细集料的表面干湿状况对低强度等级混凝土性能的影响

［摘要］在施工现场，由于保护措施不当，细集料受雨水天气的影响，其表面有较大的含水率。但在施工中，一般通过测定现场用砂的含水率，对混凝土的砂用量和用水量做一个简单的调整，便进行施工，而很少考虑砂的表面干湿状况对混凝土性能的影响。为此，我们采用河砂和机制砂，研究了它们的表面干湿状态对低强度等级混凝土的工作性能、抗压强度、抗渗性能的影响，发现它们对混凝土的上述性能均有不同程度的影响。其中抗渗性能采用水压力抗渗高度和氯离子扩散系数两种方法来表征。
 
0　前言
    砂中所含有全部水的质量，以干砂质量的百分数表示时称为砂的含水率。当拌制混凝土时，由于砂中的含水量不同，会影响混凝土的用水量和砂用量。因此，一般以绝对干燥为基准，用百分率来表示，称为全干含水率；当砂的颗粒表面干燥，而颗粒内部孔隙含水达到饱和时，此时的含水率称为饱和面干含水率。计算混凝土各项材料的用量时，常以饱和面砂为准，因为在这种状态下的砂，既不从混凝土拌合物中吸取水分，也不会给混凝土拌合物中带入水分，能够比较严格地控制混凝土的用水量。在一些较大工程的施工中，由于施工时间长，用砂量大，在现场很少对砂采取防护措施，由于天气缘故，砂的含水率往往大于饱和面干时的含水率。因此，施工单位一般测定现场用砂的含水率，来调整混凝土的砂用量和用水量，以便进行混凝土的施工。
    香港理工大学的 C.S.Poon等人研究了砂在空气面干、烘箱干燥和饱和面干的状态时对混凝土工作性能、抗压强度的影响^[1]，发现用烘箱干燥的砂配制的混凝土有一个较大的坍落度，但同时坍落度的损失也较快；在抗压强度方面，空气干燥状态下的砂配制混凝土的抗压强度最大。我们则采用河砂和石灰岩机制砂，研究了在空气面干和潮湿状态下对混凝土工作性能、抗压强度、水压力抗渗和氯离子扩散系数的影响。
 
1　原材料及测试方法
1.1　原材料
1.1.1　水泥
    本次试验采用的水泥为华新堡垒 P.O32.5，水泥的主要性能指标见表 1。

表 1　华新P.O32.5级水泥性能指标

性能	细度(%)	标准稠度(%)	凝结时间		(h:min)	安定性		抗折强度(MPa)
			初凝	终凝	沸煮法	3d	28d	3d	28d
指标	1.2	27.6	3：15	3：44	合格	5.3	8.6	26.1	46.1

1.1.2　石粉
    采用福刚风选石灰岩石粉，比表面积为 269.5m²/kg。
1.1.3　骨料
    采用的细骨料有洞庭湖河砂和湖北省恩施市福刚砂石料厂的水洗机制砂，它们的主要性能指标见表 2和表3。

表 2　河砂的主要性能指标

项目	细度模数	含泥量(%)	表观密度	(kg/m^3)
指标	2.84	0.6	2683	42

表 3　福刚水洗机制砂的主要性能指标

项目	筛分级配	细度模数	表观密度(g/cm^3)	亚甲蓝MB 值	石粉含量(%)	泥块含量(%)	压碎值
指标	满足II区级配要求	3.10	2.695	0.5	4.5	0.3	12

    粗骨料采用湖北省恩施市福刚碎石厂5～25mm连续级配碎石。
1.1.4　减水剂
    采用武汉浩源 FDN-9000缓凝高效减水剂。
1.2　测试方法
1.2.1　坍落度和抗压强度
    依据中华人民共和国行业标准 JTG-E30-2005 《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》。
1.2.2　抗渗性能
    依据中华人民共和国行业标准 JTG-E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》 中的T0569-2005水泥混凝土渗水高度试验方法，试验过程中采用恒压 1.0MPa。
1.2.3　混凝土 NEL 氯离子扩散系数法快速试验
    采用清华大学基于Nernst-Einstein方程研究开发的用氯离子扩散系数评价混凝土渗透性的试验方法 (NEL 法 )，测试氯离子在混凝土中的扩散系数。试验所用仪器为NEL-PD型混凝土渗透性检测系统。
    将混凝土试件切割成100mm×100mm×50mm的试件，与电极接触的两个测试面磨光。将试件进行真空饱盐，在低电压下测试饱盐混凝土试件的扩散系数。
混凝土中的氯离子扩散系数：

                                              （1）

    式中：d_cl —混凝土中氯离子扩散系数，m ²/s;
    R—气体常数，为 8.314J/（mol·K）；
    T—绝对温度，K；
    σ—饱盐混凝土的电导率，S/m；
    F—法拉第 (Faraday) 常数，为96500C/mol;

    C_cl— 饱盐混凝土中孔溶液中氯离子浓度，通常可以取饱盐溶液浓度，mol/m³(4.0×10⁶mol/m³);

     —修正系数，通常可以取 1.0。
 
2　试验结果与讨论
2.1　试验设计
    试验所采用的配合比设计大体如下：水灰比均为 0.5；用水量均为 175kg/m³；河砂的砂率为 42%，机制砂的砂率为 45%；河砂的设计容重为 2400kg/m³，机制砂的设计容重为 2420kg/m³；减水剂掺量均为水泥质量的 0.6%。当所采用的砂为湿砂时，在用水量中扣除砂的含水率，并相应地增加砂的质量。在本次试验中，河砂的含水率为 4.2%，机制砂的为 4.6%。所采用机制砂的石粉含量为 10%，是在石粉含量为 4.5% 的原砂基础上，通过掺加福刚风选石粉获得的。
2.2　结果与讨论
具    体试验结果见表 4。其中N代表河砂，M代表机制砂；N1和 M1为饱和面干砂，N2和M2为含一定水分的砂。

表4　性能对比

编号	坍落度(mm)	抗压强度 (MPa)		水压力渗透E-06(mm/h)	氯离子扩散系数E-14(m^2/s)
		7d	28d
N1	170	30.3	42.1	0.85	408
N2	180	26.6	33.2	3.51	512
M1	165	29.7	42.1	0.75	435
M2	120	28.2	40.7	2.32	462

    从表 4 中坍落度值可以看出，河砂在砂的表面干湿状态时，坍落度值相差不大，其中砂的表面湿润时坍落度值稍大些；砂的表面干湿状况对机制砂的坍落度影响较大，湿砂的坍落度值比干砂的减小了将近30%。在抗压强度方面，不管是河砂还是机制砂，砂的表面湿润时的抗压强度值比砂的表面干燥时的均减小，其中河砂减小的幅度最大，在7d和28d时，分别减小了12%和21%；机制砂则分别减小了5%和3.3%。河砂在表面湿润状态时的水压力渗透系数是干燥时的6倍多，机制砂的二者比例则接近4，说明砂在湿润状态时，混凝土的抗水压力渗透能力变差。从氯离子扩散系数来看，两种砂在湿润时，均使混凝土的氯离子扩散系数变大，即混凝土抵抗氯离子扩散能力降低。
    水泥浆体与集料间存在着过渡区，过渡区的结构与水泥浆体不同^[2]。由于在贴近集料表面的水灰比较大，此处所形成的结晶产物的晶体也大，因此，在此界面处所形成的骨架结构中的孔隙比水泥浆本体多。集料与水泥浆对混凝土性能的影响，许多专家对此做过研究或讨论，他们的一致意见是：界面过渡区对混凝土性能的影响很重要^[3,4,5]。砂的表面在湿润时，对混凝土的强度和抗渗性能造成不利的影响，可能是由于砂在湿润状态时造成了“预泌水”，从而改变了细集料与水泥浆的界面区结构，从而使界面区的水灰比变大，孔隙增多。
 
4　结论
    以水灰比0.5的混凝土为对象，研究了河砂和机制砂的表面在饱和面干和含有一定水分的情况下，对混凝土工作性能、抗压强度、水压力抗渗和氯离子扩散系数性能的影响，得出以下结论：
    （1）细集料为河砂时，混凝土的坍落度相差不大；细集料为机制砂时，混凝土的坍落度则有较大的变化，湿砂的比干砂的减小了将近30%。
    （2）不管是河砂还是机制砂，细集料在表面湿润时比在表面饱和面干时，均使混凝土的抗压强度减小，其中河砂减小的幅度达到20%，机制砂的则减小的幅度较小，为5%左右。
    （3）水压力抗渗和氯离子扩散系数的试验结果表明，细集料在湿润状态时比在饱和面干时，混凝土的抗渗性能变差。
参考文献
[1] C.S. Poon，Z.H. Shui. Influence of moisture states of natural and recycled aggregates on the slump and compressive strength of concrete. Cement and Concrete Research 34(2004)31-36
[2] 黄士元，蒋家奋．近代混凝土技术 [M]．西安：陕西科学技术出版社，1998，10：148-151
[3] 姚嵘，王振翀．水泥混凝土中的界面现象 [J]．建筑技术与应用，2006(2)：7-9
[4] 徐新生．骨料水泥浆界面对混凝土透过性的影响 [J]．粉煤灰综合利用，2001(2)：42-44
[5] 王稷良，李勇，宁琰，等．集料对混凝土强度与界面特性影响的研究 [J]．混凝土，2006(11)：39-41

 

 作者：王雨利  管学茂   杨雷   周明凯   李北星