝土扩展度达到555 mm，对应的WFT为0.44 μm,PFT为44.388 μm。
图8 不同比例砂S3+S4制备混凝土的扩展度随WFT、PFT的变化趋势
从图9中可知:不同比例砂S5+S6制备混凝土的WFT与扩展度的相关性系数达到0.99，而PFT与扩展度的相关性系数仅为0.74；
随着细砂S6比例减小，WFT逐渐增大，混凝土扩展度亦随之变大，而PFT呈先减小后增大、然后再减小的变化趋势；
当细砂比例低至20%时，混凝土扩展度≥541 mm，对应的WFT≥0.442 μm，PFT在37～38 μm范围内。
图9 不同比例砂S5+S6制备混凝土的扩展度随WFT、PFT的变化趋势
通过对比发现，不同种类砂搭配制备混凝土的流动性、PFT、WFT均存在较大差异，该差异主要由三种砂细度模数、石粉含量以及骨料空隙率的差异导致。当石粉含量过高时，虽然会引入更多浆体使PFT增加，但也会引起体积水胶比减小，<75 μm固体颗粒比表面积增大，导致PFT变小，混凝土流动性反而变差。
结合图1、图2、图7～图9可知，随着细砂比例提高，混凝土扩展度逐渐减小，T500延长，WFT、PFT逐渐减小，混凝土扩展度随细砂比例变化的趋势与WFT、PFT相同，T500相反。
(1)不同砂率条件下砂S1+S2制备混凝土流动性好，WFT与扩展度、T500的相关性系数分别为0.973 46和0.942 21，PFT与扩展度、T500的相关性系数分别为0.832 46和0.900 14，关联度较高。
(2)随着细砂比例提高，三种砂搭配混凝土的流动性均逐渐变差，WFT均逐渐减小，PFT变化规律则不一致，砂S1+S2、砂S5+S6制备混凝土的PFT存在最大值，而砂S3+S4制备混凝土的PFT逐渐减小，且砂S1+S2制备混凝土的WFT大于砂S3+S4、砂S5+S6制备混凝土的WFT，PFT则相反。
(3)对比三种不同砂搭配制备混凝土性能，砂S1+S2与砂S3+S4的细度模数相当而石粉含量差异较大，二者对应混凝土扩展度、T500、WFT、PFT的差异均较大，砂S3+S4与砂S5+S6的石粉含量相当而细度模数差异较大，二者对应混凝土扩展度、T500、WFT、PFT的差异均相对较小。
(4)机制砂石粉含量过高时，虽然会引入更多浆体使PFT增加，但同时也会引起体积水胶比减小，<75 μm固体颗粒比表面积增大，导致WFT变小，混凝土流动性反而变差。
(5)PFT与WFT均能在一定程度上反映混凝土流动性变化，其中，混凝土扩展度随PFT、WFT的增加而增加，且相关性较高，T500随PFT、WFT的增加而减少，但相关性较差。
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