邓斐，成慧，刘才鹏
（1重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400016；
2重庆砼磊高新混凝土有限公司，重庆 401339）
在目前的混凝土配合比设计中，主要使用的细集料有两种，一种是机制砂，一种是天然砂。由于经济发展的需要，水泥混凝土需求量持续提高，传统天然河砂已供应不足；
其次，为了落实对生态环境的保护，全国大部分地区已明确规定严禁在河流等区域获取天然砂。在这两方面因素的影响下，大量使用天然砂作为混凝土原材料的做法已变得不可取，机制砂成为混凝土的原材料是不可避免的趋势[1]。然而，机制砂的应用有一定的缺点。在机制砂生产的过程中，由大石块破碎成细颗粒，其自身尖锐的棱角不利于低等级混凝土的和易性[2]，而且不可避免地产生粒径小于75µm颗粒（通称为石粉），这是机制砂与天然砂最明显的区别之一。如果石粉含量过大，混凝土的和易性会大大降低。从目前的研究及应用情况来看，可以使用引气剂解决这一问题[3]。加入引气剂的新拌混凝土在搅拌过程中，会产生大量气泡，使其和易性变好；
有研究还表明这些气泡可以增加混凝土的耐久性[4]。然而，外加剂掺入混凝土后，产生的气泡大小并不均匀一致，气泡泡径过大或过小对全机制砂混凝土的流动度、坍落度和泌水率是否产生不利影响，目前尚少见具有针对性的分析。
为了探究气泡泡径对全机制砂混凝土工作性的影响，本文从全机制砂混凝土的流动度、坍落度和泌水率三个方面入手，以期解决全机制砂混凝土流动性差、混凝土坍落度损失大、不易泵送的技术难题[5]。
1.1 原材料
（1）水泥。水泥为P.O42.5R，各项指标满足规范要求。
（2）细集料。机制砂，产地为重庆市南川区，细度模数为2.9，Ⅱ区级配砂，表观密度为2700kg/m3。
（3）粗集料。5~20mm碎石，产地为重庆南川，松散堆积密度为1490kg/m3，表观密度2720kg/m3，级配符合5~20mm连续粒级要求。
（4）粉煤灰。Ⅱ级粉煤灰，产自重庆京玖环保科技有限公司，各项指标满足规范要求。
（5）减水剂。GL-PCA聚羧酸缓凝型高性能减水剂，产自重庆宜光建材有限公司，水剂，固含量为27.5%，密度为1.16g/cm3，减水率为10%~15%。
（6）引气剂。引气剂为聚氧乙烯基酚醚，属非离子表面活性剂，白色粉末。
（7）水。试验用水为自来水。
1.2 试验方法
1.2.1 混凝土工作性能测试方法
参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）测定混凝土拌合物坍落度、常压泌水率，参照《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419—2005）测定砂浆的流动度。
1.2.2 气泡泡径测试方法
研究混凝土中气泡分布的方法依据《水工混凝土试验规程》（SL/T 352—2020）中5.26混凝土气泡参数试验（直线导线法）。直线导线法计算硬化混凝土气泡特征参数的原理为，硬化混凝土气泡分析仪探头根据导线的方向探测导线在混凝土截面上所割的气泡个数和气泡弦长，然后依据所得数据计算出硬化气泡特征参数。混凝土试件尺寸为100×100×100mm，成型后标准养护28天，切割成厚度为1~2cm的试件，经研磨、抛光、清洁并利用宽头黑色记号笔涂黑试样观测面，然后用粒径小于10µm的白色碳酸钙粉末或硫酸钡粉末填充气泡，再用刀片除去表面多余粉末得到待测试件。采用硬化混凝土气泡分析仪及其系统软件自动釆集数据并自动计算得到结果，以此检测气泡泡径大小、气泡比表面积以及气泡间隔系数。
按照C30普通混凝土和M10普通砂浆进行配合比计算，配合比结果见表1和表2。在表1中的混凝土配合比和表2砂浆配合比的基础上，通过调整引气剂的掺量（0~0.04%），分别采用强制式搅拌、自落式搅拌、人工搅拌的方式制备出11组气泡泡径控制在80~225µm的全机制砂混凝土和全机制砂砂浆，用于测试混凝土坍落度、泌水率以及砂浆的流动度。
表1 试验混凝土的配合比
表2 试验砂浆的配合比
3.1 气泡泡径对全机制砂砂浆流动度的影响
图1显示了全机制砂砂浆气泡平均直径对流动度的影响。由图可知，当气泡平均直径小于126µm时，在全机制砂混凝土中，流动度随着气泡平均直径的增大而增大，原因在于引气剂属于表面活性剂，可以在较大程度上降低液-气界面张力，使新拌砂浆内部的气泡直径减小，将大直径气泡分割成稳定的微小气泡[6]，从而增加砂浆的流动度；
当气泡平均直径控制在大于126µm范围内时，流动度随着气泡平均直径的增大而减小。由图可知，气泡平均泡径120~130µm为适于全机制砂混凝土最佳流动性能的范围。
图1 气泡平均泡径与全机制砂砂浆流动度的关系
3.2 气泡泡径对全机制砂混凝土坍落度的影响
图2显示了全机制砂混凝土中气泡直径对坍落度的影响。由图可知，当气泡泡径小于127µm时，坍落度随着气泡平均直径的增大而增大，因为此时的气泡直径相对较小，随着直径增大，拌合物中的气泡使水泥浆体体积增加，包裹机制砂的水泥浆体增多，拌合物流动性增加，使得混凝土坍落度增加[7]；
另一方面，气泡具有一定的减水作用，在用水量一定的情况下，所产生的气泡平均直径增加可以提高全机制砂混凝土的坍落度。但气泡直径超过127µm后，坍落度呈现降低趋势，因为此时水泥浆体内部的气泡太大，机制砂颗粒之间更易直接接触，造成内摩擦力增大，使拌合物流动性降低，以至于坍落度下降。故由图2可知，适于全机制砂混凝土最佳流动性能的气泡平均泡径范围为110~140µm。
图2 气泡平均泡径与全机制砂混凝土塌落度的关系
3.3 气泡泡径对全机制砂混凝土泌水率的影响
全机制砂混凝土在运输过程中，振动和传送会使粗细集料下沉，从而使水分向上浮，造成混凝土泌水。泌水现象对混凝土结构强度有较大影响，由于拌合物泌水造成混凝土结构的上层部分含水量增大，使上层结构的水灰比较下层高，硬化后的上层结构强度较下层低。更严重的情况是混凝土结构上表面出现强度很低的浮浆。如果全机制砂混凝土内部气泡直径过大，气泡在上浮过程中遇到集料或钢筋阻碍，则在这些集料或钢筋下面可能会形成水囊，从而影响硬化水泥石与集料或钢筋的粘结[8]。泌水程度关系到全机制砂混凝土的可泵性，需引起重视。有研究表明，引气对混凝土拌合物泌水率的影响远大于对坍落度的影响[9]，下文分析气泡泡径对全机制砂混凝土泌水率的影响。
图3显示了全机制砂混凝土中气泡直径对泌水率的影响。由图可知，随着气泡平均泡径的增加，全机制砂混凝土的泌水率出现上升趋势。这是由于当气泡直径较小时，拌合物内部存在的大量微小气泡阻隔了水分自下而上的流动，进而降低了混凝土的泌水程度。另一方面，细小均匀的气泡增加了混凝土拌合物的粘聚性，拌合物中的水泥浆体包裹机制砂和粗集料，增加了骨料下沉的阻力，减少了水分上浮的现象，从而减少了混凝土泌水现象[10]。当气泡直径较大时，增加了机制砂之间、粗集料之间直接接触的几率，骨料之间的摩擦阻力降低了拌合物内部的均匀性，增加了泌水现象。
图3 气泡平均泡径与全机制砂混凝土泌水率的关系
3.4 混凝土经时坍落度损失情况验证
将实验环境大气温度控制为20℃~30℃，制备新拌混凝土，使气泡平均泡径控制在120~130µm范围内，测定此时的混凝土经时坍落度损失值。经测定，混凝土经时坍落度损失值为23~28mm/h，满足《预拌混凝土》（GB/T 14902—2012）中不宜大于30mm/h的泵送要求。
综上可知，适于全机制砂混凝土最佳可泵性能的气泡平均泡径范围为120~130µm。
通过对气泡泡径对全机制砂混凝土流动度、坍落度和泌水率影响的分析可知，当气泡泡径处于120~130µm范围内时，混凝土的工作性处于相对较优水平。
（1）引气剂的掺入使新拌砂浆内部的气泡直径减小，将大直径气泡分割成稳定的微小气泡，控制合适的气泡泡径能使混凝土拌合物内部获得较好流动性。
（2）控制合适的气泡直径可使混凝土拌合物中的水泥浆体体积增加，包裹机制砂的水泥浆体增多，拌合物流动性增加，使混凝土坍落度增加。
（3）越小的气泡直径，越能阻隔水分自下而上的流动，增加骨料下沉的阻力，进而降低混凝土的泌水程度。
（4）当气泡泡径处于120~130µm范围内时，混凝土的工作性处于相对较优水平。
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