间断级配机制砂对混凝土拌合物性能的影响研究

 张恒春，邹开波，季锡贤，张昌稳，郑小青

（中建商品混凝土（福建）有限公司，福建  福州  350000）

[摘要]针对机制砂级配不良的特点，试验对不同间断级配机制砂对新拌混凝土坍落度、泌水率、振动离析率等性能的影响规律进行研究。结果表明，随着机制砂间断颗粒粒径增大，机制砂平均粒径减小，混凝土坍落度、泌水率和振动离析率均随之减小；强度等级越高，机制砂级配变化对混凝土泌水率影响越小；间断级配机制砂颗粒级配在合理范围波动时，也可配制出和易性良好的混凝土。

[关键词]混凝土；级配；间断级配；机制砂；和易性；试验

[中图分类号]TU528 [文章编号]1002-8498( 2016) 09-0049-04

0  引言

 与天然砂相比，机制砂具有颗粒级配不良的特点，往往表现为细度模数较大，石粉含量较高，粒径分布“两头大中间小”，甚至是间断级配的现象。针对机制砂的这些特征，国内外学者进行了大量的研究。研究表明，机制砂中石粉含量控制在一定范围内时，对混凝土拌合物性能、力学性能与耐久性能有一定的改善作用；机制砂细度模数对混凝土的工作性能和强度均存在显著的影响，随着机制砂细度模数的适当增加，混凝土的工作性和强度均得到不同程度的提高，为使混凝土具有良好的工作性能和合适的力学强度，机制砂的细度模数宜选择在2.9~3.2。随着天然砂资源的紧缺和对机制砂研究的深入，机制砂应用日趋广泛，甚至间断级配机制砂也时有应用，但国内外学者对机制砂与混凝土拌合物性能之间的联系却鲜有研究。

 一些学者认为，间断级配与连续级配相比，更容易达到低孔隙率和低水泥用量的目的，使骨料更好地发挥骨架作用，提高混凝土的强度，但拌合物工作性能较差，易泌水、离析。也有学者认为，当骨料相邻粒级粒径比变化时，通过调整各粒级骨料至合适的比例，也可拌制出和易性良好的混凝土。

 本文按砂的级配曲线，将连续级配机制砂依次分为7个区间，并分别剔除中间5个区间的颗粒，得到5种间断级配机制砂。通过选取2区砂制备间断级配机制砂，测定了不同强度等级机制砂混凝土拌合物性能；通过对比1，2区砂制备的相应间断级配机制砂对混凝土拌合物性能的影响，系统分析了间断级配机制砂对混凝土拌合物性能的影响规律。

1  原材料与试验方法

1.1原材料

 采用P．042.5普通硅酸盐水泥，其3d和28d抗压强度分别为25. 4MPa和46. 5MPa；Ⅱ级粉煤灰；S95级矿粉；5~25mm碎石；PCA-I型高性能减水剂，固含量为20. 8%。

 本文选取的母岩为花岗岩，砂为机制砂I和Ⅱ，根据《建设用砂》GB/T14684-2011分别测试了主要性能指标，测试结果如表1所示，机制砂的颗粒级配如图1所示。

1.2试验方法

1.2.1  间断级配机制砂的制备

 以连续级配机制砂Ⅱ为例，采用筛分试验方法，对机制砂Ⅱ按粒径分级，去除某一粒径范围的颗粒，并将其他粒径颗粒混合均匀，制得间断级配的机制砂，即分别将去除0. 15~0.3mm，0.3~0. 6mm,0.6～1.18mm,1.18～2.36mm,2.36～4. 75 mm粒径范围的间断级配机制砂，依次编号为Ⅱ-1，Ⅱ-2，Ⅱ-3，Ⅱ-4，Ⅱ-5。采用同样的方法处理机制砂I，依次得到I-1，I-2，I-3，I-4，I-5。

1.2.2  配合比设计

 本文选取了C30，C40，C50，C60 4个强度等级混凝土，以机制砂Ⅱ配制出的混凝土坍落度为(180 +5) mm时的配合比为基准配合比，基准配合．比如表2所示。在各强度等级混凝土中，分别采用不同间断级配机制砂进行试验，并测试新拌混凝土性能。

1.2.3拌合物性能试验方法

 针对间断级配机制砂混凝土易出现泌水、离析等现象，本文测试坍落度、泌水率和振动离析率3个指标，对间断级配机制砂混凝土的拌合物性能变化规律进行研究。其中拌合物坍落度、泌水率的测试方法按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080-2002的规定进行，振动离析率的测试方法参照《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T283-2012的规定进行。

2试验结果与分析

 按照表2中的配合比，分别测定了Ⅱ~Ⅱ-5机制砂所配制的C30~C60混凝土拌合物性能。新拌机制砂混凝土状态如表3所示，可以看出，间断级配机制砂混凝土仍可拌制出和易性良好的混凝土，一些间断级配机制砂甚至在一定程度上有减少用水量、增加流动性能的作用。

2.1  间断级配机制砂对混凝土坍落度的影响

 图2为机制砂（Ⅱ~Ⅱ-5）对混凝土的坍落度影响曲线，由图2可以看出，随着机制砂间断颗粒粒径增大，混凝土坍落度逐渐减小。与连续级配混凝土的坍落度相比，当机制砂间断颗粒粒径较小时，混凝土坍落度明显变大，尤其是间断颗粒粒径为0. 15~0.3mm，0.3~0.6mm的机制砂，坍落度增加最为显著；当间断颗粒粒径为0.6~1. 18mm、1.18~2. 36mm时，坍落度变化不大；而当间断颗粒粒径为2. 36~4.75mm时，坍落度反而减小，其中C60混凝土坍落度减小幅度最大，由180mm减小至130mm。

 坍落度是衡量混凝土拌合物流动性的主要指标，用水量对混凝土的流动性起着决定性作用。混凝土中的水可分为结合水、吸附水和自由水3种形式。当用水量一定时，表面吸附水越多，则自由水相对减少，混凝土流动性越差；反之，混凝土流动性越好。随着机制砂间断颗粒粒径逐渐变大，使机制砂的平均粒径减小，表面积增大，表面吸附水量增加，由于用水量不变，自由水量减少，因此，混凝土流动性随机制砂间断颗粒粒径变大逐渐变差。

 与连续级配机制砂混凝土相比，间断级配机制砂混凝土流动性变化主要受水和浆体两方面因素影响。一方面，间断级配机制砂比表面积发生变化，自由水量随之改变，导致混凝土流动性变化；另一方面，由于间断级配机制砂往往具有更小的孔隙率，使更多的浆体用于混凝土的流动，从而对混凝土流动性有一定促进作用。因此，间断级配机制砂混凝土坍落度与连续级配机制砂混凝土坍落度之间的差别是两个因素共同作用的结果。

1.  间断级配机制砂对混凝土泌水率的影响

 从图3可以看出，随着机制砂（Ⅱ~Ⅱ-5）间断颗粒粒径逐渐增大，混凝土泌水率也随之减小，各强度等级混凝土泌水率最大值均出现在Ⅱ-1处，最小值均出现在Ⅱ-5处。间断级配机制砂Ⅱ-1配制的C30，C40，C50，C60混凝土泌水分别为5.3%，3. 0%．1.3%．0.2%，间断级配机制砂Ⅱ．5对应强度等级混凝土的泌水率分别为3.5%，2.0%，0.7% ，0，泌水率随机制砂变化分别减小1.8%，1.0%，0.6%，0.2%。

 与吸附水和结合水相比，混凝土中的自由水与固体材料之间的相互作用最小，最易从混凝土中泌出。随着机制砂间断颗粒粒径逐渐变大，机制砂的平均粒径减小，比表面积增大，吸附水量增加，自由水量减少，因此泌水率随之减小。

 由图3还可以看出，强度等级越高，混凝土泌水率越小，间断级配机制砂变化对泌水率影响越小；间断级配机制砂变化对C30，C40混凝土泌水率影响较为显著，对C50，C60混凝土影响较小。随着强度等级增加，水胶比大幅减小，混凝土中的自由水量也随之减小，因此泌水率随强度等级增加而减小。同时，混凝土强度等级越高，单位体积的胶凝材料数量越多，混凝土的内表面积越大，间断级配机制砂变化对混凝土内表面积的影响越来越小，因此，随混凝土强度等级的增加，间断级配机制砂变化对泌水率影响越小。

2.3  间断级配机制砂对混凝土振动离析率的影响

 图4显示了机制砂(Ⅱ~Ⅱ-5)对混凝土振动离析率的影响，结合图2可以看出，随着机制砂间断颗粒粒径变大，混凝土坍落度逐渐减小，振动离析率也相应变小。这是由于机制砂间断颗粒粒径变大时，机制砂吸附水增加，使浆体黏度变大，混凝土离析是由于浆体黏滞阻力和粗骨料所受到的浮力不足以抵抗重力而导致的，浆体黏度变大时，粗骨料下沉，受到的黏滞阻力随之变大，使混凝土抵抗离析的能力增强，振动离析率减小。

2.4  间断级配机制砂对混凝土拌合物性能的影响

 以C40混凝土为例，采用1区和2区机制砂，分别制备成间断级配机制砂，并进行混凝土试验，相应的混凝土拌合物性能试验结果如表4所示。由表4可知，机制砂I由于大颗粒比例较高（1.18 mm累计筛余高达54%），砂比表面积大大减小，降低了混凝土中吸附水的数量，使混凝土中的自由水产生大量富余，混凝土发生离析；对应间断颗粒粒径为0. 15~0.3mm，0.3~0.6mm，0.6~1.18mm机制砂配制的混凝土也发生离析，但随着间断颗粒粒径变大，混凝土离析的程度有所减轻，混凝土泌水率也逐渐减小；当间断颗粒粒径为1.18~2.36mm和2. 36~4.75mm时，混凝土和易性良好，同时混凝土坍落度、泌水率和振动离析率均随间断颗粒粒径变大而减小，与前文规律类似。而机制砂Ⅱ配制的混凝土和易性良好，所对应的间断级配机制砂，随着间断颗粒粒径变大，混凝土从有泌水现象，变为和易性良好，并逐步向流动性差过渡。虽然混凝土拌合物性能受机制砂的两种颗粒级配区影响差异很大，但其内在规律是一致的，均是由于间断颗粒粒径变化，改变了机制砂比表面积，从而使混凝土拌合物性能随之改变。

3  结语

 1)当间断级配机制砂颗粒级配在合理范围内波动时，可配制出和易性良好的混凝土。

 2)间断级配机制砂对混凝土拌合物性能影响显著，随着机制砂间断颗粒粒径的增大，机制砂的平均粒径减小，混凝土坍落度、泌水率和振动离析率均随之减小。

 3)强度等级越高，机制砂级配变化对混凝土泌水率影响越小，间断级配机制砂对强度等级C40以下的混凝土泌水率影响较大，而对C50以上的混凝土泌水率影响不大。