浅析砂率对混凝土性能的影响

文摘 2024-12-26 07:07 河南

0 引言

砂率是指混凝土中砂子的质量占砂、石总质量的百分比。砂子和石子相比较，砂子具有很大的比表面积，和水泥组成水泥浆后，在混凝土拌合物中起到填充石子间隙并包裹其表面的作用。因此，砂率的变化会导致骨料总的表面积、空隙率及骨料相对含量均发生变化，从而影响到混凝土拌合物的和易性、硬化后混凝土的强度和耐久性。

1 砂率对混凝土强度的影响

砂率，砂率对混凝土的抗压强度有显著影响。一方面，适当增加砂率可以提高混凝土的抗压强度；另一方面，过高或过低的砂率都可能导致强度降低。特别是在使用特定类型的骨料（如机制砂）时，砂率的优化对于达到最佳强度至关重要。虽然其对混凝土强度的影响不如水胶比显著，但仍然是一个不容忽视的因素。砂率的变化会在一定程度上影响混凝土的强度，这种影响程度与水胶比的大小密切相关。

当水胶比大于0.4时，混凝土的受压破坏主要发生在水泥石自身及其与骨料的粘接界面。在这种情况下，水泥石的强度以及其与骨料的粘接强度主要取决于水泥的强度和水胶比。因此，在水胶比较大时，砂率对混凝土强度的影响相对较小，表现得并不明显。

然而，当水胶比小于0.40时，情况就有所不同了。此时，水泥石和粘结强度会有较大的提高，混凝土的抗压破坏除了发生在水泥石自身和与骨料的粘接面以外，还包含骨料自身的破坏。在这种情况下，砂率的选择就显得尤为重要。

在配合比设计时，如果选用的砂率过大，就会增加粗、细骨料的总表面积。这不仅会使混凝土拌合物的粘聚性严重变差，甚至可能出现崩塌现象，导致混凝土的各组成材料之间的结合力下降，从而影响混凝土硬化后的强度。

相反，如果砂率过小，浆体就会变得过于富余。在混凝土成型过程中，尤其是在自重及强力振实的条件下，更容易出现泌水现象。这种现象同样会对混凝土的强度产生不利影响。

2 砂率对混凝土强度粘聚性和保水性的影响

砂率对混凝土塑性黏度的具体影响可以从几个方面进行分析。首先，砂率的变化会影响混凝土的工作性能和力学性能。在不添加附加水的情况下，机制砂掺率主要影响塑性混凝土拌合物的工作性能，而对其力学性能及应力应变曲线的影响较小。这表明砂率的变化直接关联于混凝土的流动性和易操作性。

进一步地，当添加附加水以调整砂率时，可以根据机制砂的泥粉含量确定达到相同塌落度的附加水用量。这意味着砂率的调整需要通过调整水分含量来实现，从而间接影响混凝土的塑性黏度。加入附加水后，塑性混凝土的力学性能（如弹性模量和峰值应力）会有所下降，这可能是由于水分的增加改变了混凝土内部的微观结构，从而影响其黏度特性。保水性也随之降低，容易出现泌水、离析以及流浆等不良现象，严重影响了混凝土的工作性能和最终质量。

但值得注意的是，当砂率过大时，问题又会再次出现。如果一定数量的水泥浆无法充分包裹骨料表面，那么混凝土的粘聚性反而会急剧下降。这种情况下，混凝土拌合物极易发生崩坍、发散，失去应有的粘聚性，给施工带来极大的不便和安全隐患。

3 砂率对混凝土耐久性的影响

砂率，这一看似简单的混凝土配合比参数，实际上与混凝土的耐久性有着千丝万缕的联系。虽然初看之下，砂率与混凝土耐久性之间似乎并无直接关联，但事实上，砂率的变化会通过对混凝土拌合物工作性的影响，进而对混凝土硬化后的耐久性产生显著影响。

然而，当砂率过大或过小时，问题就会接踵而至。过大的砂率会导致混凝土拌合物的流动性降低，使得混凝土在搅拌过程中难以达到均匀状态，均质性大打折扣。同时，在浇筑过程中，这样的混凝土也不易被振捣密实，容易在内部和模板内侧形成蜂窝和空洞，表面也容易出现麻面现象。这些问题都会增大硬化混凝土内部的孔隙率，对其耐久性构成威胁。

根据研究，砂率的增加会导致混凝土的干燥收缩长度变化率逐渐增大。例如，在C30再生混凝土中，随着砂率的增加，干燥收缩长度变化率呈现出逐渐增大的趋势，尽管增加幅度较小。此外，铸造废砂的使用也被发现会增加混凝土的干燥收缩，这可能与其劣化的孔结构有关。

砂率的变化同样影响混凝土的碳化深度。铸造废砂的使用虽然在早期降低了混凝土的抗压强度，但其后期强度逐渐赶上基准混凝土，同时也显示出与基准混凝土相近的碳化深度。这表明砂率的增加可能会影响混凝土的耐久性，尤其是在碳化方面。

4 砂率对混凝土流动性的影响

在固定浆体用量的情境下，砂浆如同混凝土的“润滑剂”，它填充并紧密包裹在骨料表面，有效减小了粗骨料之间的摩擦阻力，确保了混凝土拌合物的良好流动性。然而，当砂率偏低时，浆体与砂子混合形成的砂浆量相对不足。这不仅使得砂浆难以充分填充粗骨料间的空隙，更无法完全包裹骨料表面，从而削弱了其润滑效果。在这种情况下，粗骨料间的摩擦力显著增大，导致混凝土拌合物的流动性明显降低，变得更为粘稠和难以操作。随着砂率的逐步提高，砂浆的体积也相应增加。在一定范围内，这种增加显著改善了砂浆对骨料的填充和包裹作用，进而有效减小了骨料间的摩擦。因此，在这一阶段，混凝土的流动性得到了显著提升，变得更加易于搅拌、运输和浇筑。

然而，当砂率继续增加至某一临界点时，情况又发生了变化。随着砂子用量的不断增加，粗细骨料的总表面积也急剧增大。此时，固定量的浆体已无法充分填充这些新增的空隙并完全包裹骨料表面。因此，骨料间的摩擦力再次增大，导致混凝土的流动性重新变差。这一阶段的变化提醒我们，在调整砂率时必须谨慎，以免过度增加砂子用量而适得其反。

如果混凝土拌合物泌水现象过于严重，将会引发一系列不良后果：

（1）大量泌水通道的形成会显著增大混凝土内部的孔隙率，这直接导致混凝土强度的降低，对其承重和耐久性能构成威胁。

（2）泌水作用会在粗骨料及水平钢筋的下缘形成水膜。随着时间的推移，这些水膜会蒸发，留下空隙。这些空隙不仅会降低混凝土的强度，还会削弱混凝土与钢筋之间的握裹力，从而影响结构的整体稳定性。

（3）泌水还会导致表层混凝土的水胶比失衡，形成所谓的浮浆层。浮浆层在硬化后强度极低，不仅影响混凝土的外观质量，还可能成为结构中的薄弱环节。

（4）泌水造成的混凝土内

部不均匀性会增加其在硬化过程中的收缩率。这种不均匀收缩同样会导致混凝土强度的降低，甚至可能引发开裂等更严重的问题。因此，合理选择砂率至关重要，它不仅能使混凝土拌合物获得良好的工作性能，还能显著提高混凝土硬化后的强度，确保结构的安全性和耐久性。

针对于上述原因分析，在使用特定骨料（如机制砂）时，砂率对混凝土的抗压强度有显著影响。可以总结出以下几点：机制砂的比表面积较大，这可能会影响混凝土的坍落度，但对抗压强度的影响较小。这表明，虽然机制砂的物理特性与天然砂不同，但其对混凝土抗压强度的直接影响不大。当机制砂替代天然砂的比例低于50%时，对不同强度等级混凝土的抗压强度均无影响。对于高强混凝土，在低于75%的代砂率条件下，强度略有提高。但完全采用机制砂替代天然砂则对各强度等级的混凝土抗压强度都不利。

在适宜的砂率下，再生骨料混凝土的28天抗压强度随水灰比的增大而增大，但在砂率较高的情况下，抗压强度随水灰比的增大而降低。这说明砂率是影响混凝土抗压强度的一个重要因素，需要与其他因素如水灰比相结合考虑。

不同种类复合掺合料配制的机制砂混凝土显示，当掺入特定种类的复合掺合料时，合适的砂率可以显著提高混凝土的抗压强度。这表明通过调整砂率和掺合料的种类及占比，可以优化混凝土的性能。

随着机制砂替代率的增大，机制砂混凝土的抗压强度先增大后减小，且在7天及以后龄期，替代率为50%时的抗压强度通常大于其他替代率的混凝土强度。控制机制砂取代率小于70%，石粉含量低于15%，可以获得较好的流动性，同时保持较好的抗压强度。砂率对混凝土的抗压强度有显著影响。在实际应用中，应根据具体情况选择合适的砂率，以确保混凝土具有良好的工作性能和满足结构设计要求的抗压强度。

在使用废玻璃粉或粉煤灰引气技术时，砂率调整的最佳实践和考虑因素主要包括以下几点：

（1）粒径选择

根据不同的研究，废玻璃粉的粒径对其性能有显著影响。例如，当废玻璃粉粒径小于75μm且掺量在10%～15%时，可以较好地提高胶砂的流动性。此外，不同粒径的废玻璃粉对水泥胶砂的力学性能也有不同影响，如500目玻璃粉可以提高水泥胶砂的强度，而20目和100目玻璃粉则可能导致强度下降。

（2）掺量调整

掺入废玻璃粉的比例也是一个重要的考虑因素。适当增加废玻璃粉的掺量可以改善胶砂的流动性和抗裂性能，但过高的掺量可能会影响材料的最终强度。

（3）混合过程

混合过程中的操作也非常关键。例如，使用热处理型ES添加剂可以简化制造过程，同时保持固化材料的性能。此外，确保混合器能够有效地处理材料，以避免材料在混合过程中的分层或不均匀分布是必要的。

（4）环境和条件因素环境条件如温度、湿度等也会影响废玻璃粉和粉煤灰的性能。在进行实验或实际应用时，需要考虑这些环境因素，并根据具体情况调整砂率和其他参数。

（5）性能测试

在实际应用前，进行充分的性能测试是必不可少的。这包括对胶砂的流动性、强度、耐久性等方面的测试，以确保所选的砂率和添加剂比例能够满足工程需求。

总结来说，使用废玻璃粉或粉煤灰引气技术时，砂率调整应综合考虑粒径、掺量、混合过程、环境条件以及通过性能测试验证的最佳实践。

5 结语

综上所述，砂率不仅是混凝土配合比中的一项关键参数，更是对混凝土性能产生深远影响的要素之一。在实际的工程实践中，我们必须全面而深刻地认识到砂率对混凝土工作性能、强度发展以及耐久性等各方面的影响。通过精心选择和调整砂率，我们可以确保混凝土具备优良的质量和使用性能，从而满足工程设计的各项要求。希望本文的探讨能够助力广大工程人员更加深入地理解砂率的重要性，并在实际工作中做出科学、合理的决策，为混凝土工程的优质、高效施工提供有力保障。（来源：《陕西建筑》2024.10）

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