细集料种类和粒形对低胶材混凝土性能影响研究*

刘东，张武宗，刘霞，袁文韬，张远

（中建西部建设西南有限公司，四川 成都 610052）

0 前言

细集料在混凝土中占据了较大的比例，其种类和颗粒形状是影响混凝土性能的重要因素之一，尤其是在较低胶凝材料的情况下，其影响程度更加显著。一般而言，天然砂由于长期受到冲刷，表面较光滑，颗粒圆润，而机制砂是由天然岩性经过机械破碎加工而成，其表面较为粗糙，棱角性显著。并且受母岩岩性及破碎方式等影响，不同机制砂间的粒形也存在较大的差异，这些特性使得即使同级配的砂配制出的混凝土的性能也表现出较大的差异[1]。棱角性显著、粒形较差的细集料的表面积较大，若要使配制出的混凝土具有相同的工作性，需要更多的胶凝材料及拌和水用于包裹其表面，与此同时，混凝土拌合物硬化后的性能也有较大的差异。本文通过细集料流动度时间来评定不同种类的细集料颗粒的粒形，探讨细集料种类对低胶材混凝土性能的影响，并分析流动度时间与混凝土性能间的相关性。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料及其性能

（1）水泥：试验采用四川峨胜水泥股份有限公司生产的 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其主要技术性能指标见表 1。

表 1 水泥基本性能指标

（2）粉煤灰：试验采用江油Ⅰ级粉煤灰，其细度为 6.8%，需水量比为 93%，烧失量为 1.5%，28 天活性指数为 85%。

（3）矿粉：采用四川双实建筑新材料有限公司生产的 S95 矿粉，比表面积为 420m2/kg，28 天活性指数为 98%，烧失量为 0.8%。

（4）粗集料：采用广汉宏瑞祥建材有限公司生产的石灰石碎石，粒径为 5～31.5mm，压碎值为 8%，含泥量为 0.3%，针片状含量为 5%。

（5）细集料：采用 5 种不同产地的细集料，分别是江油机制砂 A、北川机制砂 B、仁寿机制砂 C、双流机制砂 D、乐山天然砂 E，外观如图 1 所示。

（6）外加剂：中建西部建设新材料科技有限公司生产的聚羧酸减水剂，固含量 13.9%，减水率 16.8%。

（7）水：普通自来水。

1.2 试验方法

（1）流动度时间测定

流动度时间测定参照 JTG E42—2015《公路工程集料试验规程》，采用流动度测定仪，如图 2 所示[2]。

图 1 不同种类的细集料

图 2 流动度时间测量仪

流动度时间可在一定程度上表示细集料的棱角性和表面粗糙度。测试时标准漏斗体积为 2L，漏斗孔直径为 16mm，记录漏斗中细集料漏空时间 t，取 3 次结果的平均值作为测定值。

（2）混凝土性能测试

混凝土的工作性能和力学性能测试参照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和 GBT 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

2 试验结果与分析

表 2 不同砂不同粒级段的时间流动度

2.1 细集料流动度时间分析

本试验选用了 5 种细集料，分别是江油机制砂A、北川机制砂 B、仁寿机制砂 C、双流机制砂 D、乐山天然砂 E，采用方孔筛筛分为单粒级（即 2.36～1.18mm，1.18～0.60mm，0.60～0.30mm，0.30～0.15mm，0.15～0.075mm 五个粒级），采用流动度时间测定仪测试其流动度时间 t，漏洞直径采用 16mm，每组测试 3 次，取其平均值，测试结果见表 2 和图 3。

图 3 不同种类细集料不同粒级段的流动度时间

由图 3 可以看出，在 2.36～0.15mm 时，细集料颗粒筛分的粒级越大，颗粒越粗，其流动度时间越大，反之，流动度时间越小。同时，可看到 0.15～0.075mm 粒级的流动度时间与 0.30～0.15mm 的流动度时间相比有增加的趋势，2.36～0.30mm 粒级间不同种类细集料的各粒级段的流动度时间差异性较为显著，而不同种类细集料间 0.30～0.15mm 和 0.15～ 0.075mm 粒级段流动度时间的差异性较小。

造成上述现象的原因，一方面是由于不同种类细集料间的特征参数所导致的，即不同种类细集料的粒形不同。其中天然砂的粒形最佳，在各个粒径段的流动度时间相比机制砂显著较小，而机制砂间在各个粒级段的流动度时间相对大小不一。机制砂破碎过程中颗粒粒形除受母岩岩性影响外，不同粒级的颗粒受破碎方法、破碎环境等其他条件的影响效果可能是不同的，是多种复杂因素的综合作用[3,4]。另一方面，流动度时间可能受机制砂粒径与测试仪器漏斗的口径比例影响，颗粒越大，颗粒相互间的咬合作用越强，颗粒间相互移动的阻碍越大，并且漏斗口对颗粒的阻碍作用越强，从而通过漏斗口的时间延长；随着颗粒粒径与口径的比例减小，颗粒间变得较容易流动，流动度时间缩短；但当颗粒过小时，如颗粒在 0.15～0.075mm 时，因颗粒比表面积较大，其内聚力得到增强，流动度时间呈现出延长的趋势。

为了进一步研究不同细集料的使用性能，对不同种类的细集料重新进行配制，形成级配一致的连续级配，并配制了 4 种不同细度模数的连续级配，如表 3 所示。不同种类的细集料配制成不同细度模数的连续级配砂（4.75～0.075mm）后，采用漏斗孔为 16mm 流动度时间仪测试其流动度时间，每组测试 3 次，取其平均值，测试结果如表 4 和图 4 所示。

表 3 试验用细集料级配

表 4 不同种类砂连续级配的流动度时间 s

图 4 不同种类细集料不同细度模数的流动度时间

从表 4 和图 4 中可以看出，同一种类砂的流动度时间随着其细度模数的增大显著增加，天然砂 E 在不同细度模数段的流动度时间依然是最小的，其次是机制砂A，而机制砂 B、C、D 在不同细度模数段的表现规律不一致，同时细度模数为 2.5 及 2.8 时，不同种类机制砂的流动度时间变化较缓，流动度时间差异较小。究其原因，可能是机制砂组成连续级配后，各粒径段的颗粒之间的组合在不同细度模数时的表现不一样，并且在细度模数为 2.5 及 2.8 时的组合较佳，使得不同种类间粒形的差异特征表达不明显。

2.2 细集料种类对混凝土影响试验设计

虽然不同种类的细集料在不同细度模数条件下其棱角性表现不一，但是在特定情况下其使用性能应当是唯一的[5]。采用以上 5 种细集料在细度模数为 2.2、2.5、2.8、3.1 时的连续级配配制混凝土，其余条件不变，试验配合比如表 5 所示，其试验结果如表 6。试验配合比中，较多的使用了矿物掺合料，水泥用量相对较少，并且整个胶凝材料的用量相比于普通混凝土来说较低，细集料的种类及粒形对其影响较普通的混凝土更加显著。

2.3 混凝土工作性影响分析

将全部混凝土的工作性和细集料流动度时间进行相关性分析，其结果图 5 所示；将不同细度模数时不同种类细集料配制混凝土的工作性分别与细集料流动度时间的进行相关性分析，其结果如图 6 所示；不同种类细集料对混凝土工作性如图 7 所示。

从图 5 中可以看出，不同级配时不同细集料坍落度及扩展度与流动度时间的相关性较差，分别为 0.05516和 0.2756。而图 6 中，细度模数为 2.2 时，对应的混凝土坍落度及扩展度与流动度时间的相关性分别为 0.7516和 0.8504；细度模数为 2.5 时，其坍落度及扩展度与流动度时间的相关性分别为 0.7559 和 0.9571；细度模数为 2.8 时，其坍落度及扩展度与流动度时间的相关性分别为 0.8913 和 0.7716；细度模数为 3.1 时，其坍落度及扩展度与流动度时间的相关性分别为 0.8733 和0.7791。由此可见，在同一级配下，不同种类的细集料对应的流动度时间与其配制的混凝土的工作性相关性较强，因而在相同级配时，可根据流动度时间来选择合适种类的细集料。

表 5 混凝土配合比 kg/m3

表 6 细集料种类及细度模数对混凝土的性能影响

图 5 混凝土工作性与流动度时间的相关性

图 7 不同种类细集料对于混凝土工作性的影响

从图 7 中可以看出，随着细度模数从 2.2 增大到2.8，各种类细集料的坍落度和扩展度都逐渐增加，但细度模数从 2.8 到 3.1，不同细集料间坍落度和扩展度的变化趋势不一。一般而言，细度模数越小，表明细集料越细、表面积较大，需要较多的浆体包裹才能形成一定的厚度促使混凝土流动，而细度模数越大、细集料越粗，需要较少的浆体包裹便形成一定的厚度促使混凝土流动[6,7]，在胶凝材料及用水量等一定的条件下，砂越粗其表面包裹的浆体厚，流动性越好，但同时其粘聚性下降，容易导致离析、泌水等现象出现，导致工作性变差。天然砂细度模数为 3.1 时，因其表面光滑，需要更少的水分，以至于出现略微泌水的现象。综上，合理的细度模数能够使得混凝土中大小不同的细集料颗粒相互搭配，相互填充空隙，吸附的水量适中，并拥有合适的浆体厚度，从而提高混凝土的工作性。在本研究中，可以认为细度模数在 2.8 左右时，混凝土的坍落度及扩展度较好，即拥有较好的工作性。

2.4 混凝土力学性能影响分析

将全部混凝土的抗压强度和细集料流动度时间进行相关性分析，其结果图 8 所示；将不同细度模数时不同种类细集料配制混凝土的抗压强度分别与细集料流动度时间的进行相关性分析，其结果如图 9 所示；不同种类细集料对混凝土抗压强度如图 10 所示。

图 8 混凝土抗压强度与流动度时间相关性

图 9 混凝土抗压强度与不同细度模数下细集料流动度时间的相关性

图 10 不同种类细集料对于混凝土抗压强度的影响

从图 8、9 中可以看出，通过不同种类细集料及其流动度时间与混凝土抗压强度关系的拟合，发现流动度时间对混凝土 7d 及 28d 抗压强度基本无明显影响，即便是同一细度模数下，流动度时间对混凝土抗压强度也无显著规律。从图 10 中可以看出，在细度模数为 2.2及 2.5 时，天然砂配制的混凝土 7d 抗压强度和 28d 抗压强度较机制砂高，而不同种类机制砂间的强度高低规律不一。细度模数为 2.8 及 3.1 时，天然砂配制的混凝土 7d 和 28d 强度不是最佳，而某些机制砂配制的强度反而较高。此类现象的原因可能是因为在较低细度模数的情况下，天然砂配制的混凝土拥有较好的工作性能，混凝土成型后拥有较好的密实度，而机制砂间的工作性较差，成型的混凝土中空隙较多[8-10]，因而强度较天然砂配制的混凝土的强度低；在较高细度模数的情况下，机制砂与天然砂配制的混凝土的工作性能相差不大，混凝土内部较为密实，此时机制砂间不同颗粒间的相互搭配及嵌合优于天然砂，因而强度有可能超过天然砂配制的混凝土强度，并且同种砂较高细度模数配制的混凝土强度优于较低细度模数配制的混凝土强度。因此，影响混凝土强度的因素不能仅仅考虑细集料种类和粒形，更多的时候还需要考虑细集料的级配、石粉含量及颗粒间搭配等其他细集料特性。

3 结论

（1）颗粒粒径大于 0.15mm 时，细集料的单粒级颗粒流动度时间随粒级的增加而延长，颗粒粒径小于0.15mm 时，流动度时间反而大幅增加；同一种细集料在细度模数为 2.5 到 2.8 时形成的嵌合力大，流动度时间较长。

（2）级配相同时，不同种类的细集料对应的流动度时间与其配制的混凝土的工作性相关性较强，因而在相同级配时，可根据流动度时间来选择合适种类的细集料；细集料的细度模数在 2.8 左右时，混凝土均拥有较好的工作性。

（3）细集料流动度时间对混凝土抗压强度相关性不明显，影响混凝土强度的因素不能仅仅考虑细集料种类和粒形，更多的时候还需要考虑细集料的级配、石粉含量及颗粒间搭配等其他细集料特性。