砂颗粒级配缺失对混凝土性能的影响研究

0引言

目前混凝土用砂只注重细度模数而忽视了颗粒级配，邢福燕^[1]认为细度模数仅是表征砂的粗细程度的宏观指标，对新拌混凝土的工作性有着显著地影响，但是对强度影响不明显，当砂子细度模数固定时，砂子的不同级配对混凝土砂率、减水剂掺量、工作性能也有影响，表明颗粒过分集中分布于某1级或相邻2级或颗粒成间断分布时影响较大。细度模数无法反映颗粒级配的真实情况，决定砂品质好坏的内在因素是颗粒级配，因此，应综合考虑砂的细度模数和颗粒级配。

骨料的颗粒级配是指不同粒径骨料之间的组成状况，一般用骨料在各个筛孔上的通过率表示。良好的骨料级配应当具有较小的孔隙率和较稳定的堆聚结构。有关骨料的颗粒级配可以分为2种：连续级配与间断级配。一般建筑工程中多数混凝土宜采用连续级配，而间断级配容易导致混凝土离析，故在一般的混凝土中较少采用。但由于天然优质连续级配砂石资源的日益枯竭，同时也因非连续级配的下一级骨料是完全填充于上一级骨料形成的孔隙之中，因而具有更紧密的堆积密度，能更快地降低孔隙率等优点。近年来，非连续级配粗骨料混凝土的应用问题的研究悄然兴起，而对非连续细骨料的研究还未见报道，非连续级配是否可用？如果可用，应该如何应用？应用中又应该注意哪些问题？等都值得我们去进一步的研究^[2～3]。

1试验方案及原材料

1.1缺失不同级配区间砂的配制

根据JGJ/T10《混凝土泵送施工技术规程》附录A中提供的最佳级配曲线作为基准^[4]，配制缺失某一级配区间的砂，然后研究缺失某一级配区间对C30和C50混凝土和易性和强度的影响。详见表1～表4及图1。

     1.2原材料

（1）水泥：华润P·O42.5R；

（2）粉煤灰：沙角III级灰，细度44.0%，需水量比105%，烧失量4.26%；

（3）减水剂：四威聚羧酸减水剂，减水率25%；

（4）石：金业5~25mm。

2试验结果

2.1砂级配缺失对砂密度的影响

砂级配缺失对砂堆积密度和紧密密度的影响详见表5。

     从表5中可以看出，从2.36mm逐级缺失至0.15mm，用于配制C30和C50混凝土的砂堆积密度与紧密密度都呈现出先增大后降低的趋势，在缺失0.315mm时，无论堆积密度还是紧密密度都呈最大值，这主要是因为缺失某一级后，下一级砂会完全填充于上一级砂孔隙中，从而使得砂堆积更加紧密，导致密度增大。

2.2砂级配缺失对混凝土工作性能的影响

2.2.1砂级配缺失对C30混凝土工作性能的影响

砂级配缺失对C30混凝土工作性能的影响详见表6。

     从表6中可以看出，对于C30混凝土，砂从2.36mm逐级缺失至0.15mm时，坍落度和扩展度总体呈现出先降低后上升的趋势，拐点在缺失0.315mm处，这可能是因为从2.36mm逐级缺失至0.15mm时，相对于基准砂，砂总比表面积先增大后减小（可从表1和表2砂级配缺失时细度模数变化规律得到反映），而当在水泥浆量一定时，包裹砂的浆体层厚度就会先减小后增大，从而影响了砂浆的润滑作用，导致混凝土的流动性能发生变化。至于从2.36mm逐级缺失至0.315mm后会出现离析泌水现象，主要是因为细颗粒逐渐减少，粗颗粒逐渐增多，从细度模数上反映出缺失0.315mm后砂突然变粗，粗砂对粗骨料（石子）的“干涉”作用大，砂粒挤开粗骨料的程度大，使粗骨料的孔隙率增大，于是填充粗骨料孔隙的砂子就要增多，而当总砂量一定时，砂浆将不能填满被挤开的粗骨料孔隙，表现为混凝土拌合物保水性差，易离析泌水。这就是为何当砂子粗细发生变化时，固定水胶比以保持强度不变，同时需调整砂率来保持流动性大致相同，砂粗则砂率大，砂细则砂率小的原因。

2.2.2砂级配缺失对C50混凝土工作性能的影响

砂级配缺失对C50混凝土工作性能的影响详见表7。

    从表7中可以看出，对于C50混凝土，砂从2.36mm逐级缺失至0.15mm时，坍落度和扩展度总体依然呈现出先降低后上升的趋势，拐点出现在缺失1.18mm处，且在缺失0.315mm处并没有出现严重离析现象，这主要是因为C50混凝土的总胶材用量较多，砂的级配或细度模数在一定范围内发生变化，会影响C50混凝土的流动性能，但依然拥有足够多的总砂浆量来填充包裹粗骨料空隙，因而不会导致严重的离析现象。

2.3砂级配缺失对混凝土力学性能的影响

砂级配缺失对C30和C50混凝土强度的影响详见表8和表9。

     从表8和表9中可以看出，砂从2.36mm逐级缺失至0.15mm对C30混凝土的抗压强度总体影响不大，而对于C50混凝土，砂从2.36mm逐级缺失至0.15mm时，抗压强度呈逐渐增大的趋势，这与邢福燕^[1]等人的研究结果一致（在力学性能方面，不同的砂颗粒级配对低标号混凝土影响较小，对高标号混凝土影响比较明显）。这可能是因为随着砂从2.36mm逐级缺失至0.15mm时，粗砂颗粒逐渐增大，使空隙率发生变化，C30混凝土水胶比较大，内部孔隙较多，因而由于砂级配缺失造成的空隙率变化对整体C30混凝土浆体的密实度影响较小，体现在强度上影响不明显，因此C30混凝土的强度主要受水胶比控制。而C50混凝土的水胶比较低，胶材用量大，内部空隙率小，当随着砂从2.36mm逐级缺失至0.15mm时，砂的堆积密度呈逐渐增大的趋势，即砂空隙率在逐渐减小，当总浆体量一定时，使水泥浆体对砂包裹更加紧密结实，因而强度上升，即表明对于C50等高强度混凝土，除水胶比外，骨料的空隙率也会对其强度有较大的影响。

3结语

综上所述，相对于基准砂，当砂从2.36mm逐级缺失至0.15mm时，将呈现以下情况：

（1）细度模数呈现先减小，后增大的趋势；

（2）堆积密度与紧密密度都呈现出先增大后降低的趋势，在缺失0.315mm时，无论堆积密度还是紧密密度都呈最大值；

（3）对不同等级混凝土，坍落度和扩展度总体呈现出先降低后上升的趋势，当缺失0.315mm时会造成C30混凝土严重离析，而C50混凝土不会出现此现象；

（4）对C30混凝土的抗压强度总体影响不大，但C50混凝土的抗压强度会呈逐渐增大的趋势。

参考文献：

[1]邢福燕，刘洋，杨文杰，等.砂子细度及级配对新拌混凝土性能的影响研究[J].混凝土，2015（01）：118~121.

[2]钱双彬，宋春霞.混凝土骨料非连续级配的试验研究[J].华北科技学院学报，2004，01（03）：59~62.

[3]彭浩.基于骨料级配优化的混凝土配合比设计方法研究[D].北京建筑大学，2004.

[4]王琴，刘军，朱炎宁，等.基于最佳级配曲线下机制砂与天然砂混合级配的研究[J].商品混凝土，2015，（03）：43~45.

（来源：《建材发展向导》2015）