鄧斐，成慧，劉才鵬

（1重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司，重慶 400016；2重慶砼磊高新混凝土有限公司，重慶 401339）

0 引言

在目前的混凝土配合比設(shè)計(jì)中，主要使用的細(xì)集料有兩種，一種是機(jī)制砂，一種是天然砂。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，水泥混凝土需求量持續(xù)提高，傳統(tǒng)天然河砂已供應(yīng)不足；其次，為了落實(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，全國(guó)大部分地區(qū)已明確規(guī)定嚴(yán)禁在河流等區(qū)域獲取天然砂。在這兩方面因素的影響下，大量使用天然砂作為混凝土原材料的做法已變得不可取，機(jī)制砂成為混凝土的原材料是不可避免的趨勢(shì)[1]。然而，機(jī)制砂的應(yīng)用有一定的缺點(diǎn)。在機(jī)制砂生產(chǎn)的過(guò)程中，由大石塊破碎成細(xì)顆粒，其自身尖銳的棱角不利于低等級(jí)混凝土的和易性[2]，而且不可避免地產(chǎn)生粒徑小于75μm顆粒（通稱為石粉），這是機(jī)制砂與天然砂最明顯的區(qū)別之一。如果石粉含量過(guò)大，混凝土的和易性會(huì)大大降低。從目前的研究及應(yīng)用情況來(lái)看，可以使用引氣劑解決這一問(wèn)題[3]。加入引氣劑的新拌混凝土在攪拌過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，使其和易性變好；有研究還表明這些氣泡可以增加混凝土的耐久性[4]。然而，外加劑摻入混凝土后，產(chǎn)生的氣泡大小并不均勻一致，氣泡泡徑過(guò)大或過(guò)小對(duì)全機(jī)制砂混凝土的流動(dòng)度、坍落度和泌水率是否產(chǎn)生不利影響，目前尚少見(jiàn)具有針對(duì)性的分析。

為了探究氣泡泡徑對(duì)全機(jī)制砂混凝土工作性的影響，本文從全機(jī)制砂混凝土的流動(dòng)度、坍落度和泌水率三個(gè)方面入手，以期解決全機(jī)制砂混凝土流動(dòng)性差、混凝土坍落度損失大、不易泵送的技術(shù)難題[5]。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥。水泥為P.O42.5R，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

（2）細(xì)集料。機(jī)制砂，產(chǎn)地為重慶市南川區(qū)，細(xì)度模數(shù)為2.9，Ⅱ區(qū)級(jí)配砂，表觀密度為2700kg/m3。

（3）粗集料。5~20mm碎石，產(chǎn)地為重慶南川，松散堆積密度為1490kg/m3，表觀密度2720kg/m3，級(jí)配符合5~20mm連續(xù)粒級(jí)要求。

（4）粉煤灰。Ⅱ級(jí)粉煤灰，產(chǎn)自重慶京玖環(huán)?？萍加邢薰荆黜?xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

（5）減水劑。GL-PCA聚羧酸緩凝型高性能減水劑，產(chǎn)自重慶宜光建材有限公司，水劑，固含量為27.5%，密度為1.16g/cm3，減水率為10%~15%。

（6）引氣劑。引氣劑為聚氧乙烯基酚醚，屬非離子表面活性劑，白色粉末。

（7）水。試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土工作性能測(cè)試方法

參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）測(cè)定混凝土拌合物坍落度、常壓泌水率，參照《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》（GB/T 2419—2005）測(cè)定砂漿的流動(dòng)度。

1.2.2 氣泡泡徑測(cè)試方法

研究混凝土中氣泡分布的方法依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL/T 352—2020）中5.26混凝土氣泡參數(shù)試驗(yàn)（直線導(dǎo)線法）。直線導(dǎo)線法計(jì)算硬化混凝土氣泡特征參數(shù)的原理為，硬化混凝土氣泡分析儀探頭根據(jù)導(dǎo)線的方向探測(cè)導(dǎo)線在混凝土截面上所割的氣泡個(gè)數(shù)和氣泡弦長(zhǎng)，然后依據(jù)所得數(shù)據(jù)計(jì)算出硬化氣泡特征參數(shù)?；炷猎嚰叽鐬?00×100×100mm，成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，切割成厚度為1~2cm的試件，經(jīng)研磨、拋光、清潔并利用寬頭黑色記號(hào)筆涂黑試樣觀測(cè)面，然后用粒徑小于10μm的白色碳酸鈣粉末或硫酸鋇粉末填充氣泡，再用刀片除去表面多余粉末得到待測(cè)試件。采用硬化混凝土氣泡分析儀及其系統(tǒng)軟件自動(dòng)釆集數(shù)據(jù)并自動(dòng)計(jì)算得到結(jié)果，以此檢測(cè)氣泡泡徑大小、氣泡比表面積以及氣泡間隔系數(shù)。

2 混凝土配合比

按照C30普通混凝土和M10普通砂漿進(jìn)行配合比計(jì)算，配合比結(jié)果見(jiàn)表1和表2。在表1中的混凝土配合比和表2砂漿配合比的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整引氣劑的摻量（0~0.04%），分別采用強(qiáng)制式攪拌、自落式攪拌、人工攪拌的方式制備出11組氣泡泡徑控制在80~225μm的全機(jī)制砂混凝土和全機(jī)制砂砂漿，用于測(cè)試混凝土坍落度、泌水率以及砂漿的流動(dòng)度。

表1 試驗(yàn)混凝土的配合比

表2 試驗(yàn)砂漿的配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 氣泡泡徑對(duì)全機(jī)制砂砂漿流動(dòng)度的影響

圖1顯示了全機(jī)制砂砂漿氣泡平均直徑對(duì)流動(dòng)度的影響。由圖可知，當(dāng)氣泡平均直徑小于126μm時(shí)，在全機(jī)制砂混凝土中，流動(dòng)度隨著氣泡平均直徑的增大而增大，原因在于引氣劑屬于表面活性劑，可以在較大程度上降低液-氣界面張力，使新拌砂漿內(nèi)部的氣泡直徑減小，將大直徑氣泡分割成穩(wěn)定的微小氣泡[6]，從而增加砂漿的流動(dòng)度；當(dāng)氣泡平均直徑控制在大于126μm范圍內(nèi)時(shí)，流動(dòng)度隨著氣泡平均直徑的增大而減小。由圖可知，氣泡平均泡徑120~130μm為適于全機(jī)制砂混凝土最佳流動(dòng)性能的范圍。

圖1 氣泡平均泡徑與全機(jī)制砂砂漿流動(dòng)度的關(guān)系

3.2 氣泡泡徑對(duì)全機(jī)制砂混凝土坍落度的影響

圖2顯示了全機(jī)制砂混凝土中氣泡直徑對(duì)坍落度的影響。由圖可知，當(dāng)氣泡泡徑小于127μm時(shí)，坍落度隨著氣泡平均直徑的增大而增大，因?yàn)榇藭r(shí)的氣泡直徑相對(duì)較小，隨著直徑增大，拌合物中的氣泡使水泥漿體體積增加，包裹機(jī)制砂的水泥漿體增多，拌合物流動(dòng)性增加，使得混凝土坍落度增加[7]；另一方面，氣泡具有一定的減水作用，在用水量一定的情況下，所產(chǎn)生的氣泡平均直徑增加可以提高全機(jī)制砂混凝土的坍落度。但氣泡直徑超過(guò)127μm后，坍落度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，因?yàn)榇藭r(shí)水泥漿體內(nèi)部的氣泡太大，機(jī)制砂顆粒之間更易直接接觸，造成內(nèi)摩擦力增大，使拌合物流動(dòng)性降低，以至于坍落度下降。故由圖2可知，適于全機(jī)制砂混凝土最佳流動(dòng)性能的氣泡平均泡徑范圍為110~140μm。

圖2 氣泡平均泡徑與全機(jī)制砂混凝土塌落度的關(guān)系

3.3 氣泡泡徑對(duì)全機(jī)制砂混凝土泌水率的影響

全機(jī)制砂混凝土在運(yùn)輸過(guò)程中，振動(dòng)和傳送會(huì)使粗細(xì)集料下沉，從而使水分向上浮，造成混凝土泌水。泌水現(xiàn)象對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較大影響，由于拌合物泌水造成混凝土結(jié)構(gòu)的上層部分含水量增大，使上層結(jié)構(gòu)的水灰比較下層高，硬化后的上層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較下層低。更嚴(yán)重的情況是混凝土結(jié)構(gòu)上表面出現(xiàn)強(qiáng)度很低的浮漿。如果全機(jī)制砂混凝土內(nèi)部氣泡直徑過(guò)大，氣泡在上浮過(guò)程中遇到集料或鋼筋阻礙，則在這些集料或鋼筋下面可能會(huì)形成水囊，從而影響硬化水泥石與集料或鋼筋的粘結(jié)[8]。泌水程度關(guān)系到全機(jī)制砂混凝土的可泵性，需引起重視。有研究表明，引氣對(duì)混凝土拌合物泌水率的影響遠(yuǎn)大于對(duì)坍落度的影響[9]，下文分析氣泡泡徑對(duì)全機(jī)制砂混凝土泌水率的影響。

圖3顯示了全機(jī)制砂混凝土中氣泡直徑對(duì)泌水率的影響。由圖可知，隨著氣泡平均泡徑的增加，全機(jī)制砂混凝土的泌水率出現(xiàn)上升趨勢(shì)。這是由于當(dāng)氣泡直徑較小時(shí)，拌合物內(nèi)部存在的大量微小氣泡阻隔了水分自下而上的流動(dòng)，進(jìn)而降低了混凝土的泌水程度。另一方面，細(xì)小均勻的氣泡增加了混凝土拌合物的粘聚性，拌合物中的水泥漿體包裹機(jī)制砂和粗集料，增加了骨料下沉的阻力，減少了水分上浮的現(xiàn)象，從而減少了混凝土泌水現(xiàn)象[10]。當(dāng)氣泡直徑較大時(shí)，增加了機(jī)制砂之間、粗集料之間直接接觸的幾率，骨料之間的摩擦阻力降低了拌合物內(nèi)部的均勻性，增加了泌水現(xiàn)象。

圖3 氣泡平均泡徑與全機(jī)制砂混凝土泌水率的關(guān)系

3.4 混凝土經(jīng)時(shí)坍落度損失情況驗(yàn)證

將實(shí)驗(yàn)環(huán)境大氣溫度控制為20℃~30℃，制備新拌混凝土，使氣泡平均泡徑控制在120~130μm范圍內(nèi)，測(cè)定此時(shí)的混凝土經(jīng)時(shí)坍落度損失值。經(jīng)測(cè)定，混凝土經(jīng)時(shí)坍落度損失值為23~28mm/h，滿足《預(yù)拌混凝土》（GB/T 14902—2012）中不宜大于30mm/h的泵送要求。

綜上可知，適于全機(jī)制砂混凝土最佳可泵性能的氣泡平均泡徑范圍為120~130μm。

通過(guò)對(duì)氣泡泡徑對(duì)全機(jī)制砂混凝土流動(dòng)度、坍落度和泌水率影響的分析可知，當(dāng)氣泡泡徑處于120~130μm范圍內(nèi)時(shí)，混凝土的工作性處于相對(duì)較優(yōu)水平。

4 結(jié)論

（1）引氣劑的摻入使新拌砂漿內(nèi)部的氣泡直徑減小，將大直徑氣泡分割成穩(wěn)定的微小氣泡，控制合適的氣泡泡徑能使混凝土拌合物內(nèi)部獲得較好流動(dòng)性。

（2）控制合適的氣泡直徑可使混凝土拌合物中的水泥漿體體積增加，包裹機(jī)制砂的水泥漿體增多，拌合物流動(dòng)性增加，使混凝土坍落度增加。

（3）越小的氣泡直徑，越能阻隔水分自下而上的流動(dòng)，增加骨料下沉的阻力，進(jìn)而降低混凝土的泌水程度。

（4）當(dāng)氣泡泡徑處于120~130μm范圍內(nèi)時(shí)，混凝土的工作性處于相對(duì)較優(yōu)水平。