砂率是指单位混凝土拌合物中砂子的质量与砂、石总质量的百分率,是混凝土配合比重要参数之一,砂率一旦确定粗细骨料比例相对确定。砂子的作用是填充石子间的空隙,用砂浆包裹在石子的外表面以减少石子间的摩擦,使混凝土具有一定的流动性。砂率的变动会使石子间的空隙率和总表面积有显著的变化,因而对混凝土拌合物的工作性产生较大的影响。砂率过大,石子间的空隙率和总表面积都会增大,在水泥浆用量不变的情况下,相对的水泥浆少了,拌合物的流动性降低;若砂率过小,又不能保证石子之间有足够的砂浆层,也会降低拌合物的流动性,并严重影响其粘聚性和保水性易造成流浆和离析现象。简言之,合理砂率可以在浆体量不变的条件下,混凝土拌合物获得较高的流动性。
砂与浆体组成的砂浆填充在粗骨料的空隙内,形成混凝土拌合物的一个级配链节。随着砂率由小到大的变化,混凝土拌会依次形成骨架空隙结构、骨架密实结构、骨架悬浮结构、悬浮密实结构,悬浮密实结构是大体积混凝土的基本结构。
砂颗粒比表面积较粗骨料大,随着砂率的增加,细颗粒变多,比表面积增大,吸附在骨料表面的水分增多,起到良好的保水作用。此外,砂率增加使砂浆中的砂含量增多,在用水量不变的情况下,砂浆稠度增加,保水性能提高。
浆体与砂组成的砂浆填充于粗骨料颗粒间的空隙,并包裹在粗骨料表面起润滑作用,减小粗骨料颗粒间的摩擦力,增加混凝土拌合物的流动性。当砂率偏小时,过少的砂与浆体组成的砂浆不足以包裹粗骨料表面,无法发挥所需的润滑作用。随着砂率的增加,粗骨料周围包裹的砂浆膜适中,所产生的润滑作用显著,可以提高拌合物的流动度。当砂率过大时,在浆体量固定不变的条件下,细骨料的总表面积增大,浆体数量相对减少,会削弱浆体所产生的润滑作用导致混凝土拌合物流动性降低。
在水胶比,胶凝材料用量一定时,砂率总存在一个最佳值,即在该砂率值时,混凝土工作性相对最佳。混凝土最佳砂率应结合原材料和所配制的混凝土情况,依据试验确定,不能生搬硬套。
(5)石子的空隙率越小,最佳砂率也越小。连续级配的碎石的最佳砂率比单粒级石子的砂率小约2%;
(6)混凝土坍落度越大,砂率越大,坍落度变化20mm,砂率相应变化1%,用水量约多5kg左右。
粗骨料在混凝土中起到骨架作用,增加粗骨料用量,可以提高混凝土体积稳定性。粗骨料的最大粒径越大、粒形与级配越好、空隙率越小,填充空隙的砂浆越少,粗骨料用量就越大;砂细度模数大,砂的平均粒径粗,填充到粗骨料的空隙之间,挤开粗骨料的程度大,填充的砂浆体积增大,粗骨料的用量相应降低,砂细度模数小,对粗骨料的空隙的影响较小,粗骨料的用量增加。美国标准《常规、重量级和大体积混凝土选择比例的惯例》ACI211.1-91(2002年再次核准)体现了上述论述,见表1。
由表1查得粗骨料捣实的堆积体积后,乘以粗骨料的捣实堆积密度,就可以得到1m3混凝土的粗骨料用量。但粗骨料的捣实密度与捣实程度有关,捣实程度很难统一,粗骨料的捣实堆积密度很难保持一致。尽管如此,可以利用砂的细度模数与粗骨料用量之间的关系,调整两者的用量比例,使混凝土获得良好的工作性。
如果把混凝土看成有粗骨料和砂浆两部分构成,粗骨料间的空隙有砂浆填充,砂浆体积与粗骨料的体积是此消彼长的关系,浆体的用量大,粗骨料的用量就小。如果砂浆刚好填满粗骨料的空隙,则混凝土没有流动性,即坍落度为0mm。为了使混凝土具有流动性,砂浆填充粗骨料的空隙并有一定的富余,多余的砂浆包裹在粗骨料的表面起润滑作用,这样,在粗骨料重力的作用下才具有运动的能力。砂浆的富余系数越大,混凝土的坍落度越大,砂浆的体积也越大,粗骨料的体积相对较小。当砂的细度模数与粗骨料的最大粒径相同时,粗骨料的单方用量与混凝土坍落度有关,粗骨料单方用量的参考值见表2。砂的细度模数变化0.1,粗骨料相应用量变化1%。