劉東，張武宗，劉霞，袁文韜，張遠

（中建西部建設西南有限公司，四川 成都 610052）

0 前言

細集料在混凝土中占據了較大的比例，其種類和顆粒形狀是影響混凝土性能的重要因素之一，尤其是在較低膠凝材料的情況下，其影響程度更加顯著。一般而言，天然砂由于長期受到沖刷，表面較光滑，顆粒圓潤，而機制砂是由天然巖性經過機械破碎加工而成，其表面較為粗糙，棱角性顯著。并且受母巖巖性及破碎方式等影響，不同機制砂間的粒形也存在較大的差異，這些特性使得即使同級配的砂配制出的混凝土的性能也表現出較大的差異[1]。棱角性顯著、粒形較差的細集料的表面積較大，若要使配制出的混凝土具有相同的工作性，需要更多的膠凝材料及拌和水用于包裹其表面，與此同時，混凝土拌合物硬化后的性能也有較大的差異。本文通過細集料流動度時間來評定不同種類的細集料顆粒的粒形，探討細集料種類對低膠材混凝土性能的影響，并分析流動度時間與混凝土性能間的相關性。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及其性能

（1）水泥：試驗采用四川峨勝水泥股份有限公司生產的 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其主要技術性能指標見表 1。

表 1 水泥基本性能指標

（2）粉煤灰：試驗采用江油Ⅰ級粉煤灰，其細度為 6.8%，需水量比為 93%，燒失量為 1.5%，28 天活性指數為 85%。

（3）礦粉：采用四川雙實建筑新材料有限公司生產的 S95 礦粉，比表面積為 420m2/kg，28 天活性指數為 98%，燒失量為 0.8%。

（4）粗集料：采用廣漢宏瑞祥建材有限公司生產的石灰石碎石，粒徑為 5～31.5mm，壓碎值為 8%，含泥量為 0.3%，針片狀含量為 5%。

（5）細集料：采用 5 種不同產地的細集料，分別是江油機制砂 A、北川機制砂 B、仁壽機制砂 C、雙流機制砂 D、樂山天然砂 E，外觀如圖 1 所示。

（6）外加劑：中建西部建設新材料科技有限公司生產的聚羧酸減水劑，固含量 13.9%，減水率 16.8%。

（7）水：普通自來水。

1.2 試驗方法

（1）流動度時間測定

流動度時間測定參照 JTG E42—2015《公路工程集料試驗規(guī)程》，采用流動度測定儀，如圖 2 所示[2]。

圖 1 不同種類的細集料

圖 2 流動度時間測量儀

流動度時間可在一定程度上表示細集料的棱角性和表面粗糙度。測試時標準漏斗體積為 2L，漏斗孔直徑為 16mm，記錄漏斗中細集料漏空時間 t，取 3 次結果的平均值作為測定值。

（2）混凝土性能測試

混凝土的工作性能和力學性能測試參照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》和 GBT 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。

2 試驗結果與分析

表 2 不同砂不同粒級段的時間流動度

2.1 細集料流動度時間分析

本試驗選用了 5 種細集料，分別是江油機制砂A、北川機制砂 B、仁壽機制砂 C、雙流機制砂 D、樂山天然砂 E，采用方孔篩篩分為單粒級（即 2.36～1.18mm，1.18～0.60mm，0.60～0.30mm，0.30～0.15mm，0.15～0.075mm 五個粒級），采用流動度時間測定儀測試其流動度時間 t，漏洞直徑采用 16mm，每組測試 3 次，取其平均值，測試結果見表 2 和圖 3。

圖 3 不同種類細集料不同粒級段的流動度時間

由圖 3 可以看出，在 2.36～0.15mm 時，細集料顆粒篩分的粒級越大，顆粒越粗，其流動度時間越大，反之，流動度時間越小。同時，可看到 0.15～0.075mm 粒級的流動度時間與 0.30～0.15mm 的流動度時間相比有增加的趨勢，2.36～0.30mm 粒級間不同種類細集料的各粒級段的流動度時間差異性較為顯著，而不同種類細集料間 0.30～0.15mm 和 0.15～ 0.075mm 粒級段流動度時間的差異性較小。

造成上述現象的原因，一方面是由于不同種類細集料間的特征參數所導致的，即不同種類細集料的粒形不同。其中天然砂的粒形最佳，在各個粒徑段的流動度時間相比機制砂顯著較小，而機制砂間在各個粒級段的流動度時間相對大小不一。機制砂破碎過程中顆粒粒形除受母巖巖性影響外，不同粒級的顆粒受破碎方法、破碎環(huán)境等其他條件的影響效果可能是不同的，是多種復雜因素的綜合作用[3,4]。另一方面，流動度時間可能受機制砂粒徑與測試儀器漏斗的口徑比例影響，顆粒越大，顆粒相互間的咬合作用越強，顆粒間相互移動的阻礙越大，并且漏斗口對顆粒的阻礙作用越強，從而通過漏斗口的時間延長；隨著顆粒粒徑與口徑的比例減小，顆粒間變得較容易流動，流動度時間縮短；但當顆粒過小時，如顆粒在 0.15～0.075mm 時，因顆粒比表面積較大，其內聚力得到增強，流動度時間呈現出延長的趨勢。

為了進一步研究不同細集料的使用性能，對不同種類的細集料重新進行配制，形成級配一致的連續(xù)級配，并配制了 4 種不同細度模數的連續(xù)級配，如表 3 所示。不同種類的細集料配制成不同細度模數的連續(xù)級配砂（4.75～0.075mm）后，采用漏斗孔為 16mm 流動度時間儀測試其流動度時間，每組測試 3 次，取其平均值，測試結果如表 4 和圖 4 所示。

表 3 試驗用細集料級配

表 4 不同種類砂連續(xù)級配的流動度時間 s

圖 4 不同種類細集料不同細度模數的流動度時間

從表 4 和圖 4 中可以看出，同一種類砂的流動度時間隨著其細度模數的增大顯著增加，天然砂 E 在不同細度模數段的流動度時間依然是最小的，其次是機制砂A，而機制砂 B、C、D 在不同細度模數段的表現規(guī)律不一致，同時細度模數為 2.5 及 2.8 時，不同種類機制砂的流動度時間變化較緩，流動度時間差異較小。究其原因，可能是機制砂組成連續(xù)級配后，各粒徑段的顆粒之間的組合在不同細度模數時的表現不一樣，并且在細度模數為 2.5 及 2.8 時的組合較佳，使得不同種類間粒形的差異特征表達不明顯。

2.2 細集料種類對混凝土影響試驗設計

雖然不同種類的細集料在不同細度模數條件下其棱角性表現不一，但是在特定情況下其使用性能應當是唯一的[5]。采用以上 5 種細集料在細度模數為 2.2、2.5、2.8、3.1 時的連續(xù)級配配制混凝土，其余條件不變，試驗配合比如表 5 所示，其試驗結果如表 6。試驗配合比中，較多的使用了礦物摻合料，水泥用量相對較少，并且整個膠凝材料的用量相比于普通混凝土來說較低，細集料的種類及粒形對其影響較普通的混凝土更加顯著。

2.3 混凝土工作性影響分析

將全部混凝土的工作性和細集料流動度時間進行相關性分析，其結果圖 5 所示；將不同細度模數時不同種類細集料配制混凝土的工作性分別與細集料流動度時間的進行相關性分析，其結果如圖 6 所示；不同種類細集料對混凝土工作性如圖 7 所示。

從圖 5 中可以看出，不同級配時不同細集料坍落度及擴展度與流動度時間的相關性較差，分別為 0.05516和 0.2756。而圖 6 中，細度模數為 2.2 時，對應的混凝土坍落度及擴展度與流動度時間的相關性分別為 0.7516和 0.8504；細度模數為 2.5 時，其坍落度及擴展度與流動度時間的相關性分別為 0.7559 和 0.9571；細度模數為 2.8 時，其坍落度及擴展度與流動度時間的相關性分別為 0.8913 和 0.7716；細度模數為 3.1 時，其坍落度及擴展度與流動度時間的相關性分別為 0.8733 和0.7791。由此可見，在同一級配下，不同種類的細集料對應的流動度時間與其配制的混凝土的工作性相關性較強，因而在相同級配時，可根據流動度時間來選擇合適種類的細集料。

表 5 混凝土配合比 kg/m3

表 6 細集料種類及細度模數對混凝土的性能影響

圖 5 混凝土工作性與流動度時間的相關性

圖 7 不同種類細集料對于混凝土工作性的影響

從圖 7 中可以看出，隨著細度模數從 2.2 增大到2.8，各種類細集料的坍落度和擴展度都逐漸增加，但細度模數從 2.8 到 3.1，不同細集料間坍落度和擴展度的變化趨勢不一。一般而言，細度模數越小，表明細集料越細、表面積較大，需要較多的漿體包裹才能形成一定的厚度促使混凝土流動，而細度模數越大、細集料越粗，需要較少的漿體包裹便形成一定的厚度促使混凝土流動[6,7]，在膠凝材料及用水量等一定的條件下，砂越粗其表面包裹的漿體厚，流動性越好，但同時其粘聚性下降，容易導致離析、泌水等現象出現，導致工作性變差。天然砂細度模數為 3.1 時，因其表面光滑，需要更少的水分，以至于出現略微泌水的現象。綜上，合理的細度模數能夠使得混凝土中大小不同的細集料顆粒相互搭配，相互填充空隙，吸附的水量適中，并擁有合適的漿體厚度，從而提高混凝土的工作性。在本研究中，可以認為細度模數在 2.8 左右時，混凝土的坍落度及擴展度較好，即擁有較好的工作性。

2.4 混凝土力學性能影響分析

將全部混凝土的抗壓強度和細集料流動度時間進行相關性分析，其結果圖 8 所示；將不同細度模數時不同種類細集料配制混凝土的抗壓強度分別與細集料流動度時間的進行相關性分析，其結果如圖 9 所示；不同種類細集料對混凝土抗壓強度如圖 10 所示。

圖 8 混凝土抗壓強度與流動度時間相關性

圖 9 混凝土抗壓強度與不同細度模數下細集料流動度時間的相關性

圖 10 不同種類細集料對于混凝土抗壓強度的影響

從圖 8、9 中可以看出，通過不同種類細集料及其流動度時間與混凝土抗壓強度關系的擬合，發(fā)現流動度時間對混凝土 7d 及 28d 抗壓強度基本無明顯影響，即便是同一細度模數下，流動度時間對混凝土抗壓強度也無顯著規(guī)律。從圖 10 中可以看出，在細度模數為 2.2及 2.5 時，天然砂配制的混凝土 7d 抗壓強度和 28d 抗壓強度較機制砂高，而不同種類機制砂間的強度高低規(guī)律不一。細度模數為 2.8 及 3.1 時，天然砂配制的混凝土 7d 和 28d 強度不是最佳，而某些機制砂配制的強度反而較高。此類現象的原因可能是因為在較低細度模數的情況下，天然砂配制的混凝土擁有較好的工作性能，混凝土成型后擁有較好的密實度，而機制砂間的工作性較差，成型的混凝土中空隙較多[8-10]，因而強度較天然砂配制的混凝土的強度低；在較高細度模數的情況下，機制砂與天然砂配制的混凝土的工作性能相差不大，混凝土內部較為密實，此時機制砂間不同顆粒間的相互搭配及嵌合優(yōu)于天然砂，因而強度有可能超過天然砂配制的混凝土強度，并且同種砂較高細度模數配制的混凝土強度優(yōu)于較低細度模數配制的混凝土強度。因此，影響混凝土強度的因素不能僅僅考慮細集料種類和粒形，更多的時候還需要考慮細集料的級配、石粉含量及顆粒間搭配等其他細集料特性。

3 結論

（1）顆粒粒徑大于 0.15mm 時，細集料的單粒級顆粒流動度時間隨粒級的增加而延長，顆粒粒徑小于0.15mm 時，流動度時間反而大幅增加；同一種細集料在細度模數為 2.5 到 2.8 時形成的嵌合力大，流動度時間較長。

（2）級配相同時，不同種類的細集料對應的流動度時間與其配制的混凝土的工作性相關性較強，因而在相同級配時，可根據流動度時間來選擇合適種類的細集料；細集料的細度模數在 2.8 左右時，混凝土均擁有較好的工作性。

（3）細集料流動度時間對混凝土抗壓強度相關性不明顯，影響混凝土強度的因素不能僅僅考慮細集料種類和粒形，更多的時候還需要考慮細集料的級配、石粉含量及顆粒間搭配等其他細集料特性。