粉料含量與砂率對新拌混凝土泌水過程的影響

［摘 要］泌水會嚴重影響硬化混凝土的內部結構和耐久性，新拌混凝土泌水一直是困擾人們的技術問題，尤其是膠凝材料用量少的混凝土泌水問題更加突出。通過按不同水灰比、不同砂率、不同坍落度設計一系列配合比，對拌和物試樣進行泌水試驗，測定各時刻的泌水率，再通過迴歸分析研究泌水過程的控制參數及其影響因素。結果表明，拌和物中的粉料體積率和粉料填砂係數是控制泌水快慢的關鍵因素，後者還控制著泌水開始時間，砂率通過改變粉料填砂係數來影響泌水過程。這些參數均存在臨界點和最佳範圍，粉料填砂係數介於0.78~0.87之間時，可將泌水控制為危害最小的晚慢型泌水。

［關鍵詞］泌水過程；控制參數；新拌混凝土；粉料含量；砂率

0 引言

新拌混凝土的工作性非常重要，會影響硬化混凝土的性能[1]。保水性是新拌混凝土工作性的一個重要方面，保水能力不足時，泌水現象就難以避免。尤其膠材用量較少時，混凝土更易於泌水，泌水過程往往持續到水泥漿完全硬化[2]。泌水會嚴重影響混凝土的勻質性, 影響結構的使用性能和耐久性[3]。現場通常是目測法觀察混凝土的泌水情況，但僅僅是定性表述而不是定量表徵。在實驗室可以按GB/T 50080[4]之5.1進行泌水試驗，測定泌水量和泌水率。有研究發現，隨著混凝土坍落度的增加，拌和物從不泌水漸次到隱性泌水和顯性泌水，目測到的是顯性泌水，而隱性泌水通常滯後泌出[5]。在本課題組的前期研究[6-8]中，逐漸揭示了混凝土泌水過程的規律性，提出了泌水潛伏時間、泌水初始速率、泌水極限和水粉比等概念，依據這些參數將混凝土泌水分為早快型、晚快型、早慢型和晚慢型四種類型，並討論了泌水率與水粉比的關係及其與坍落度一致性。本文將進一步討論粉料含量及砂率對混凝土拌和物泌水過程的影響。

1 試驗原材料與方法

1.1 原材料

（1）水泥(C)為P·O42.5水泥、石粉為長英岩石粉，其基本性質見表1。

（2）細骨料(S)系從長英巖尾礦中篩選出的副產人工砂，石粉含量3.3%，細度模數2.1；粗骨料(G)為石灰石質5~31.5mm連續級配碎石。骨料密度與空隙率見表2、級配曲線見圖1。

1.2 試驗方法

共設計3組試驗，為減少干擾因素，均不摻外加劑。A組按一系列水灰比和不同坍落度設計若干試樣；B組試樣主要是重複A組試驗，變化的主要參數是用水量；C組變化的主要參數是砂率。所有試樣均按GB/T 50080[4]之5.1進行泌水試驗，測定各時刻(t)的泌水率(B)。由於部分試樣在240min時泌水試驗結束，所以本文統一將泌水率列舉到240min (B240)。

2 結果與討論

試驗混凝土配合比、目測工作性與泌水試驗結果見表3。

2.1 新拌混凝土的泌水過程及分類

用試樣靜置時間(t)及泌水率(B)作泌水過程曲線，其中A組試樣的泌水過程見圖2。

對錶3中所有試樣進行迴歸分析，迴歸結果與式(1)的相關性很高(相關係數r>0.99)。彙總所有試樣的Blmt、t0和k等參數，然後再進行下一步分析。

在對泌水速率係數k的統計分析中，發現k>0.01的各試樣4h泌水完成度(B240/Blmt)基本都在90%以上；統計分析泌水潛伏時間t0，又發現t0<20min且k>0.01的試樣4h泌水完成度(B240/Blmt)接近100%。因此，將k>0.01者劃為快型泌水，反之視為慢型泌水；將t0<20min者劃為早型泌水；反之視為晚型泌水(詳見表4)。

2.2 粉料體積率對泌水過程的影響

所謂粉料是全部活性礦物粉末(如水泥和摻合料)與非活性礦物粉末(如砂中所含石粉)的總稱，粉料(P)在拌和物(Mix)中所佔的體積百分率稱為粉料體積率(βp)。

與粉料體積率(βp)迴歸相關性最高的泌水過程參數是泌水速率係數(k)，r=0.9654。這說明粉料體積率是影響泌水快慢的關鍵因素，無減水劑情況下，隨著粉料體積率的增加，泌水速率逐漸減小，當βp=15.6%時k達到最小值，該值應當成為混凝土配合比設計的指導性指標。欲使泌水速率係數k<0.01，βp宜介於13.8%~17.3%之間。

其次，與粉料體積率有一定相關性的泌水參數是4h泌水率(B240)及其完成度(B240/Blmt), r=0.753和0.798。由圖4可以看出，隨著粉料體積率的增加，B240和B240/Blmt基本上呈逐漸減小趨勢。這意味著粉料體積率越大，拌和物保水性越好，能夠泌出的水越少。

2.3 砂率及粉料填砂係數對泌水過程的影響

C組是按w/c=0.46和0.78及多個砂率(βs=32%~40%)配製的混凝土，對該組數據進行迴歸分析，僅泌水潛伏時間(t0)顯得與砂率密切相關，r=0.9985和0.901(如圖5)。

由圖5可以看出，不同w/c條件下，趨勢線的形狀和方向均不相同。在w/c=0.78時粉料相對偏少，隨著砂率的增加，砂的堆積體積隨之增加，砂粒間的空隙體積也逐漸增加，砂粒空隙的填充物(淨漿)中粉料體積率隨之減小，粉料顆粒間的緊密程度隨之降低，毛細作用對水的束縛隨之減弱，泌水阻力越來越小，泌水開始得越來越早。而在w/c=0.46時粉料相對偏多，已經超出了臨界比例，對砂粒的填隙作用變為懸浮作用，隨著砂率的增加，砂粒間的空隙體積隨之增加，砂粒對淨漿的擠壓程度降低，遊離水受排擠的壓力減小，泌水開始得就越來越晚。

粉料填砂係數同樣對泌水速率係數(k)有很大影響(對於表3中的全部試樣, r=0.958),如圖7。由圖7可知，當粉料填砂係數為0.87時，k最小。欲使k≤0.01，粉料填砂係數宜介於0.663~1.077之間。

綜合圖6和圖7，欲使泌水成為危害最小的晚慢型[8]泌水，粉料填砂係數宜介於0.663~0.948之間，最好介於0.78~0.87之間。

對於中低強度混凝土來說，由於膠凝材料用量少，僅靠膠凝材料作粉料難以達到上述指標要求，可以使用含有適量石粉的砂，亦可另加石粉作補充粉料，以降低泌水速率並推遲泌水開始時間，改善混凝土的內部結構和耐久性。

3 結論

通過上述試驗結果和迴歸分析，對於不摻外加劑時中高水膠比混凝土的泌水過程，可以得出下列結論：

（1）新拌混凝土的泌水過程呈指數曲線形式，即各時刻的泌水率隨著拌和物靜置時間的延長而逐漸增加，泌水過程參數包括泌水速率係數、泌水潛伏時間和泌水極限。

（2）泌水速率係數大於0.01者為快型泌水、反之為慢型；泌水潛伏時間<20min者為早型泌水、反之為晚型。目測嚴重泌水者一般屬於早快型泌水，其泌水率最高；目測輕微泌水者一般為晚快型泌水，其泌水率較高；而慢型泌水一般目測不到，早慢型泌水的泌水率較低，晚慢型泌水的泌水率最低。

（3）受粉料體積率影響最大的泌水過程參數是泌水速率係數，隨著粉料體積率的增加，泌水速率逐漸減小，泌水率也隨之減小。當粉料體積率為15.6%時，泌水速率最小。欲將泌水類型控制為慢型，粉料體積率宜介於13.8%~17.3%之間。

（4）受砂率影響最大的泌水過程參數是泌水潛伏時間，砂率是通過改變粉料填砂係數的方式來影響泌水潛伏時間的。當粉料填砂係數小於0.78時，隨著該係數的增加，泌水開始時間逐漸延後；該係數超過臨界值0.78以後，淨漿與砂之間的穩定被打破，隨著粉料填砂係數的增加，遊離水越來越受排擠，泌水開始的時間逐漸提前。

（5）粉料填砂係數同時也影響著泌水速率，當粉料填砂係數小於0.87時，隨著該係數的增加，毛細作用逐漸增強，粉料對遊離水的束縛隨之加強，泌水速率逐漸降低；該係數超過臨界值0.87以後，隨著粉料填砂係數的增加，排擠壓力增加，泌水速率逐漸加快。

（6）若要把泌水類型控制為危害最小的晚慢型，粉料填砂係數最好介於0.78~0.87之間。在配製中高水膠比混凝土時，宜補充石粉之類的粉料，將粉料填砂係數以及粉料體積率調整到恰當值。