混凝土離析評定方法的研究

余志龍，田建濤，孔鮮寧

(長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

混凝土離析現象使混凝土結構不均勻，出現孔洞和蜂窩狀結構，嚴重的離析使混凝土結構明顯分層，大大降低了混凝土結構的強度和使用性能[1]，因此對新拌混凝土離析現象進行研究十分必要。由于混凝土材料復雜，其內部顆粒的力學和運動關系還沒有完善的理論，混凝土的離析試驗沒有公認的原理，也缺少標準試驗方法[2]，沒有建立離析評價體系，離析研究也還處于探索階段。

目前，幾種可能的測試離析的方法有：1)文獻[3]利用一棱柱體試模，在其內部填滿搗實的混凝土，測定試樣的重心位置。如果混凝土完全均勻，則重心在一半高度處。然后讓試模中的新拌混凝土承受幾次平行于縱向軸的振動，如果振動時發生離析，則重心會移動。重心移動的大小和方向表征混凝土內部離析的趨勢。2)文獻[4]采用一個大約15 dm3的圓柱體或棱柱體容器，松散地填以攪拌良好的新拌混凝土，再振動振實。振動時間可以固定，但務必使混凝土搗實時間比實際完全搗實所需的時間稍長。振動后，將試樣分成上、下兩個質量相同的部分，再經4號篩(邊長4.75 mm)沖洗后測定上部和下部粗集料的質量分數。在下部混凝土中粗集料的質量分數發生變化即標志發生了內部離析，可以用離析系數SF表示， SF為上部與下部粗集料的質量分數之比。3)文獻[5-6]所用裝置包括射線源、閃爍計數器，射線源置于搗實混凝土試體的一邊，另一邊放置閃爍計數器測定射線源發射的光線數，從而計算該點的混凝土密度，密度測量時間為30 s。這一技術可得到竣工后混凝土粗集料均勻程度的清晰圖形。文獻[3-4]的方法的可操作性均不強，且不適用于硬化后的混凝土。文獻[5-6]的方法易于實現，但結果離散性較大，不易控制。因此研究一種操作性強、可靠性高的離析評價體系十分必要。

1 離析度模型建立

對于新拌混凝土而言，由于粗骨料密度大于膠凝基體，粗骨料容易下沉，細集料和漿體相應上浮，造成新拌混凝土顆粒分布不均勻，直觀的表現是在試件豎直方向上產生層位差異。如圖1中a)所示，攪拌狀態的混合料由于一直受攪拌葉片的作用，因此分布較均勻，基本發生沒有離析現象；b)所示為攪拌完成后，隨著時間的推移粗骨料在重力作用下下沉，細集料在浮力作用下上浮； c)為一段時間后，混合料的受力達到平衡，離析分層現象達到穩定狀態。

根據上述分析可知，粗骨料下沉是新拌混凝土離析的最主要原因，因此對粗骨料的分布層位差異進行統計和分析，是衡量其均勻性的直接手段，計算結果可以直接用來評價混凝土的離析程度，具體評價方法如下： 1)根據混凝土設計強度確定混合料配合比，從而確定混合料總質量M和粗骨料質量m；(2)混合料攪拌均勻后，未發生離析情況下，取任意體積的新拌混凝土，測量其總質量M1和其中粗骨料質量m1，必然滿足

m1/M1=m/M.

(1)

圖1 新拌混凝土離析過程

如果不滿足式(1)，則表明發生離析，m1/M1-m/M的差值大小可以反映離析的程度。為了能獲得更精確的結果，提出離析度的概念，離析度S的計算式為

S=Sa+Sb,

S反映混合料的離析程度，S=0，表示沒有發生離析，S越大，表示離析越嚴重。

2 離析試驗

為驗證上述理論的可實施性，設計離析評價試驗，計算不同攪拌時間、放置時間下新拌混凝土的離析度，同時測定相應條件下混凝土28 d的抗壓強度，分析離析度與抗壓強度之間的關系，進而評價其離析狀況，確定最佳的攪拌參數。

2.1 原材料

本試驗用水泥為P.O42.4普通硅酸鹽水泥，密度3 150 kg/m3；細集料為普通中砂，來源于西安渭河，堆積密度為1 450 kg/m3，細度模數為2.96，泥的質量分數為2.5%；試驗所用石子表觀密度為2 850 kg/m3，最大粒徑為25 mm，來源于西安渭河碎卵石；試驗用水為西安地區普通飲用自來水。本試驗混凝土設計強度為C30，材料用量為：水泥9 kg，水5.4 kg，砂20.7 kg，石子36.9 kg。

2.2 試驗方法

試驗過程中主要控制攪拌時間和放置時間。攪拌時間分別為35，40，45，50 s，放置時間為0 min和10 min。攪拌過程完成后，將混凝土卸到平底小車上，從混凝土表面分3個區域取試樣，分別稱量3個試樣的質量，然后沖洗混凝土試樣，洗出相應的粗骨料，曬干后稱量粗骨料質量，從而計算出Sa。接著在距離表面15 cm處按上述方法取3個區域，計算出Sb，從而得到放置時間0 min時離析度。待混合料放置10 min以后，按上述方法可以得到放置時間10 min時的離析度。

混凝土硬化后試塊的抗壓強度是指混凝土立方體極限抗壓強度，是評價混凝土性能的重要參數。本試驗混凝土抗壓強度測試按照文獻[7]考察不同離析度對混凝土強度的影響，最終得到的離析度和抗壓強度如表1所示。

表1 離析度和抗壓強度

3 結果分析

由于攪拌時間的不同，混合料在攪拌完成后的均勻性會有差異，這直接導致離析度的不同；另一方面，放置時間0 min和10 min的混凝土離析度也不相同，直接原因是粗骨料的密度大，會慢慢下沉，導致離析加劇。離析會降低混凝土的抗壓強度[8]。

3.1 離析度與抗壓強度的關系

離析度與抗壓強度之間的關系見圖2。由圖2可知，隨著離析度增大，混凝土抗壓強度均呈下降趨勢，離析度與抗壓強度呈反比例關系。這是由于離析會使混合料呈現不均勻分布狀態，混凝土下部粗骨料聚集的多，上部細集料聚集的多。混凝土的抗壓強度主要由粗骨料的狀態和框架體系決定，因此離析混凝土上部強度的降低直接導致混凝土總體抗壓強度下降。另一方面，試驗結果也說明建立的離析度評價體系符合工程實際，是正確、合理的。

圖2 離析度與抗壓強度的關系

3.2 攪拌時間對離析度的影響

攪拌時間直接影響混凝土的均勻性，進而影響離析程度。攪拌時間過短，混合料混合不充分，導致部分骨料團聚在一起，新拌混凝土離析明顯；攪拌時間過長，水泥水化反應過快，新拌混凝土流動性提高，混凝土抗離析性能降低，也會影響混凝土的離析度。

攪拌時間與離析度之間的關系見圖3。由圖3可知，隨著攪拌時間的延長，混凝土離析度先減小后增大，放置時間0 min和放置時間10 min的混凝土的最小離析度的攪拌時間均為45 s，說明混合料攪拌過程有一個最佳的攪拌時間，該攪拌時間下新拌混凝土離析程度最小。同時，由圖3可知，放置時間10 min的混凝土離析度增大，說明新拌混凝土在放置過程中會進一步離析，因此工程生產中要盡量縮短新拌混凝土放置時間。

根據上述分析，一方面可以驗證建立的離析度評價體系是正確、合理的，另一方面也可以看出攪拌時間、放置時間對混凝土離析的影響，從而為設計合理的攪拌參數提供依據。由于離析度評價體系中只取了表面以及距離表面15 cm處2個平面上的混凝土進行測定，15 cm以下部分的混凝土離析并未考慮，這可能會增大隨機誤差，因此后續工作還需對其改進。

4 結語

1)根據均勻性概念確定新拌混凝土離析評定方法，并基于此建立離析評價指標——離析度，離析度越大，混凝土離析現象越嚴重；

2)試驗結果表明：離析度越大，混凝土抗壓強度越小，說明建立的離析度評價體系是正確、合理的。混凝土攪拌時間、放置時間對離析度影響較大，合理的攪拌時間能使新拌混凝土離析度最小，縮短放置時間可以減輕混凝土的后續離析；

3)離析評價體系并未考慮15 cm以下部分的混凝土離析，這可能會增大隨機誤差，因此對其優化還有待深入研究。

參考文獻：

[1] 劉鵬清.公路橋梁施工中混凝土離析現象分析[J].中國水運,2009,9(8)：206-208.

[2] 張艷聰,王大鵬,田波,等.道路混凝土離析評價方法[J].公路交通科技,2012, 29(1): 23-27.

[3] Tournon G. Segregation of Non-cohereents Mixtures and Concretes[J].Rilem Bulletin,1995, 24(3): 15-31.

[4] Popovics S. A Method of Evaluating Grading on Concrete Aggregates[R].Indiana:Transportation and Purdue University,1961.

[5] Menkhoff H. Density Measurements with Radioactive Isotope[J].Der Bauingenieur, 1958,12(7):465-476.

[6] SANDOR POPOVICS.新拌混凝土[M].陳志源，譯.北京：中國建筑工業出版社，1990.

[7] 中國建筑科學研究院.GB/T 50081—2002 普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2003.

[8] 趙光豐.混凝土離析與泌水的流變分析[J].中國水運,2007 (5)：33-35.