粉料含量與砂率對新拌混凝土泌水過程的影響*

白瑞英，吳計旭,2，蔡基偉,3，劉偉華

（1. 華北理工大學材料科學與工程學院/河北省無機非金屬材料重點實驗室，河北 唐山 063009；2. 邯鄲金隅太行水泥有限責任公司，河北 邯鄲 056200；3. 河南大學材料與結(jié)構(gòu)研究所，河南 開封 475004；4. 冀東發(fā)展集團有限責任公司/材料科研技術(shù)中心，河北 唐山 064000）

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(xiàn)象就難以避免。尤其膠材用量較少時，混凝土更易于泌水，泌水過程往往持續(xù)到水泥漿完全硬化[2]。泌水會嚴重影響混凝土的勻質(zhì)性，影響結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性[3]?，F(xiàn)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征。在實驗室可以按 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[4]之 5.1 進行泌水試驗，測定泌水量和泌水率。有研究發(fā)現(xiàn)，隨著混凝土坍落度的增加，拌合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，而隱性泌水通常滯后泌出[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(guī)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(jù)這些參數(shù)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，并討論了泌水率與水粉比的關(guān)系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合物泌水過程的影響。

1 試驗原材料與方法

1.1 原材料

（1）水泥 (C) 為 P·O42.5 水泥、石粉為長英巖石粉，其基本性質(zhì)見表 1。

（2）細骨料 (S) 系從長英巖尾礦中篩選出的副產(chǎn)人工砂，石粉含量 3.3%，細度模數(shù) 2.1；粗骨料 (G) 為石灰石質(zhì)5～31.5mm 連續(xù)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 組試樣主要是重復 A 組試驗，變化的主要參數(shù)是用水量；C 組變化的主要參數(shù)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)。由于部分試樣在 240min時泌水試驗結(jié)束，所以本文統(tǒng)一將泌水率列舉到 240min(B240)。

2 結(jié)果與討論

試驗混凝土配合比、目測工作性與泌水試驗結(jié)果見表3。

表 1 水泥和石粉的基本性質(zhì)

表 2 骨料密度與空隙率

圖 1 骨料級配曲線

圖 2 新拌混凝土的泌水過程

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。

由圖 2 可以看出，隨著拌合物靜置時間 (t) 的延長，泌水過程呈指數(shù)發(fā)展趨勢，這一過程可用式 (1) 表示[7]。

式中：

B——混凝土拌合物各時刻的泌水率，%；

Blmt——混凝土拌合物試樣的泌水極限，%；

e——歐拉常數(shù)，2.7183；

表 3 混凝土配合比、目測工作性與泌水試驗結(jié)果

t——混凝土拌合物靜置時間，min；

t0——泌水潛伏時間，t0越小、泌水開始得越早；

k——泌水速率系數(shù)，k 越大、泌水越快。

對表 3 中所有試樣進行回歸分析，回歸結(jié)果與式 (1) 的相關(guān)性很高(相關(guān)系數(shù) r>0.99)。匯總所有試樣的 Blmt、t0和 k等參數(shù)，然后再進行下一步分析。

在對泌水速率系數(shù) k 的統(tǒng)計分析中，發(fā)現(xiàn) k>0.01 的各試樣 4h 泌水完成度(B240/Blmt)基本都在 90% 以上；統(tǒng)計分析泌水潛伏時間 t0，又發(fā)現(xiàn) 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）。

表 4 不同類型泌水的統(tǒng)計規(guī)律

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）在拌合物（Mix）中所占的體積百分率稱為粉料體積率（βp）。

式中：

βp——混凝土拌合物中粉料所占的體積率，%；

Vp——混凝土拌合物中全部粉料的總體積，L；

Vmix——混凝土拌合物總體積，理論上 1000L。

將表 3 中全部試樣的泌水過程參數(shù)與粉體體積率 (βp) 進行回歸分析，分析結(jié)果見圖 3 和圖 4 。

圖 3 泌水速率系數(shù) (k) 與粉料體積率 (βp) 的關(guān)系

圖 4 粉料體積率 (βp) 對 4h 泌水率及其完成度的影響

與粉料體積率（βp）回歸相關(guān)性最高的泌水過程參數(shù)是泌水速率系數(shù)（k），r=0.9654。這說明粉料體積率是影響泌水快慢的關(guān)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。欲使泌水速率系數(shù) k<0.01，βp宜介于 13.8%～17.3%之間。

其次，與粉料體積率有一定相關(guān)性的泌水參數(shù)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，拌合物保水性越好，能夠泌出的水越少。

2.3 砂率及粉料填砂系數(shù)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%）配制的混凝土，對該組數(shù)據(jù)進行回歸分析，僅泌水潛伏時間（t0）顯得與砂率密切相關(guān)，r=0.9985 和 0.901（如圖 5）。

圖 5 泌水潛伏時間 (t0) 與砂率 (βs) 的關(guān)系

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?？障兜奶畛湮铮▋魸{）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(jīng)超出了臨界比例，對砂粒的填隙作用變?yōu)閼腋∽饔?，隨著砂率的增加，砂粒間的空隙體積隨之增加，砂粒對凈漿的擠壓程度降低，游離水受排擠的壓力減小，泌水開始得就越來越晚。

若將粉料體積與緊密堆積狀態(tài)下砂的空隙體積之比定義為粉料填砂系數(shù) (Φp)，則

式中：

Φp——混凝土拌合物中的粉料填砂系數(shù)（比值）；

Vp——混凝土拌合物中全部粉料的總體積，L；

Vas——緊密堆積狀態(tài)下砂粒間的空隙體積，L。

則 C 組試樣的 t0與 Φp存在著密切關(guān)系（如圖 6）, r=0.9637。由圖 6 可以判斷出當粉料填砂系數(shù)為 0.78 時，泌水開始得最晚，即此值為臨界值，也可作為中高水膠比混凝土配合比設計的指導性參數(shù)。按此參數(shù)推斷，欲使 t0≥20min，粉料填砂系數(shù)宜介于 0.614～0.948 之間。

粉料填砂系數(shù)同樣對泌水速率系數(shù)（k）有很大影響（對于表 3 中的全部試樣，r=0.958），如圖 7。由圖 7 可知，當粉料填砂系數(shù)為 0.87 時，k 最小。欲使 k≤0.01，粉料填砂系數(shù)宜介于 0.663～1.077 之間。

圖 6 泌水潛伏時間(t0) 與粉料填砂系數(shù)(Φp)的關(guān)系

圖 7 泌水速率系數(shù)(k) 與粉料填砂系數(shù)(Φp)的關(guān)系

綜合圖 6 和圖 7，欲使泌水成為危害最小的晚慢型[8]泌水，粉料填砂系數(shù)宜介于 0.663～0.948 之間，最好介于0.78～0.87 之間。

對于中低強度混凝土來說，由于膠凝材料用量少，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，以降低泌水速率并推遲泌水開始時間，改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和耐久性。

3 結(jié)論

通過上述試驗結(jié)果和回歸分析，對于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(jié)論：

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

（2）泌水速率系數(shù)大于 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于早快型泌水，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(shù)是泌水速率系數(shù)，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，粉料體積率宜介于 13.8%～17.3% 之間。

（4）受砂率影響最大的泌水過程參數(shù)是泌水潛伏時間，砂率是通過改變粉料填砂系數(shù)的方式來影響泌水潛伏時間的。當粉料填砂系數(shù)小于 0.78 時，隨著該系數(shù)的增加，泌水開始時間逐漸延后；該系數(shù)超過臨界值 0.78 以后，凈漿與砂之間的穩(wěn)定被打破，隨著粉料填砂系數(shù)的增加，游離水越來越受排擠，泌水開始的時間逐漸提前。

（5）粉料填砂系數(shù)同時也影響著泌水速率，當粉料填砂系數(shù)小于 0.87 時，隨著該系數(shù)的增加，毛細作用逐漸增強，粉料對游離水的束縛隨之加強，泌水速率逐漸降低；該系數(shù)超過臨界值 0.87 以后，隨著粉料填砂系數(shù)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，粉料填砂系數(shù)最好介于 0.78～0.87 之間。在配制中高水膠比混凝土時，宜補充石粉之類的粉料，將粉料填砂系數(shù)以及粉料體積率調(diào)整到恰當值。

[1] S. Mindess, J. F. Young, D. Darwin. Concrete [M]. Pearson Education, Inc, 2003.

[2] A. M. Neville. Properties of Concrete [M]. Pitman Publishing Limited, London, 1981.

[3]覃維祖.初齡期混凝土的泌水、沉降、塑性收縮與開裂[J].商品混凝土，2006,(1): 1-4,9.

[4] GB/T50080—2002.普通混凝土拌合物性能試驗方法標準

[S].

[5] 甘昌成.對混凝土滯后泌水現(xiàn)象的分析[J].商品混凝土，

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[6] 蔡基偉.石粉對機制砂混凝土性能的影響及機理研究[D].武漢理工大學，2006.

[7] 蔡基偉，封孝信，趙麗，等.鐵尾礦砂混凝土的泌水特性[J].武漢理工大學學報，2009,31(7): 88-91.

[8] 吳計旭.新拌混凝土泌水規(guī)律及控制研究[D].河北聯(lián)合大學，2012.