砂级配对混凝土气泡参数的影响研究

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前言

通常把砂的级配分为连续级配和非连续级配两种。连续级配砂不同粒级所占比例适中，颗粒按大小连续分布，对混凝土和易性有利。而非连续级配砂颗粒分布断档，易造成混凝土保水性差、离析泌水等现象，会增加施工难度。

通常混凝土中气泡的形成多源于搅拌过程中带入空气，砂与水泥界面由于表面张力小，非常利于气泡稳定存在，故混凝土气泡结构受到砂的影响较大，主要影响因素有砂的粒型和级配，其中又以级配的影响更为显著。

有研究表明，不同级配的砂拌制的混凝土含气量及稳定性相差很大，影响混凝土新拌性能与外观质量。因此，开展砂级配对混凝土气泡参数的影响研究具有重要的实际意义。目前，关于砂对混凝土性能的影响研究多集中于岩性及细粉颗粒含量对混凝土工作性能及耐久性的研究，针对砂完整粒级的级配情况对混凝土气泡参数的影响研究还十分少见， 本文采用人工搭配方式，组合成不同级配的砂，并对不同级配砂的气泡参数进行对比分析，系统研究了砂级配对混凝土气泡参数的影响规律。

   >>>> 1、试验及研究

1.1 原材料

水泥： 马鞍山某水泥厂生产的P·O 42.5级水泥；砂：细度模数2.4的河砂，空隙率39%；石子：5~25mm连续级配碎石，空隙率46%；外加剂：江苏某公司提供的聚羧酸减水剂PCA -Ⅰ， 符合GB8076—2008《混凝土外加剂》规定的技术要求。

1.2 配合比

根据试配情况调整配合比，控制混凝土初始坍落度为（200±20）mm，1h坍落度为（180±20）mm，减水剂掺量1.0%，混凝土配合比见表1。

1.3 砂级配设计

砂级配调整控制在二区砂标准范围内，分别设置各粒级颗粒含量为高低两个极限比例以模拟该粒级砂超量与断档的情况，级配中其他粒径砂所占比例统一参照基准组，而基准组取二区砂上限与下限的平均值。具体级配设计见表2。

1.4 试验方法

对新拌混凝土及含气量经时损失的混凝土，按GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测定其含气量，测定仪器为日本三洋直读气压式含气量仪。使用混凝土静置1h含气量损失率作为表征混凝土含气量稳定性的参数。具体计算如式（1）所示：

硬化混凝土气泡参数采用混凝土气泡参数分析系统自动采集数据（见图1）。将标养28d 后试块切割成厚度2cm薄片，经打磨、抛光、喷荧光粉、干燥清洁后放入试验机测试， 测试区域为60mm×60mm，气泡圆形度取0.45，阈值取30。设置完成后，由系统软件自动采集数据和计算结果。

   >>>> 2、结果与讨论

2.1 砂级配对混凝土含气量的影响

由图2可以看出，各粒径颗粒含量变化对混凝土含气量的影响程度存在差异，颗粒粒径偏大或偏小时，影响较大，而中间粒径0.6~1.18mm颗粒含量变化对混凝土含气量的影响较小。当各粒径颗粒分别断档时，各组混凝土含气量皆低于基准组，且含气量随颗粒粒径分布呈两头小中间大的趋势，0.6~1.18mm颗粒断档时，混凝土的含气量最大。

因为砂级配断档对混凝土气泡的影响主要通过两方面实现：

一方面是对浆体黏度的影响，当粗颗粒断档时，砂比表面积增大，其表面润湿需用水量较大，润滑水膜层变薄会降低混凝土的流动性，导致浆体黏度偏大，而高黏度对混凝土在搅拌过程中引入气泡较为有利；

另一方面是对自由空隙的影响，当细颗粒断档时，粗颗粒之间的大量空隙难以被填充，导致颗粒堆积不密实， 易形成利于气泡富集的自由空隙，导致含气量上升。两种作用相互制约，综合作用的结果影响混凝土的含气量， 当各粒径颗粒断档时，两种作用在0.6~1.18mm区间变化时达到最佳平衡，此时混凝土含气量最大。

当各粒径颗粒分别超量时， 小于1.18mm颗粒混凝土含气量高于基准组， 而大于1.18mm颗粒混凝土含气量低于基准组， 可见砂中小于1.18mm颗粒超量时，对浆体黏度增大的作用超过对自由空隙降低的作用，故混凝土引气能力增强，而砂中大于1.18mm颗粒超量时，对自由空隙降低的作用占据主导， 混凝土引气能力减弱。

当砂中0.3~0.6mm颗粒超量时，混凝土含气量处于最大值，说明在综合考虑黏度与自由空隙的影响时，此粒径区间的砂对混凝土引气剂能力的影响最大。相关研究表明，混凝土在搅拌过程中引入气泡的结构与砂的粒径密切相关，不同粒径砂在搅拌过程中表面形成气泡的质量存在差异，而＜0.6mm粒径砂在搅拌过程中引入的气泡小而稳定，对混凝土含气量的影响最大。

2.2 砂级配对混凝土含气量稳定性的影响

图3为砂级配调整与混凝土1h含气量损失率的关系。从图3可以看出，砂颗粒越细，对混凝土含气量稳定性的影响越大，即小于0.3mm颗粒含量超量或断档时，混凝土1h含气量损失率变化最大。

因为混凝土含气量稳定性与其中气泡的稳定存在密切相关，而在混凝土体系中，部分气泡均匀分布于浆体中， 部分附着于骨料与水泥浆接触的界面处，两类气泡稳定存在的必要条件分别为平衡的液膜体系和稳定的附着点。平衡的液膜体系决定了气泡在浆体中稳定存在，主要与液膜厚度及均匀度有关，受控于浆体黏度等因素，而砂中小于0.3mm细颗粒对混凝土的黏度影响最大，此区间砂颗粒含量波动时，混凝土黏度较大且搅拌过程引入的气泡多为稳定性较好的微气泡，高黏度造成气泡在浆体中运动困难，聚结成大泡的可能性降低，有利于气泡的稳定。而当浆体黏度一定时，而稳定的附着点决定了气泡在骨料表面的稳定存在，这由骨料的性质决定，尤其受到颗粒级配与尺寸的影响较大。

有关研究表明，骨料颗粒越细，气泡在骨料表面的附着越稳定。主要原因为：

骨料表面附着气泡的尺寸与骨料尺寸存在正相关关系，细颗粒表面附着的气泡普遍为尺寸较小的微气泡，其相对大气泡具有更高的内部气压，使得气液传质过程中在较短时间内很快达到平衡， 平衡后气泡在骨料表面较大的接触角，使得气泡的寿命大大延长，且一旦形成稳定的传质界面，较快的传质速率又能够增强界面的修复能力，进一步增强气泡的稳定性。

2.3 砂级配对混凝土气泡孔径分布的影响

图4为砂级配调整与硬化混凝土气泡孔径分布的关系。由图4可知，当各粒径颗粒分别超量时，随着颗粒尺寸的增加，小于300μm的气泡含量呈现减小的趋势， 且0.3~0.6mm颗粒超量时， 小于300μm的气泡数量达到最大值，主要由于此粒径区间的砂引气能力最强。超量时混凝土含气量较高，而在含气量适当时，小尺寸气泡能够在混凝土内部稳定存在。而当各粒径颗粒分别断档时， 小于300μm的气泡含量随颗粒尺寸的增加呈现递增的趋势，且当0.6~1.18mm颗粒断档时，小于300μm的气泡数量最大， 造成此现象的原因同样由于断档时，0.6~1.18mm颗粒引气能力最强。

由图4又可发现， 无论各粒径颗粒超量还是断档时，1000 ~2000μm尺寸区间的气泡含量皆相当， 且随颗粒尺寸的变化较小。这是由于通常条件下，砂中粗颗粒引入的大气泡数量常多于细颗粒，而当大气泡数量尺寸增加到一定程度时， 气泡液膜厚度不断减小，大气泡聚结成更大气泡并上浮溢出的概率大大提高，表现为含气量损失，最终造成大气泡数量减少到一定值而稳定。与此同时，砂中细颗粒引入的小气泡在高含气量时也会聚结成大气泡， 此消彼长，造成各粒径颗粒超量时大气泡的数量基本相当。

 2.4 砂级配对混凝土气泡间距系数的影响

图5为砂级配变化与硬化混凝土气泡间距系数的关系。由图5可以看出，当砂颗粒含量超量时，混凝土气泡间距系数随颗粒尺寸的增加而增大，因为在外界条件一定时，混凝土气泡间距系数取决于含气量与气泡平均孔径，含气量越大，平均孔径越小，气泡间距系数越小。

由上文研究可知，砂中各区间颗粒超量时， 砂小于1.18mm颗粒对混凝土含气量的影响最大，且当粒径0.3~0.6mm砂超量时，混凝土含气量处于最大值，同时又因小于0.3mm细颗粒对混凝土的含气量稳定性影响最大，引入的气泡多为尺寸较小的微气泡，使得混凝土内部单位体积内气泡存在的数量增加，气泡间距系数降低。

当砂颗粒含气量断档时，混凝土气泡间距系数随颗粒尺寸的增加呈先减小后增大的趋势， 且当1.18~2.36mm颗粒断档时， 混凝土气泡间距系数最小。由于颗粒断档时，0.6~1.18mm颗粒断档对混凝土含气量的增加作用最大， 且大于1.18mm颗粒断档对混凝土含气量增加的影响普遍大于细颗粒断档，故结合含气量对混凝土气泡间距系数的影响规律，粗颗粒断档时混凝土气泡间距系数较小，又同时考虑气泡平均孔径的影响，混凝土中0.6~2.36mm断档时混凝土中小于300μm的气泡数量大于2.36~4.75mm断档时，故两者叠加作用造成1.18~2.36mm颗粒断档时，混凝土气泡间距系数最小。

   >>>> 3、结论

（1）各粒径颗粒含量变化对混凝土含气量的影响程度存在差异，中间粒径0.6~1.18mm颗粒含量变化对混凝土含气量的影响较小。当0.3~0.6mm颗粒超量、0.6~1.18mm颗粒断档时，混凝土含气量最大。

（2）砂颗粒越细，对混凝土含气量稳定性的影响越大，小于0.3mm颗粒含量波动时，混凝土1h含气量损失率变化最大。

（3）当各粒径颗粒砂超量时，随着颗粒尺寸的增加，小于300μm的气泡含量呈减小趋势，且0.3~0.6mm颗粒超量时，小于300μm的气泡数量达到最大值；当各粒径颗粒分别断档时，小于300μm的气泡含量随颗粒尺寸的增加呈现递增的趋势，且0.6~1.18mm颗粒断档时，小于300μm的气泡数量最大。

（4）当各粒径颗粒砂超量时，混凝土气泡间距系数随颗粒尺寸的增加而增大；当各粒径颗粒分别断档时，混凝土气泡间距系数随颗粒尺寸的增加呈先减小后增大的趋势， 且当1.18~2.36mm颗粒断档时，混凝土气泡间距系数最小。

转自砼话