砂率对干硬性混凝土性能的影响

郭傲，赵铁军，王鹏刚，陆文攀

(青岛理工大学土木工程学院，山东青岛266033)

砂率对干硬性混凝土性能的影响

郭傲，赵铁军，王鹏刚，陆文攀

(青岛理工大学土木工程学院，山东青岛266033)

研究了砂率对干硬性混凝土力学性能及耐久性能的影响，对不同砂率的干硬性混凝土试件进行力学试验、快速冻融试验、毛细吸水试验，测定不同砂率下干硬性混凝土试件的抗压强度、相对动弹模量、质量损失和毛细吸水特性。试验结果表明:随着砂率的增大，干硬性混凝土抗压强度和相对动弹模量先升高后降低;质量损失和单位面积吸水量均随着砂率的增加而减小。综合评定，砂率45%时干硬性混凝土力学性能和耐久性能指标最优。

干硬性混凝土 砂率 力学性能 耐久性

干硬性混凝土是指塌落度不大于10 mm，维勃稠度在10～30 s的混凝土。具有低水灰比、快硬早强等特点，可立即拆模，增加模板周转速率，从而提高产品生产效率。目前干硬性混凝土主要用于预制构件的生产领域，此外，在地基、路面、大坝等大体积工程领域，干硬性混凝土也得到了广泛应用［1］。

砂率是砂子占骨料总量的比率。砂率的变动，会使骨料的总表面积有显著改变，从而对混凝土拌合物的和易性有较大影响，也是影响干硬性混凝土强度及耐久性能的主要因素之一。强卫等［2］研究了用水量和砂率对道路碾压混凝土工作性能及力学性能的影响，用水量130 kg/m3、砂率37%最适宜;何锦云等［3］研究了砂率对混凝土和易性和强度的影响，得出了砂率是影响普通混凝土和易性的主要因素，但对于强度影响不大;翁兴中等［4］研究了砂率对道面混凝土工作性、强度、耐磨性、水渗透性和抗冻性的影响，得出了砂率约为30%时，道面混凝土各项性能指标最佳，提出道面混凝土的最佳砂率为28%～32%。试验研究结果表明，砂率是影响混凝土性能的主要因素，随着砂率的不同，混凝土的力学性能和耐久性能差异较大。目前，对干硬性混凝土的研究还处于初步阶段，其中关于砂率对干硬性混凝土性能影响方面的研究较少［5-7］。本文利用正交试验进行配合比设计，主要研究砂率对干硬性混凝土抗压强度、抗冻性、毛细吸水特性的影响规律，为实际工程中干硬性混凝土的制备及应用提供理论基础。

1 试验概况

1)原材料

试验采用的水泥为青岛山水水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥，其基本性能指标如表1所示;粗骨料选用粒径5～10 mm和10～20 mm两种连续级配的玄武岩碎石;细骨料为最大粒径5 mm的河砂，细度模数2.9;拌合水为普通自来水。

表1 水泥的物理力学性能指标

2)试验方案

本文采用正交试验，选用砂率、胶凝材料用量、矿物掺合料用量、掺合料掺加比例4个参数，作为考察因素，每个因素均选4个水平，4个因素各水平的取值见表2。根据选择的因素和水平情况，选用L16(44)正交表，其正交试验配合比见表3。

3)试件制备、养护与测试

干硬性混凝土试件的制作步骤:①将碎石、砂子、水泥依次倒入搅拌机中，搅拌1 min，使之混合均匀;②将称量好的自来水缓慢加入搅拌机中(水的加入量根据新拌混凝土的工作性确定)，直至混凝土拌合物满足工作性要求，总搅拌时间为3 min;③新拌混凝土搅拌完成后，将其装入设计的专用模具中;④将专用模具置于振动台振动加压2 min;⑤振动完毕后立即拆模，取出试件并移入标准养护室进行养护;⑥养护至相应龄期，取出试件，测试其力学性能、抗冻性能及毛细吸水性能。

表2 4个因素各水平的取值

表3 正交试验配合比kg/m3

2 结果与分析

2.1 砂率对干硬性混凝土强度的影响

干硬性混凝土标准养护至相应龄期后进行抗压强度试验，依据《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T 50081—2002)测定。抗压试验结果如图1所示。

由图1可以看出，干硬性混凝土抗压强度随砂率的增加先增大后减小。砂率为45%时，抗压强度达到峰值，龄期56 d时，砂率45%混凝土抗压强度为40 MPa，较砂率35%，40%，50%的试件抗压强度分别提高了44.66%，29.18%，13.37%。

砂率较低时，水泥砂浆不能完全填充粗骨料间的空隙，拌合物缺浆，混凝土流动性下降，试件成型后内部空隙较多，不密实，故试件强度较低;随着砂率提高，水泥砂浆增多，粗骨料表面能够被浆体充分包裹，流动性增大，试件成型后空隙率减少，内部更加密实，因而干硬性混凝土强度提高。

由于砂子的比表面积比粗骨料大，砂率过大时，随着砂率增加，在水泥浆用量一定的条件下，骨料表面包裹的浆量减薄，粘结力降低，润滑作用下降，流动性降低，不易形成理想的骨料嵌锁型结构，从而使硬化后的混凝土密实性降低，影响混凝土的强度发展。同时过高的砂率也破坏了粗集料之间的机械咬合力，这也是强度下降的一个主要原因。砂率由45%降低到40%，35%时，混凝土56 d抗压强度分别下降22.33%和31.46%，混凝土28 d抗压强度分别下降22.59%和30.87%，说明干硬性混凝土抗压强度对砂率变化很敏感。综合来看，砂率45%时混凝土强度最高。

2.2 砂率对干硬性混凝土抗冻性的影响

首先制备100 mm×100 mm×100 mm干硬性混凝土试件，标准养护24 d，再将试件放入水中浸泡4 d，待试件达到饱水状态后，根据《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》进行冻融循环试验，达到相应冻融循环次数时将试件取出进行测试。结果见图2和图3。

图1 不同砂率干硬性混凝土的龄期与抗压强度关系曲线

图2 相对动弹模量与冻融循环次数关系曲线

图3 质量损失率与冻融循环次数关系曲线

由图2可知，干硬性混凝土试件相对动弹模量在经56次循环后出现了暂时性的上升，但就其总的变化过程而言仍呈下降趋势。砂率45%和50%的干硬性混凝土，经历了168次冻融循环后其相对动弹模量仍在90%以上，其抗冻性较好;砂率40%和35%的干硬性混凝土，经历了168次冻融循环后其相对动弹模量在75%以上。

由图3可知，干硬性混凝土试件在冻融循环期间质量损失率呈现上升趋势。由质量损失率反映出砂率为45%，50%，40%，35%时抗冻性依次由强到弱。这与相对动弹模量反映的规律一致。这是因为混凝土中砂的主要作用是填充粗骨料间的孔隙，孔隙率降低使得混凝土更加密实。适当提高砂率可以改善混凝土拌合的流动性和黏聚性，增大整体稳定性和匀质性，试件成型后孔隙率小，密实度大，抗冻性能随之提高。但砂率超过一定范围后，砂率的增大使得混凝土拌合物流动性下降，进而导致混凝土的匀质性变差。同时，由于砂表面积过大，浆体相对减少，部分骨料未被完全包裹，降低了骨料间界面粘结力，抗冻性下降［8-10］。45%砂率干硬性混凝土试件经168次冻融循环后质量损失率最低，说明其抗冻性最好。

2.3 砂率对干硬性混凝土毛细吸水特性的影响

首先将试件切割成100 mm×100 mm×50 mm，烘干至恒重，将试件中除了与水接触的底面及与其相对面之外的其余四个侧面用密封材料进行密封，确保试件沿一维方向吸水;然后将试件放入容器中，缓慢倒入自来水，直至液面高出试块底面(4±1)mm;从水溶液与试块底部接触时刻开始计时，分别在吸水时间为0，0.5，1，2，4，8，12，24 h时取出试块，将其表面液态水用湿布擦拭干净，用电子天平称取试件质量，再立即放回容器中，计算试件毛细吸水量。毛细吸水量随时间变化曲线见图4。

由图4可知，干硬性混凝土中毛细吸水过程早期吸水速度快、吸水量大，曲线呈线性增长，后期吸水速度降低、吸水量减少，曲线趋于平缓;单位面积吸水量随着砂率的增大而减小。吸水24 h时，砂率为50%的干硬性混凝土试件单位面积吸水量比砂率45%，40%，35%试件依次降低了4.55%，26.29%，44.36%。这是因为砂率较低时粗集料之间的孔隙未被填充密实，因而孔隙率大，混凝土单位面积吸水量大。随着砂率的提高，孔隙率减小，混凝土内部更加密实，从而使混凝土单位面积吸水量逐渐降低。

图4 单位面积吸水量与时间关系曲线

3 结论

1)干硬性混凝土抗压强度随砂率的增加先增大后减小，砂率45%时干硬性混凝土的抗压强度最大。

2)随着砂率的增大，干硬性混凝土的相对动弹模量先增大后降低，与强度变化规律一致。随着砂率的增大，质量损失率逐渐降低。综合看来，砂率45%时干硬性混凝土抗冻性最佳。

3)干硬性混凝土的单位面积吸水量随着砂率增大而逐渐降低。50%砂率干硬性混凝土的单位面积吸水量与45%砂率时相比变化不大。

［1］冯乃谦.实用混凝土大全［M］.北京:科学出版社，2001.

［2］强卫，曹春，黄聪华，等.用水量和砂率对道路碾压混凝土性能的影响［J］.混凝土与水泥制品，2003(6):21-22.

［3］何锦云，李瑞瞡，王继宗.砂率对砼和易性及强度影响的试验研究［J］.河北建筑科技学院学报，2002(4):27-29，43.

［4］翁兴中，张广显，韩照，等.砂率对道面混凝土性能的影响［J］.西安建筑科技大学学报:自然科学版，2013(2):239-244.

［5］张士萍，邓敏，唐明述.混凝土冻融循环破坏研究进展［J］.材料科学与工程学报，2008(6):990-994.

［6］周学，于红生，刘林明.混凝土配合比设计中砂率选择方法探讨［J］.商品混凝土，2007(5):43-46.

［7］张维国.关于混凝土配合比设计中砂率的确定［J］.交通科技与经济，2003(1):12-13，17.

［8］姚保新.特长隧道耐久性混凝土配合比设计及施工控制［J］.铁道建筑，2014(1):121-124.

［9］蒙玮，汪兴达，庄庆平，等.矿物掺合料对箱梁混凝土长期变形性能的影响研究［J］.铁道建筑，2014(9):134-136.

［10］朱凯.掺粉煤灰煤矸石轻骨料混凝土性能研究［J］.铁道建筑，2014(3):118-121.

Influence of sand ratio on performance of hard concrete

GUO Ao，ZHAO Tiejun，WANG Penggang，LU Wenpan
(School of Civil Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao Shandong 266033，China)

T he influence of sand ratio on the durability and mechanical performance of the hard concrete was studied.For this purpose，mechanical test，accelerated freeze-thawtest and capillary water absorption test are conducted to concrete of different sand ratio，so as to calculate the compressive strength，relative dynamic modulus，mass loss and water absorption ability of the specimens.T he results indicate that with the increase of sand ratio，both the compressive strength and relative dynamic modulus rise up first，which then tends to decline;while mass loss and water absorption ability of the specimens display a decreasing pattern.45%of sand ratio is found to be the preferable choice in terms of mechanical performance and durability.

Hard concrete;Sand ratio;M echanical performance;Durability

TU528.31

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.38

1003-1995(2015)02-0137-04

(责任审编葛全红)

2014-05-10;

2014-09-10

国家973基金项目(2009CB623203)

郭傲(1989—)，女，山东济南人，硕士研究生。