間斷級配機制砂對混凝土拌合物效能的影響研究

0引言

與天然砂相比，機制砂具有顆粒級配不良的特點，往往表現為細度模數較大，石粉含量較高，粒徑分佈“兩頭大中間小”，甚至是間斷級配的現象。針對機制砂的這些特徵，國內外學者進行了大量的研究。研究表明，機制砂中石粉含量控制在一定範圍內時，對混凝土拌合物效能、力學效能與耐久效能有一定的改善作用；機制砂細度模數對混凝土的工作效能和強度均存在顯著的影響，隨著機制砂細度模數的適當增加，混凝土的工作性和強度均得到不同程度的提高，為使混凝土具有良好的工作效能和合適的力學強度，機制砂的細度模數宜選擇在2。9～3。2。隨著天然砂資源的緊缺和對機制砂研究的深入，機制砂應用日趨廣泛，甚至間斷級配機制砂也時有應用，但國內外學者對機制砂與混凝土拌合物效能之間的聯絡卻鮮有研究。

一些學者認為，間斷級配骨料與連續級配骨料相比，更容易達到低空隙率和低水泥用量的目的，使骨料更好地發揮骨架作用，提高混凝土的強度，但混凝土拌合物工作效能較差，易泌水、離析。也有學者認為，當骨料相鄰粒級粒徑比變化時，透過調整各粒級骨料至合適的比例，也可拌製出和易性良好的混凝土。本文按砂的級配曲線，將連續級配的機制砂依次分為7個區間，並分別剔除中間5個區間的顆粒，得到5種間斷級配機制砂。透過選取2區砂製備間斷級配機制砂，測定了不同強度等級機制砂混凝土拌合物效能；透過對比1，2區砂製備的相應間斷級配機制砂對混凝土拌合物效能的影響，系統分析了間斷級配機制砂對混凝土拌合物效能的影響規律。

1原材料與試驗方法

1。1原材料

採用P·O42。5普通矽酸鹽水泥，其3d和28d抗壓強度分別為25。4MPa和46。5MPa；Ⅱ級粉煤灰；S95級礦粉；5～25mm碎石；PCA-I型高效能減水劑，固含量為20。8%。本文選取的母巖為花崗岩，砂為機制砂Ⅰ和Ⅱ，根據《建設用砂》GB/T14684—2011分別測試了主要效能指標，測試結果如表1所示，機制砂的顆粒級配如圖1所示。

1。2試驗方法

1。2。1間斷級配機制砂的製備

以連續級配機制砂Ⅱ為例，採用篩分試驗方法，對機制砂Ⅱ按粒徑分級，去除某一粒徑範圍的顆粒，並將其他粒徑顆粒混合均勻，製得間斷級配的機制砂，即分別將去除0。15～0。3mm，0。3～0。6mm，0。6～1。18mm，1。18～2。36mm，2。36～4。75mm粒徑範圍的間斷級配機制砂，依次編號為Ⅱ-1，Ⅱ-2，Ⅱ-3，Ⅱ-4，Ⅱ-5。採用同樣的方法處理機制砂I，依次得到I-1，I-2，I-3，I-4，I-5。

1。2。2配合比設計

本文選取了C30，C40，C50，C60，4個強度等級混凝土，以機制砂Ⅱ配製出的混凝土坍落度為（180±5）mm時的配合比為基準配合比，基準配合比如表2所示。在各強度等級混凝土中，分別採用不同間斷級配機制砂進行試驗，並測試新拌混凝土效能。

1。2。3拌合物效能試驗方法

針對間斷級配機制砂混凝土易出現泌水、離析等現象，本文測試坍落度、泌水率和振動離析率3個指標，對間斷級配機制砂混凝土的拌合物效能變化規律進行研究。其中拌合物坍落度、泌水率的測試方法按照《普通混凝土拌合物效能試驗方法標準》GB/T50080的規定進行，振動離析率的測試方法參照《自密實混凝土應用技術規程》JGJ/T283—2012的規定進行。

2試驗結果與分析

按照表2中的配合比，分別測定了Ⅱ～Ⅱ-5機制砂所配製的C30～C60混凝土拌合物效能。新拌機制砂混凝土狀態如表3所示，可以看出，間斷級配機制砂混凝土仍可拌製出和易性良好的混凝土，一些間斷級配機制砂甚至在一定程度上有減少用水量、增加流動效能的作用。

2。1間斷級配機制砂對混凝土坍落度的影響

圖2為機制砂（Ⅱ～Ⅱ-5）對混凝土的坍落度影響曲線，由圖2可以看出，隨著機制砂間斷顆粒粒徑增大，混凝土坍落度逐漸減小。與連續級配混凝土的坍落度相比，當機制砂間斷顆粒粒徑較小時，混凝土坍落度明顯變大，尤其是間斷顆粒粒徑為0。15～0。3mm，0。3～0。6mm的機制砂，坍落度增加最為顯著；當間斷顆粒粒徑為0。6～1。18mm，1。18～2。36mm時，坍落度變化不大；而當間斷顆粒粒徑為2。36～4。75mm時，坍落度反而減小，其中C60混凝土坍落度減小幅度最大，由180mm減小至130mm。

坍落度是衡量混凝土拌合物流動性的主要指標，用水量對混凝土的流動性起著決定性作用。混凝土中的水可分為結合水、吸附水和自由水3種形式。當用水量一定時，表面吸附水越多，則自由水相對減少，混凝土流動性越差；反之，混凝土流動性越好。隨著機制砂間斷顆粒粒徑逐漸變大，使機制砂的平均粒徑減小，表面積增大，表面吸附水量增加，由於用水量不變，自由水量減少，因此，混凝土流動性隨機制砂間斷顆粒粒徑變大逐漸變差。

與連續級配機制砂混凝土相比，間斷級配機制砂混凝土流動性變化主要受水和漿體兩方面因素影響。一方面，間斷級配機制砂比表面積發生變化，自由水量隨之改變，導致混凝土流動性變化；另一方面，由於間斷級配機制砂往往具有更小的孔隙率，使更多的漿體用於混凝土的流動，從而對混凝土流動性有一定促進作用。因此，間斷級配機制砂混凝土坍落度與連續級配機制砂混凝土坍落度之間的差別是兩個因素共同作用的結果。

2。2間斷級配機制砂對混凝土泌水率的影響

從圖3可以看出，隨著機制砂（Ⅱ～Ⅱ-5）間斷顆粒粒徑逐漸增大，混凝土泌水率也隨之減小，各強度等級混凝土泌水率最大值均出現在Ⅱ-1處，最小值均出現在Ⅱ-5處。間斷級配機制砂Ⅱ-1配製的C30，C40，C50，C60混凝土泌水分別為5。3%，3。0%，1。3%，0。2%，間斷級配機制砂Ⅱ-5對應強度等級混凝土的泌水率分別為3。5%，2。0%，0。7%，0，泌水率隨機制砂變化分別減小1。8%，1。0%，0。6%，0。2%。

與吸附水和結合水相比，混凝土中的自由水與固體材料之間的相互作用最小，最易從混凝土中泌出。隨著機制砂間斷顆粒粒徑逐漸變大，機制砂的平均粒徑減小，比表面積增大，吸附水量增加，自由水量減少，因此泌水率隨之減小。

由圖3還可以看出，強度等級越高，混凝土泌水率越小，間斷級配機制砂變化對泌水率影響越小；間斷級配機制砂變化對C30，C40混凝土泌水率影響較為顯著，對C50，C60混凝土影響較小。隨著強度等級增加，水膠比大幅減小，混凝土中的自由水量也隨之減小，因此泌水率隨強度等級增加而減小。同時，混凝土強度等級越高，單位體積的膠凝材料數量越多，混凝土的內表面積越大，間斷級配機制砂變化對混凝土內表面積的影響越來越小，因此，隨混凝土強度等級的增加，間斷級配機制砂變化對泌水率影響越小。

2。3間斷級配機制砂對混凝土振動離析率的影響

圖4顯示了機制砂（Ⅱ～Ⅱ-5）對混凝土振動離析率的影響，結合圖2可以看出，隨著機制砂間斷顆粒粒徑變大，混凝土坍落度逐漸減小，振動離析率也相應變小。這是由於機制砂間斷顆粒粒徑變大時，機制砂吸附水增加，使漿體黏度變大，混凝土離析是由於漿體黏滯阻力和粗骨料所受到的浮力不足以抵抗重力而導致的，漿體黏度變大時，粗骨料下沉，受到的黏滯阻力隨之變大，使混凝土抵抗離析的能力增強，振動離析率減小。

2。4間斷級配機制砂對混凝土拌合物效能的影響

以C40混凝土為例，採用1區和2區機制砂，分別製備成間斷級配機制砂，並進行混凝土試驗，相應的混凝土拌合物效能試驗結果如表4所示。

由表4可知，機制砂I由於大顆粒比例較高（1。18mm累計篩餘高達54%），砂比表面積大大減小，降低了混凝土中吸附水的數量，使混凝土中的自由水產生大量富餘，混凝土發生離析；對應間斷顆粒粒徑為0。15～0。3mm，0。3～0。6mm，0。6～1。18mm機制砂配製的混凝土也發生離析，但隨著間斷顆粒粒徑變大，混凝土離析的程度有所減輕，混凝土泌水率也逐漸減小；當間斷顆粒粒徑為1。18～2。36mm和2。36～4。75mm時，混凝土和易性良好，同時混凝土坍落度、泌水率和振動離析率均隨間斷顆粒粒徑變大而減小，與前文規律類似。而機制砂Ⅱ配製的混凝土和易性良好，所對應的間斷級配機制砂，隨著間斷顆粒粒徑變大，混凝土從有泌水現象，變為和易性良好，並逐步向流動性差過渡。雖然混凝土拌合物效能受機制砂的兩種顆粒級配區影響差異很大，但其內在規律是一致的，均是由於間斷顆粒粒徑變化，改變了機制砂比表面積，從而使混凝土拌合物效能隨之改變。

3結語

1）當間斷級配機制砂顆粒級配在合理範圍內波動時，可配製出和易性良好的混凝土。

2）間斷級配機制砂對混凝土拌合物效能影響顯著，隨著機制砂間斷顆粒粒徑的增大，機制砂的平均粒徑減小，混凝土坍落度、泌水率和振動離析率均隨之減小。

3）強度等級越高，機制砂級配變化對混凝土泌水率影響越小，間斷級配機制砂對強度等級C40以下的混凝土泌水率影響較大，而對C50以上的混凝土泌水率影響不大。