粉料含量与砂率对新拌混凝土泌水过程的影响*

白瑞英，吴计旭,2，蔡基伟,3，刘伟华

（1. 华北理工大学材料科学与工程学院/河北省无机非金属材料重点实验室，河北 唐山 063009；2. 邯郸金隅太行水泥有限责任公司，河北 邯郸 056200；3. 河南大学材料与结构研究所，河南 开封 475004；4. 冀东发展集团有限责任公司/材料科研技术中心，河北 唐山 064000）

0 引言

新拌混凝土的工作性非常重要，会影响硬化混凝土的性能[1]。保水性是新拌混凝土工作性的一个重要方面，保水能力不足时，泌水现象就难以避免。尤其胶材用量较少时，混凝土更易于泌水，泌水过程往往持续到水泥浆完全硬化[2]。泌水会严重影响混凝土的匀质性，影响结构的使用性能和耐久性[3]。现场通常是目测法观察混凝土的泌水情况，但仅仅是定性表述而不是定量表征。在实验室可以按 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[4]之 5.1 进行泌水试验，测定泌水量和泌水率。有研究发现，随着混凝土坍落度的增加，拌合物从不泌水渐次到隐性泌水和显性泌水，目测到的是显性泌水，而隐性泌水通常滞后泌出[5]。在本课题组的前期研究[6-8]中，逐渐揭示了混凝土泌水过程的规律性，提出了泌水潜伏时间、泌水初始速率、泌水极限和水粉比等概念，依据这些参数将混凝土泌水分为早快型、晚快型、早慢型和晚慢型四种类型，并讨论了泌水率与水粉比的关系及其与坍落度一致性。本文将进一步讨论粉料含量及砂率对混凝土拌合物泌水过程的影响。

1 试验原材料与方法

1.1 原材料

（1）水泥 (C) 为 P·O42.5 水泥、石粉为长英岩石粉，其基本性质见表 1。

（2）细骨料 (S) 系从长英岩尾矿中筛选出的副产人工砂，石粉含量 3.3%，细度模数 2.1；粗骨料 (G) 为石灰石质5～31.5mm 连续级配碎石。骨料密度与空隙率见表 2、级配曲线见图 1。

1.2 试验方法

共设计 3 组试验，为减少干扰因素，均不掺外加剂。A组按一系列水灰比和不同坍落度设计若干试样；B 组试样主要是重复 A 组试验，变化的主要参数是用水量；C 组变化的主要参数是砂率。所有试样均按 GB/T 50080[4]之 5.1 进行泌水试验，测定各时刻 (t) 的泌水率 (B)。由于部分试样在 240min时泌水试验结束，所以本文统一将泌水率列举到 240min(B240)。

2 结果与讨论

试验混凝土配合比、目测工作性与泌水试验结果见表3。

表 1 水泥和石粉的基本性质

表 2 骨料密度与空隙率

图 1 骨料级配曲线

图 2 新拌混凝土的泌水过程

2.1 新拌混凝土的泌水过程及分类

用试样静置时间 (t) 及泌水率 (B) 作泌水过程曲线，其中A 组试样的泌水过程见图 2。

由图 2 可以看出，随着拌合物静置时间 (t) 的延长，泌水过程呈指数发展趋势，这一过程可用式 (1) 表示[7]。

式中：

B——混凝土拌合物各时刻的泌水率，%；

Blmt——混凝土拌合物试样的泌水极限，%；

e——欧拉常数，2.7183；

表 3 混凝土配合比、目测工作性与泌水试验结果

t——混凝土拌合物静置时间，min；

t0——泌水潜伏时间，t0越小、泌水开始得越早；

k——泌水速率系数，k 越大、泌水越快。

对表 3 中所有试样进行回归分析，回归结果与式 (1) 的相关性很高(相关系数 r>0.99)。汇总所有试样的 Blmt、t0和 k等参数，然后再进行下一步分析。

在对泌水速率系数 k 的统计分析中，发现 k>0.01 的各试样 4h 泌水完成度(B240/Blmt)基本都在 90% 以上；统计分析泌水潜伏时间 t0，又发现 t0<20min 且 k>0.01 的试样 4h 泌水完成度（B240/Blmt）接近 100%。因此，将 k>0.01者划为快型泌水，反之视为慢型泌水；将 t0<20min 者划为早型泌水；反之视为晚型泌水（详见表 4）。

表 4 不同类型泌水的统计规律

2.2 粉料体积率对泌水过程的影响

所谓粉料是全部活性矿物粉末（如水泥和掺合料）与非活性矿物粉末（如砂中所含石粉）的总称，粉料（P）在拌合物（Mix）中所占的体积百分率称为粉料体积率（βp）。

式中：

βp——混凝土拌合物中粉料所占的体积率，%；

Vp——混凝土拌合物中全部粉料的总体积，L；

Vmix——混凝土拌合物总体积，理论上 1000L。

将表 3 中全部试样的泌水过程参数与粉体体积率 (βp) 进行回归分析，分析结果见图 3 和图 4 。

图 3 泌水速率系数 (k) 与粉料体积率 (βp) 的关系

图 4 粉料体积率 (βp) 对 4h 泌水率及其完成度的影响

与粉料体积率（βp）回归相关性最高的泌水过程参数是泌水速率系数（k），r=0.9654。这说明粉料体积率是影响泌水快慢的关键因素，无减水剂情况下，随着粉料体积率的增加，泌水速率逐渐减小，当 βp=15.6%时 k 达到最小值，该值应当成为混凝土配合比设计的指导性指标。欲使泌水速率系数 k<0.01，βp宜介于 13.8%～17.3%之间。

其次，与粉料体积率有一定相关性的泌水参数是 4h 泌水率（B240）及其完成度（B240/Blmt），r=0.753 和 0.798。由图 4可以看出，随着粉料体积率的增加，B240和 B240/Blmt基本上呈逐渐减小趋势。这意味着粉料体积率越大，拌合物保水性越好，能够泌出的水越少。

2.3 砂率及粉料填砂系数对泌水过程的影响

C 组是按 w/c=0.46 和 0.78 及多个砂率（βs=32%～40%）配制的混凝土，对该组数据进行回归分析，仅泌水潜伏时间（t0）显得与砂率密切相关，r=0.9985 和 0.901（如图 5）。

图 5 泌水潜伏时间 (t0) 与砂率 (βs) 的关系

由图 5 可以看出，不同 w/c 条件下，趋势线的形状和方向均不相同。在 w/c=0.78 时粉料相对偏少，随着砂率的增加，砂的堆积体积随之增加，砂粒间的空隙体积也逐渐增加，砂粒空隙的填充物（净浆）中粉料体积率随之减小，粉料颗粒间的紧密程度随之降低，毛细作用对水的束缚随之减弱，泌水阻力越来越小，泌水开始得越来越早。而在w/c=0.46 时粉料相对偏多，已经超出了临界比例，对砂粒的填隙作用变为悬浮作用，随着砂率的增加，砂粒间的空隙体积随之增加，砂粒对净浆的挤压程度降低，游离水受排挤的压力减小，泌水开始得就越来越晚。

若将粉料体积与紧密堆积状态下砂的空隙体积之比定义为粉料填砂系数 (Φp)，则

式中：

Φp——混凝土拌合物中的粉料填砂系数（比值）；

Vp——混凝土拌合物中全部粉料的总体积，L；

Vas——紧密堆积状态下砂粒间的空隙体积，L。

则 C 组试样的 t0与 Φp存在着密切关系（如图 6）, r=0.9637。由图 6 可以判断出当粉料填砂系数为 0.78 时，泌水开始得最晚，即此值为临界值，也可作为中高水胶比混凝土配合比设计的指导性参数。按此参数推断，欲使 t0≥20min，粉料填砂系数宜介于 0.614～0.948 之间。

粉料填砂系数同样对泌水速率系数（k）有很大影响（对于表 3 中的全部试样，r=0.958），如图 7。由图 7 可知，当粉料填砂系数为 0.87 时，k 最小。欲使 k≤0.01，粉料填砂系数宜介于 0.663～1.077 之间。

图 6 泌水潜伏时间(t0) 与粉料填砂系数(Φp)的关系

图 7 泌水速率系数(k) 与粉料填砂系数(Φp)的关系

综合图 6 和图 7，欲使泌水成为危害最小的晚慢型[8]泌水，粉料填砂系数宜介于 0.663～0.948 之间，最好介于0.78～0.87 之间。

对于中低强度混凝土来说，由于胶凝材料用量少，仅靠胶凝材料作粉料难以达到上述指标要求，可以使用含有适量石粉的砂，亦可另加石粉作补充粉料，以降低泌水速率并推迟泌水开始时间，改善混凝土的内部结构和耐久性。

3 结论

通过上述试验结果和回归分析，对于不掺外加剂时中高水胶比混凝土的泌水过程，可以得出下列结论：

（1）新拌混凝土的泌水过程呈指数曲线形式，即各时刻的泌水率随着拌合物静置时间的延长而逐渐增加，泌水过程参数包括泌水速率系数、泌水潜伏时间和泌水极限。

（2）泌水速率系数大于 0.01 者为快型泌水、反之为慢型；泌水潜伏时间 <20min 者为早型泌水、反之为晚型。目测严重泌水者一般属于早快型泌水，其泌水率最高；目测轻微泌水者一般为晚快型泌水，其泌水率较高；而慢型泌水一般目测不到，早慢型泌水的泌水率较低，晚慢型泌水的泌水率最低。

（3）受粉料体积率影响最大的泌水过程参数是泌水速率系数，随着粉料体积率的增加，泌水速率逐渐减小，泌水率也随之减小。当粉料体积率为 15.6% 时，泌水速率最小。欲将泌水类型控制为慢型，粉料体积率宜介于 13.8%～17.3% 之间。

（4）受砂率影响最大的泌水过程参数是泌水潜伏时间，砂率是通过改变粉料填砂系数的方式来影响泌水潜伏时间的。当粉料填砂系数小于 0.78 时，随着该系数的增加，泌水开始时间逐渐延后；该系数超过临界值 0.78 以后，净浆与砂之间的稳定被打破，随着粉料填砂系数的增加，游离水越来越受排挤，泌水开始的时间逐渐提前。

（5）粉料填砂系数同时也影响着泌水速率，当粉料填砂系数小于 0.87 时，随着该系数的增加，毛细作用逐渐增强，粉料对游离水的束缚随之加强，泌水速率逐渐降低；该系数超过临界值 0.87 以后，随着粉料填砂系数的增加，排挤压力增加，泌水速率逐渐加快。

（6）若要把泌水类型控制为危害最小的晚慢型，粉料填砂系数最好介于 0.78～0.87 之间。在配制中高水胶比混凝土时，宜补充石粉之类的粉料，将粉料填砂系数以及粉料体积率调整到恰当值。

[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]覃维祖.初龄期混凝土的泌水、沉降、塑性收缩与开裂[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试验方法标准

[S].

[5] 甘昌成.对混凝土滞后泌水现象的分析[J].商品混凝土，

2012(5): 1-3.

[6] 蔡基伟.石粉对机制砂混凝土性能的影响及机理研究[D].武汉理工大学，2006.

[7] 蔡基伟，封孝信，赵丽，等.铁尾矿砂混凝土的泌水特性[J].武汉理工大学学报，2009,31(7): 88-91.

[8] 吴计旭.新拌混凝土泌水规律及控制研究[D].河北联合大学，2012.