砂石孔隙率和空隙率,如何辨別控制密實度?你搞清楚了嗎?

兩個概念區分

孔隙率是材料中孔隙體積佔總體積的比例，材料的孔隙率的大小直接反映了材料的緻密程度，從而反映混凝土的抗滲性能。是針對單一的某種材料而言。

空隙率是指散粒材料在某堆積體積中，顆粒之間的空隙體積佔總體積的比例。 空隙率的大小反映了散粒材料的顆粒互相填充的緻密程度。相比孔隙率，空隙率不是指某單一材料，它指的某堆積體積中可能包含多種材料，可以是多種材料顆粒之間的空隙。
首先認清一點，混凝土中的0-5（單位當然應該是mm）的「石子」不叫石子，叫砂子，亦或細集料。大於5mm的才能稱為石子，在這點上全世界的標準規定的都一樣。 按照混凝土的孔隙率學說，混凝土越是級配合理，孔隙率越小，強度越高。

泵送混凝土砂率比空隙率高。但具體砂率要依據工程要求坍落度流動性來確定。石頭大小不完全決定砂率，主要看級配合理不合理，空隙大，砂率要大。

通常來說，砂的表觀密度不得小於2500kg/m3，鬆散密度不得小於1400kg/m3，空隙率不得大於44%。砂率應以砂在骨料中的數量填充石子空隙後略有富餘的原則來確定。

混凝土配合比的最終目的是水泥用量最小而又能達到目標強度。因此必需使得混凝土儘量的密實，而達到最好密實度的原則是最細的顆粒滿滿包圍較細顆粒，用包圍好了的組成物又去滿滿包圍小顆粒，裹著包圍物的漿體又去滿滿包圍較大的顆粒，直至包滿粗骨料，使得所有的空隙被填充。假如砂石的顆粒級配不連續，其空隙體積就會太大，不但要浪費水泥，而且還有可能留下空隙存在於混凝土中。這樣的混凝土構件必定強度更差。
一般如果確定了石子的孔隙率，就能確定沙子的用量了。做下石子的孔隙率，一般會在41%左右，這樣的話， 砂率選擇就大一點，一般在43左右。石的表觀密度不得小於2600kg/m3，1類碎石空隙率不得大於43%，2類碎石空隙率不得大於45%，3類碎石空隙率不得大於47%。
在配比設計中，混凝土配比的容重與表觀密度有關。堆積密度主要影響混凝土配比設計中砂率的確定。空隙率=堆積密度/表觀密度。石子的空隙率越大，砂率越大，反之亦然。同理，砂子的空隙率越大，需要的膠凝材料就越多。這樣才能保證混凝土的和易性。
說的空隙率，不能把它脫離整個配比環境單獨說。通常在配合比中的砂石比，以一定漿骨比（或骨料總量）下的砂率表示。對級配良好的石子，砂率的選擇以石子松堆空隙率與砂的松堆空隙率乘積為 0.16~0.2 為宜。
一般，泵送混凝土砂率不宜小於 36%，並不宜大於 45%。為此應充分重視石子的級配，以不同粒徑的兩級配或三級配後松堆空隙率不大於 42%為宜。石子松堆空隙率越小，砂石比可越小。在水膠比和漿骨比一定的條件下，砂石比的變動主要可影響施工性和變形性質，對硬化後的強度也會有所影響（在一定範圍內，砂率小的，強度稍低，彈性模量稍大，開裂敏感性較低，拌和物黏聚性稍差，反之則相反）。
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（1）按具體工程提供的《混凝土技術要求》選擇原材料和配合比。

（2）注重骨料級配和粒形，按最大松堆密度法優化級配骨料，但級配後空隙率應不大於 42%。

（3）按最小漿骨比（即最小用水量或膠凝材料總量）原則，儘量減小漿骨比，根據混凝土強度等級和最小膠凝材料總量的原則確定漿骨（體積）比，按選定的漿骨比得到 1 m3 混凝土拌和物漿體體積和骨料體積；計算骨料體積所使用的密度應當是飽和面幹狀態下所測定的。

（4）按施工性要求選擇砂石比，按《混凝土技術要求》中的混凝土目標性能確定礦物摻和料摻量和水膠比。 

（5）分別按絕對體積法用漿體體積計算膠凝材料總量和用水量；用骨料體積計算砂、石用量。調整水膠比時，保持漿體體積不變。 

（6）根據工程特點和技術要求選擇合適的外加劑，用高效減水劑摻量調整拌和物的施工性。 

（7）由於水泥接觸水時就開始水化，拌和物的實際密實體積略小於各材料密度之和，則當未摻入引氣劑時，可不考慮攪拌時摻入約 1%的空氣。

在試配時，對於砂石的選用應該考慮到以下綜合指標。對於石子，要先後考慮到品種、飽和面狀態的表觀密度、松堆密度、石子最大粒徑、級配的比例和級配後的空隙率。 對於砂子，要篩除 5 mm 以上顆粒後的細度模數、5 mm 以上顆粒含量、飽和面狀態的表觀密度、自然堆積密度、空隙率。

砂的顆粒的總表面積要小，在其他條件都考慮到的條件下，砂儘可能粗些。砂的顆粒級配要良好，顆粒級配是指粒徑大小不同的砂相互搭配的情況。砂顆粒間大小搭配合理，達到逐級填充，減小空隙率，以實現儘可能高的密實度。用級配良好的砂配製混凝土，不僅空隙率小節約水泥，而且因水泥的用量減小，水泥石含量少，混凝土的密實度提高，從而強度和耐久性得以加強。在混凝土中，水泥漿是通過骨料顆粒表面來實現有效粘結的，骨料的總表面積越小，水泥越節約。
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如考慮不透水混凝土的情況。因水分子的直徑是 0.4 nm，要想使水在孔隙中不流動，假定需要的孔隙尺寸應小於 5 倍水分子直徑（即 2 nm）的話，那麼，要想使混凝土變得不透水，根據情況可以推斷，加入如矽粉類的超細顆粒材料，將會使混凝土的配製變得更加容易。當然，只有綜合考慮了不同顆粒間的相互作用，不同尺寸範圍孔隙間的填充方法，考慮了界面和過渡區，建立起多尺寸範圍顆粒堆積體的科學模型和分析方法後，才能真正用於混凝土的配合比設計和孔結構分析。
考慮顆粒堆積體系在自重作用下達到密實，用 PFC3D 軟體模擬顆粒堆積體，同時計算其孔隙率，通過所建立的方法近似計算顆粒堆積體孔隙的連通性，在研究顆粒體系的粒徑範圍內（最大與最小粒徑的比值小於 16），計算結果表明： 
（1）球形顆粒在重力作用下堆積體系的孔隙率大約在 20%~ 45%之間。 
（2）符合 Fuller 粒徑分布曲線的顆粒堆積體具有相對低的孔隙率。 
（3）顆粒形狀對堆積體系的孔隙率有影響，球形顆粒能夠得到孔隙率較低的堆積體。
（4）模擬顆粒堆積體的孔隙連通性接近 100%。
（5）要想使混凝土變得不透水，在混凝土中摻入超細顆粒（納米量級）材料將更容易實現。


通過對砂石表觀密度、堆積密度的測定，計算出砂石的孔隙率及空隙率，從而了解材料的構造特徵，便於試配出最佳狀態。
一、實驗儀器
1、測定砂的表觀密度：
容量瓶法：容量瓶（500mL），電子秤、鋁製料勺、淺盤、滴管等。 
2、測定石子的表觀密度： 
廣口瓶法：廣口瓶、玻璃片、天平、淺盤、毛巾、電子秤等。 
液體比重天平法：靜水天平、配套器具、烘箱等。 
3、測定砂松堆密度：下料漏鬥、標準容器、臺秤等。 
4、測定石松堆密度：標準容器、小鏟、臺秤等。
二、實驗操作
（一）砂表觀密度
1、稱取烘乾砂300g。
2、在容量瓶內注入水至瓶頸刻度線，擦乾瓶外水分，稱其質量。
3、倒出容量瓶內部分水，剩餘至約球部高度的1/3。將300g砂全裝入容量瓶，傾斜約45度搖轉容量瓶，使試樣在水中充分攪動（排除氣泡）。靜置一段時間後用滴管添水至瓶頸刻度線，擦乾瓶外水分，稱其質量。
（二）石子的表觀密度（廣口瓶法）
1、稱取烘乾石。
2、將水注滿廣口瓶，用玻璃片封住瓶口，擦乾瓶外水分後稱其質量。
3、倒出廣口瓶內水約1/2，傾斜放置廣口瓶，將石裝入其中。然後注滿水，用玻璃片覆蓋瓶口，以上下左右搖晃的方法排除氣泡。再靜置一段時間，將水注滿廣口瓶，用玻璃片封住瓶口，擦乾瓶外水分，稱其質量。
（三）石子的表觀密度（液體比重天平法）
1、稱取烘乾石。
2、將幹石裝入吊籃，並浸入生水容器，同時上下升降吊籃排除氣泡。 
3、調整好容器中水的高度後，稱量出吊籃及石子在水中的質量。 
4、調整好容器中水的高度後，稱量出吊籃在水中的質量。 
5、測量水溫。
（四）堆積密度實驗
1、砂鬆散堆積密度 
（1）稱取標準容器的質量，測定標準容器的體積 (V)。將標準容器置於下料漏鬥下面，使下料漏鬥對正中心。
（2）用鋁製料勺將試樣裝入下料漏鬥，打開活動門，使試樣徐徐落入標準容器直至試樣裝滿並超出標準容器筒口，移開漏鬥。
（3）用直尺將多餘的試樣沿筒口中心線向相反方向刮平，稱其質量。
2、石鬆散堆積密度 
（1）稱取標準容器的質量及測定標準容器的體積(V)。
（2）取一份試樣，用小鏟將試樣從容量筒上方50mm處加入，至容器上部試樣呈錐體且四周溢滿時。
（3）使表面凸起部分體積和凹陷部分體積大致相等，稱取總質量。
三、數據處理
（一）砂表觀密度 
1、按公式計算砂的表觀密度，精確至10kg/m3。
不同水溫對砂的表觀密度影響的修正係數如下對應：
水溫/℃： 15、 16 、17、 18、 19、 20、 21、 22 、23、 24 、25 
0.002、 0.003、 0.003、 0.004、 0.004、 0.005、 0.005、 0.006、 0.006、 0.007 、0.008 
2、以兩個平行試樣試驗結果的算術平均值作為最後結果。兩次測定結果的差值不應大於20kg/m3 ，否則重做。
（二）石表觀密度 
1、計算石子的表觀密度，精確至10kg/m3。
不同水溫對砂的表觀密度影響的修正係數2、以兩個平行試樣試驗結果的算術平均值作為最後結果。兩次測定結果的差值不應大於20kg/m3  ，否則重做。對於顆粒材質不均勻的材料，兩次測定結果差值若大於該值，可取4次試驗結果的算術平均值。
（三）堆積密度試驗 
1、砂鬆散堆積密度 
（1）計算試樣的散堆積密度，精確至10kg/m3。
（2）以兩個平行試樣試驗結果的算術平均值作為最後結果，精確至10kg/m3。 
2、石子鬆散堆積密度試驗 
（1）計算試樣的鬆散堆積密度，精確至10kg/m3。
（2）以兩次試驗結果的算術平均值作為最後結果。
（四）空隙率 
1、空隙率，精確至1％。 
注意公式中 ρ1——材料的鬆散堆積密度；ρ2——材料的表觀密度。
2、以兩次試驗結果的算術平均值作為最後結果。
四、實驗注意事項
1、砂表觀密度試驗時：
1）加砂後應將粘在容量瓶頸內壁衝洗進容量瓶。
2）水+砂+瓶和水+砂兩次稱量注意瓶塞。
3）趕氣泡時間儘量延長，5min以上。
2、石表觀密度試驗時：
1）加石時應將廣口瓶傾斜。
2）水應加到瓶口高出，蓋玻璃板應水平推移。
3）升降吊籃排除氣泡時，石子不得露出液面。
3、砂堆積密度試驗時：注意不要振動容器筒。
4、實驗的步驟和方法與標準方法中有所差異。《建設用砂》GB/T14684標準中，測定砂表觀密度，水溫應在15~25℃，砂+水+容量瓶的質量要靜置 24小時後進行稱量。《建設用卵石、碎石》GB/T14685標準中，測定石子表觀密度，水溫應在15~25℃，石子和吊籃在水中的質量要靜置24小時後進行稱量。
（1）原材料的選取
水泥：常州金壇盤固水泥集團生產的盤固牌P.042.5級水泥。其理化性能見表1。
粉煤灰：鎮江諫壁電廠生產的華源牌Ⅰ級粉煤灰。其理化性能見表2。
砂：產地江西贛江，細度模數2.2，2.6，2.9三種，含泥量均＜1.0%。
碎石：浙江湖州花崗巖；粒徑5mm～16mm，5mm～25mm偏粗兩種規格，含泥量0.4%，壓碎值6. 7%。

外加劑：江蘇博特新材料有限公司產JM-9高效緩凝減水劑。其性能見表3。

（2）試驗內容
混凝土的工作性也稱為和易性，是指砼拌合物能保持其組成成分均勻，不發生分層離析、泌水等現象，適於運輸、澆築、搗實成型等施工作業，並能獲得質量均勻、密實的砼的性能。它是一項綜合技術性能，包括流動性、粘聚性和保水性三個方面。所謂的拌合物和易性良 好，就是使這三方面的性能，在某種具體條件下得到統一，達到均為良好的狀況。
以下試驗就是從工作性、強度、抗滲性等角度出發，來簡要闡明骨料孔隙率對混凝土性能的 影響。
試驗固定其他因素，以最常用的C30泵送砼為基準配合比：

以此材料配製的混凝土工作性、強度如下：


（3） 試驗結果及分析
從以上結果可以看出，骨料孔隙率對混凝土工作性的影響很明顯，第3、4、5組混凝土基本 無法泵送施工；對混凝土強度的影響最大也達到5MPa，說明骨料孔隙率應當在配合比設計時作為重要參數加以分析；對混凝土抗滲強度影響非常明顯，最大和最小值相差一倍以上。仔細分析坍落度和強度數據，還可得到幾點規律：
① 砂的細度模數越小，混凝土強度越低，但砂的細度過粗導致混凝土離析時強度明顯下 降；
② 碎石的級配明顯影響骨料孔隙率，單級配時強度提高，但工作性很差；
③ 孔隙率最小時，工作性和強度達到最佳平衡點；
④ 骨料孔隙率越小，抗滲等級越大。
（4） 結語
骨料空隙率大小，反映了骨料各個粒級的搭配情況。連續粒級時，混凝土工作性好，拌合物均勻，抗滲等級就高，這和以往人們認為骨料比表面積越小，抗滲等級越高不同，由此說明在混凝土設計時不應僅僅考慮理論規律，更應根據試驗調整配合比達到最佳的工作性，使拌合物均勻，沒有捷徑，空隙率和孔隙率的把控也是從試配中來，沒有哪家的秘方是最好的，只有你的是不是最合適的。這才是使混凝土各個性能達到均衡的要義所在。
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