混凝土离析评定方法的研究

余志龙，田建涛，孔鲜宁

(长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

混凝土离析现象使混凝土结构不均匀，出现孔洞和蜂窝状结构，严重的离析使混凝土结构明显分层，大大降低了混凝土结构的强度和使用性能[1]，因此对新拌混凝土离析现象进行研究十分必要。由于混凝土材料复杂，其内部颗粒的力学和运动关系还没有完善的理论，混凝土的离析试验没有公认的原理，也缺少标准试验方法[2]，没有建立离析评价体系，离析研究也还处于探索阶段。

目前，几种可能的测试离析的方法有：1)文献[3]利用一棱柱体试模，在其内部填满捣实的混凝土，测定试样的重心位置。如果混凝土完全均匀，则重心在一半高度处。然后让试模中的新拌混凝土承受几次平行于纵向轴的振动，如果振动时发生离析，则重心会移动。重心移动的大小和方向表征混凝土内部离析的趋势。2)文献[4]采用一个大约15 dm3的圆柱体或棱柱体容器，松散地填以搅拌良好的新拌混凝土，再振动振实。振动时间可以固定，但务必使混凝土捣实时间比实际完全捣实所需的时间稍长。振动后，将试样分成上、下两个质量相同的部分，再经4号筛(边长4.75 mm)冲洗后测定上部和下部粗集料的质量分数。在下部混凝土中粗集料的质量分数发生变化即标志发生了内部离析，可以用离析系数SF表示， SF为上部与下部粗集料的质量分数之比。3)文献[5-6]所用装置包括射线源、闪烁计数器，射线源置于捣实混凝土试体的一边，另一边放置闪烁计数器测定射线源发射的光线数，从而计算该点的混凝土密度，密度测量时间为30 s。这一技术可得到竣工后混凝土粗集料均匀程度的清晰图形。文献[3-4]的方法的可操作性均不强，且不适用于硬化后的混凝土。文献[5-6]的方法易于实现，但结果离散性较大，不易控制。因此研究一种操作性强、可靠性高的离析评价体系十分必要。

1 离析度模型建立

对于新拌混凝土而言，由于粗骨料密度大于胶凝基体，粗骨料容易下沉，细集料和浆体相应上浮，造成新拌混凝土颗粒分布不均匀，直观的表现是在试件竖直方向上产生层位差异。如图1中a)所示，搅拌状态的混合料由于一直受搅拌叶片的作用，因此分布较均匀，基本发生没有离析现象；b)所示为搅拌完成后，随着时间的推移粗骨料在重力作用下下沉，细集料在浮力作用下上浮； c)为一段时间后，混合料的受力达到平衡，离析分层现象达到稳定状态。

根据上述分析可知，粗骨料下沉是新拌混凝土离析的最主要原因，因此对粗骨料的分布层位差异进行统计和分析，是衡量其均匀性的直接手段，计算结果可以直接用来评价混凝土的离析程度，具体评价方法如下： 1)根据混凝土设计强度确定混合料配合比，从而确定混合料总质量M和粗骨料质量m；(2)混合料搅拌均匀后，未发生离析情况下，取任意体积的新拌混凝土，测量其总质量M1和其中粗骨料质量m1，必然满足

m1/M1=m/M.

(1)

图1 新拌混凝土离析过程

如果不满足式(1)，则表明发生离析，m1/M1-m/M的差值大小可以反映离析的程度。为了能获得更精确的结果，提出离析度的概念，离析度S的计算式为

S=Sa+Sb,

S反映混合料的离析程度，S=0，表示没有发生离析，S越大，表示离析越严重。

2 离析试验

为验证上述理论的可实施性，设计离析评价试验，计算不同搅拌时间、放置时间下新拌混凝土的离析度，同时测定相应条件下混凝土28 d的抗压强度，分析离析度与抗压强度之间的关系，进而评价其离析状况，确定最佳的搅拌参数。

2.1 原材料

本试验用水泥为P.O42.4普通硅酸盐水泥，密度3 150 kg/m3；细集料为普通中砂，来源于西安渭河，堆积密度为1 450 kg/m3，细度模数为2.96，泥的质量分数为2.5%；试验所用石子表观密度为2 850 kg/m3，最大粒径为25 mm，来源于西安渭河碎卵石；试验用水为西安地区普通饮用自来水。本试验混凝土设计强度为C30，材料用量为：水泥9 kg，水5.4 kg，砂20.7 kg，石子36.9 kg。

2.2 试验方法

试验过程中主要控制搅拌时间和放置时间。搅拌时间分别为35，40，45，50 s，放置时间为0 min和10 min。搅拌过程完成后，将混凝土卸到平底小车上，从混凝土表面分3个区域取试样，分别称量3个试样的质量，然后冲洗混凝土试样，洗出相应的粗骨料，晒干后称量粗骨料质量，从而计算出Sa。接着在距离表面15 cm处按上述方法取3个区域，计算出Sb，从而得到放置时间0 min时离析度。待混合料放置10 min以后，按上述方法可以得到放置时间10 min时的离析度。

混凝土硬化后试块的抗压强度是指混凝土立方体极限抗压强度，是评价混凝土性能的重要参数。本试验混凝土抗压强度测试按照文献[7]考察不同离析度对混凝土强度的影响，最终得到的离析度和抗压强度如表1所示。

表1 离析度和抗压强度

3 结果分析

由于搅拌时间的不同，混合料在搅拌完成后的均匀性会有差异，这直接导致离析度的不同；另一方面，放置时间0 min和10 min的混凝土离析度也不相同，直接原因是粗骨料的密度大，会慢慢下沉，导致离析加剧。离析会降低混凝土的抗压强度[8]。

3.1 离析度与抗压强度的关系

离析度与抗压强度之间的关系见图2。由图2可知，随着离析度增大，混凝土抗压强度均呈下降趋势，离析度与抗压强度呈反比例关系。这是由于离析会使混合料呈现不均匀分布状态，混凝土下部粗骨料聚集的多，上部细集料聚集的多。混凝土的抗压强度主要由粗骨料的状态和框架体系决定，因此离析混凝土上部强度的降低直接导致混凝土总体抗压强度下降。另一方面，试验结果也说明建立的离析度评价体系符合工程实际，是正确、合理的。

图2 离析度与抗压强度的关系

3.2 搅拌时间对离析度的影响

搅拌时间直接影响混凝土的均匀性，进而影响离析程度。搅拌时间过短，混合料混合不充分，导致部分骨料团聚在一起，新拌混凝土离析明显；搅拌时间过长，水泥水化反应过快，新拌混凝土流动性提高，混凝土抗离析性能降低，也会影响混凝土的离析度。

搅拌时间与离析度之间的关系见图3。由图3可知，随着搅拌时间的延长，混凝土离析度先减小后增大，放置时间0 min和放置时间10 min的混凝土的最小离析度的搅拌时间均为45 s，说明混合料搅拌过程有一个最佳的搅拌时间，该搅拌时间下新拌混凝土离析程度最小。同时，由图3可知，放置时间10 min的混凝土离析度增大，说明新拌混凝土在放置过程中会进一步离析，因此工程生产中要尽量缩短新拌混凝土放置时间。

根据上述分析，一方面可以验证建立的离析度评价体系是正确、合理的，另一方面也可以看出搅拌时间、放置时间对混凝土离析的影响，从而为设计合理的搅拌参数提供依据。由于离析度评价体系中只取了表面以及距离表面15 cm处2个平面上的混凝土进行测定，15 cm以下部分的混凝土离析并未考虑，这可能会增大随机误差，因此后续工作还需对其改进。

4 结语

1)根据均匀性概念确定新拌混凝土离析评定方法，并基于此建立离析评价指标——离析度，离析度越大，混凝土离析现象越严重；

2)试验结果表明：离析度越大，混凝土抗压强度越小，说明建立的离析度评价体系是正确、合理的。混凝土搅拌时间、放置时间对离析度影响较大，合理的搅拌时间能使新拌混凝土离析度最小，缩短放置时间可以减轻混凝土的后续离析；

3)离析评价体系并未考虑15 cm以下部分的混凝土离析，这可能会增大随机误差，因此对其优化还有待深入研究。

参考文献：

[1] 刘鹏清.公路桥梁施工中混凝土离析现象分析[J].中国水运,2009,9(8)：206-208.

[2] 张艳聪,王大鹏,田波,等.道路混凝土离析评价方法[J].公路交通科技,2012, 29(1): 23-27.

[3] Tournon G. Segregation of Non-cohereents Mixtures and Concretes[J].Rilem Bulletin,1995, 24(3): 15-31.

[4] Popovics S. A Method of Evaluating Grading on Concrete Aggregates[R].Indiana:Transportation and Purdue University,1961.

[5] Menkhoff H. Density Measurements with Radioactive Isotope[J].Der Bauingenieur, 1958,12(7):465-476.

[6] SANDOR POPOVICS.新拌混凝土[M].陈志源，译.北京：中国建筑工业出版社，1990.

[7] 中国建筑科学研究院.GB/T 50081—2002 普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[8] 赵光丰.混凝土离析与泌水的流变分析[J].中国水运,2007 (5)：33-35.