王群
深圳市交通工程试验检测中心有限公司 518049
摘要：高性能混凝土是当代混凝土的一个必然产物，水胶比在一定条件下决定混凝土强度及耐久性，砂率在一定范围内决定混凝土工作性能。水胶比一定的情况下，砂率大混凝土坍落度损失大，粘聚性大，硬化后容易开裂；砂率小，易离析。最佳砂率是使混凝土和易性良好，不离析不浮浆。本文主要研究了砂率对超高性能混凝土性能影响。
关键词：砂率;耐久性；工作性能；
随着社会的高速发展，混凝土应用的领域也越来越多，如国防工程、海洋工程、核工业、特种保安和防护工程、以及市政工程等领域，不同的领域对混凝土的性能也提出了越来越多的要求。耐久性高、工作性高、强度高的高性能混凝土，被称为21世纪混凝土。随着环保意识的增强，绿色混凝土工程材料也得到快速的发展，高性能混凝土在解决工程实践问题、提高综合经济效益、改善生态环境等方面都引起了社会各界的关注。
1 砂率对高性能混凝土的性能的影响分析
1.1 砂率对混凝土工作性能的影响
砂率越小，骨料的总比表面积就越小，可吸附水分子的比表面也将相对减少，导致新拌混凝土的保水性、粘聚性变差，易出现流浆、泌水、离析；提高砂率后，相应也提高了骨料的总比表面积，在一定范围内，新拌混凝土的保水性、粘聚性可得到改善。在水泥浆不变的前提下，当砂率超过临界值后，过大的骨料总比表面积将难以被水泥浆全部包裹起来，混凝土的粘聚性将会变差，新拌混凝土易发散、崩坍。
1.2 砂率对混凝土强度的影响
砂率对强度的影响虽然不想水胶比那样明显，但砂率对混凝土会产生一定的影响，其影响程度与水胶比大小有关。不同水胶比范围混凝土抗压破坏方式不同，水胶比＞0.4时，混凝土抗压破坏一般先在水泥石自身或与砂石骨料的粘结界面发生，水胶比大小和水泥的强度等级直接决定了水泥石的强度及其与骨料粘接界面的强度，因此，水胶比＞0.4时，混凝土的抗压强度受砂率大小的影响不大。当水胶比＜0.4，水泥石的强度及其与骨料粘接界面的强度较高，混凝土抗压破坏形式发生变化，混凝土的抗压破坏除发生在水泥石自身和其与骨料粘接界面外，还包含骨料自身的破坏。砂率越大，砂石骨料的总比表面积也越大，水泥浆无法将砂石骨料全部包裹，导致新拌混凝土的粘聚性变差，易出现崩坍现象，各材料之间的结合力减小，最终表现为混凝土抗压强度减小。但砂率过小，水泥浆则会有富余，在混凝土振捣成型过程中，易出现泌水、离析。严重的泌水现象将会造成诸多的不良影响：
（1）出现泌水现象导致表层混凝土的水胶比变大，形成浮浆层，其硬化后强度难以达到设计要求；
（2）大量的泌水道也将使得混凝土的孔隙率增大，导致硬化后的混凝土强度降低；
（3）泌水使得在与砂石骨料及钢筋的界面会出现水膜，最终形成空隙，使得混凝土与钢筋直接的握裹力降低；
（4）泌水导致混凝土内部不均匀，不仅会使得混凝土整体强度降低，还会使得混凝土硬化后的收缩增大。
砂率是否合理，不仅影响新拌混凝土的工作性能，而且直接影响混凝土硬化后的强度。
1.3 对混凝土耐久性的影响
虽然无法用砂率直接表征混凝土的耐久性，但砂率可通过对新拌混凝土工作性能的影响间接影响混凝土的耐久性。合理的砂率能确保新拌混凝土具有良好的工作性能，便于浇筑振捣、密实，有利于提高混凝土的密实度，减少外部侵蚀介质的破坏通道，可降低或延缓侵蚀的发展，从而提高混凝土的耐久性。应用于冻融环境的混凝土，其抗冻融破坏的能力与混凝土的密实度和抗渗等级直接相关。砂率不合理，会使得混凝土拌合物的工作性能差（流动性降低、粘聚性差、保水性差），一方面使得混凝土均匀性差，不易拌合均匀；另一方面使得混凝土难以浇筑振捣密实，浇筑后不仅使得混凝土内部空隙率增大强度降低，而且混凝土表面易出现蜂窝麻面影响外观质量。此外，过小的砂率将会降低混凝土的保水性，而增加泌水通道，使得混凝土内部的连通空隙数量增加，混凝土的抗渗能力降低，直接影响混凝土的耐久性。
2 砂率对高性能混凝土试验研究
2.1 不同胶材总量时砂率对混凝土坍落度和抗压强度的影响
表1为胶材总量600 kg/ m3时,砂率对高性能混凝土坍落度与抗压强度影响的试验结果。
表2 为胶材总量550 kg/ m3时,砂率对高性能混凝土坍落度及抗压强度影响的试验结果
表1 胶材总量600 kg/ m3时砂率对高性能混凝土性能的影响
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试验结果表明: 在胶材总量相同的情况下，砂率对混凝土的坍落度影响的变化趋势相似，随着砂率的增大坍落度也逐渐增大，当达到临界值后，砂率增大反而导致混凝土坍落度减小， 表明混凝土坍落度与砂率并不是一个简单的线性关系, 而是存在一个最佳值,而且这个最佳值随胶凝材料用量的增加而相应降低。
分析抗压强度试验结果可知,砂率对混凝土抗压强度的影响存在同样的变化趋势,即抗压强度与砂率并不是一个简单的线性关系,同样存在最佳砂率值。综合考虑砂率对混凝土工作性及抗压强度的影响, 在本试验条件下, 当胶材总量分别为550kg/ m3 和600kg/ m3 时, 最佳砂率值相应为35%和30 %。
表3 是胶材总量为500 kg/ m3(矿粉掺量为150kg/ m3) ,坍落度在(200±20) mm时, 混凝土用水量、坍落度、弹性模量、抗拉强度以及抗压强度随砂率变化的试验结果。
表3 砂率对高性能混凝土性能的影响
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分析上述试验结果可知: 随着砂率的增大和集料比表面积的增加, 为达到要求的坍落度(200±20)mm,混凝土拌合物所需的用水量呈增大趋势; 且随着砂率的增大, 混凝土的抗压强度和抗拉强度呈先增大后减小的变化趋势, 表明其存在一个最佳砂率值。经比较发现,随龄期增长,混凝土强度的这种走势越趋明显;同时,与抗拉强度相比较而言,砂率对抗压强度的作用更显著。
试验结果还表明,当胶材总量为500 kg/ m3 时, 混凝土的弹性模量随砂率增大呈逐渐降低趋势。这是因为随砂率增大,混凝土中的粗集料含量相对降低,而混凝土的弹性模量主要由粗集料决定并取决于粗集料的弹性模量。由于随砂率增大,混凝土中部分粗集料被砂浆和水泥石所替代,而水泥石和砂浆硬化后的弹性模量远小于粗集料本身的弹性模量,从而造成混凝土弹性模量下降。
从上述讨论结果可以发现:砂率对混凝土的工作性、抗压强度以及弹性模量均有不同程度的影响,其中混凝土的工作性受砂率的影响尤为显著,且存在一个最佳砂率值。这个最佳值随胶凝材料用量的不同而有所不同, 保持在30 %～40 %之间。
2. 2 不同水胶比条件下砂率对混凝土性能的影响
保持胶材总量为600 kg/ m3 ,设计两种水胶比(0. 25和0. 30) ,配制5种砂率(30 %、35 %、40 %、45 %、50 %)的混凝土, 测试其坍落度和28 d抗压强度,如图1～3所示。试验结果表明: 当水胶比不同时,最大坍落度所对应的砂率值有所不同，且随水胶比降低,最佳砂率值也随之降低。这是因为相同条件下,粗细集料表面积的多少对混凝土拌合物的工作性有显著影响, 砂率增大, 集料的总表面积增加。因此,要保证相同的坍落度势必增加用水量。从和易性来看,水胶比分别为0. 25 和0. 30 时, 尽管最佳砂率值也有所不同, 但都在35 %～45 %之间,超过此范围后,坍落度减小。
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图3绘出了两种水灰比下混凝土抗压强度随砂率变化的趋势, 可以看出, 随砂率增加, 混凝土的抗压强度呈先增大后降低的趋势;且随水灰比的不同,达到理想强度的砂率值有所不同。综合考虑砂率对混凝土坍落度和抗压强度的影响, 当水灰比为0. 25～0.30 时,最佳砂率值为35 %～45 %。
2.3 研究结论
(1) 胶材总量在550～600kg/m3 的高性能混凝土, 砂率对混凝土的工作性、强度有不同程度的影响, 其中对混凝土工作性的影响尤为显著。随着胶凝材料用量的增加,获得最佳工作性和抗压强度的砂率值有所不同。最佳砂率值为30 %～40 %。
(2) 胶材总量为500kg/m3时,混凝土弹性模量随砂率增大而降低。
(3) 水胶比为0.25、0. 30的两组高性能混凝土抗压强度和坍落度对应的最佳砂率值均在35 %～45 %之间。
3 结语
通过对不同胶材总量和不同水胶比条件下, 砂率对高性能混凝土工作性、力学性能的影响规律的研究结果表明,对应不同胶凝材料用量和不同水胶比,存在各自的最佳砂率值，为高性能混凝土的配制及研究提供试验数据与指导依据。
参考文献
[1]吴历斌,孙振平,王新友,等. 高强高性能混凝土中集料对力学性能的影响. 混凝土,2001 (1)
[2]吴历斌. 集料对高性能混凝土力学性能的影响研究:[学位论文]. 上海:同济大学,2001
建议增加一些参考文献