混凝土下料过程中骨料离析机理及控制策略研究

1 混凝土下料过程中骨料运动的力学基础

混凝土下料过程中骨料的运动行为本质上受力学规律支配。当混合料从高处下落时，不同组分因物理特性差异产生速度梯度，粗骨料因密度大、粒径大，所受重力作用显著大于粘滞阻力，呈现加速下沉趋势；细骨料和水泥浆则因粘滞效应较强而运动滞后，这种速度差是导致离析的核心力学机制。

从受力分析角度看，单个骨料在下落过程中主要受到重力、浮力、粘滞阻力和碰撞力的综合作用。重力促使骨料向下加速运动，而浮力与粘滞阻力则形成阻碍。根据斯托克斯定律，粘滞阻力与骨料粒径、运动速度及浆体粘度成正比。粗骨料因粒径较大，其粘滞阻力增长速率低于重力增量，导致净加速度增大；细骨料则因粒径小，更易达到受力平衡状态而保持相对稳定。杨寒冰通过实验观测发现，粒径超过 20mm 的骨料在下落1 米后速度可达细骨料的1.5 倍以上，这种差异直接造成混合料的分层离析。

碰撞效应进一步加剧了离析的复杂性。骨料与模板、其他骨料或空气的碰撞会改变其运动轨迹和速度。大粒径骨料碰撞后动能损失较小，更容易穿透浆体继续下沉；小粒径骨料则因碰撞后动能急剧衰减而滞留上层。这种选择性沉降过程使得骨料在下料终点呈现明显的空间分异特征。值得注意的是，浆体的流变性能对碰撞效应具有调节作用——粘度较高的浆体能有效吸收碰撞能量，减少骨料的二次飞散，从而降低离析程度。

从能量转换视角分析，骨料下落过程实质是势能向动能的转化。粗骨料因质量较大，其动能积累更快，当冲击模板底部时，部分动能转化为使骨料重新排布的内能，导致底部区域骨料密集堆积。而细组分因动能不足，难以穿透已形成的粗骨料骨架，被迫聚集于表层。这种能量分配差异解释了为何下料高度增加会显著恶化离析状况——高度越大，粗骨料获得的末速度越高，对混合料均匀性的破坏作用越强。

矿物掺合料的引入可改变上述力学平衡。如矿渣粉等活性材料能增加浆体粘聚力，使粘滞阻力随骨料速度的提升而更快增长，从而抑制粗骨料的过度沉降。这种调控作用在高层建筑泵送施工中尤为重要，通过优化掺合料配比，可在不降低流动性的前提下增强混合料的抗离析能力。

2 骨料离析的实验研究与机理分析

2.1 实验设计与方法

为系统研究混凝土下料过程中骨料离析的演变规律，本章采用控制变量法设计系列实验，重点考察材料配比与下落高度对离析程度的影响。实验在6 月至8 月期间完成，所有试件均在国家建材检测中心标准实验室（温度 20±2^∘C ，相对湿度 60±5% ）制备并测试。

实验材料选用 P⋅ 042.5 普通硅酸盐水泥，粗骨料为 5-20mm 连续级配碎石，细骨料采用细度模数2.6 的中砂。为模拟不同离析条件，设置三组变量参数：第一组调整粗骨料占比（ ），第二组改变砂率（ 35% 、40% 、 45% ），第三组控制下落高度（1m、2m、3m）。每组实验重复三次以确保数据可靠性。

实验装置由垂直下料筒、分层取样器和高速摄像系统组成。下料筒采用透明有机玻璃制作，内径 300mm 、高度 3.5m ，筒壁标有刻度线以便观察骨料分布。分层取样器为可拆卸式结构，能在下料终点按 50mm 间隔分层采集试样。高速摄像机以每秒200 帧速率记录骨料下落轨迹，后期通过图像处理软件分析骨料空间分布。

实验流程分为四个步骤：首先按配比称量各组分，采用强制式搅拌机拌合90 秒形成均匀混合料；其次将拌合物装入顶部料斗，通过电磁阀控制下料过程；下落完成后立即用分层取样器获取各高度段试样；最后对试样进行湿筛分析，测定粗骨料含量随高度的变化梯度。为量化离析程度，定义离析指数SI 为底部与顶部粗骨料含量比值，该值越大表明离析越严重。

质量控制方面采取三项措施：所有骨料使用前经筛洗烘干处理，确保含水率低于 0.5% ；搅拌时间精确控制，避免过度搅拌导致浆体分层；下料过程保持筒体垂直，减少侧向扰动。实验数据通过SPSS 软件进行方差分析，验证各因素对离析影响的显著性。

2.2 结果分析与离析机理讨论

实验结果显示，不同变量参数对混凝土离析程度的影响呈现显著差异。在粗骨料占比变化组中，当粗骨料比例从 40% 增至 60% 时，离析指数SI 呈现非线性增长趋势。特别是当粗骨料占比超过 50% 后，SI 值增幅明显加快，表明此时砂浆已难以完全包裹骨料颗粒，导致粗骨料更易突破浆体束缚而下沉。分层取样数据证实，高比例粗骨料试样的底部区域出现明显的骨料堆积带，其粗骨料含量可达顶层的2 倍以上，这与施工现场常见的“石窝”现象高度吻合。

砂率调整组的实验结果揭示了细骨料的调控作用。随着砂率从 35% 提升至 45% ，各高度段的粗骨料分布均匀性明显改善。分析认为，适当增加细骨料比例能优化混合料的级配结构，使砂浆充分填充粗骨料间隙，增强整体粘聚性。值得注意的是，砂率提升至45%时，虽然离析程度降低，但试样流动性有所下降，说明砂率设置需兼顾抗离析性能与施工和易性。通过高速摄像记录可观察到，较高砂率条件下骨料下落速度梯度减小，粗、细组分基本保持同步运动，验证了细骨料对离析的抑制作用。

下落高度变量的影响尤为突出。当高度从1 米增至3 米时，所有配比试样的离析指数均呈倍数级增长。运动轨迹分析显示，粗骨料在下落过程中持续加速，而细组分因空气阻力和粘滞效应较早达到终端速度，二者速度差随高度增加不断扩大。3 米高度下料时，粗骨料冲击模板底部的动能足以破坏已形成的均匀结构，导致严重的竖向分层。

基于流体力学理论，骨料离析本质上是不同密度组分在重力场中的分选过程。粗骨料因密度大、粒径大，所受重力远大于粘滞阻力，呈现持续加速状态；砂浆则因粘滞性强，运动速度增长缓慢。这种速度差导致粗骨料“穿透”浆体下沉，细组分被迫上浮，形成竖向分离。实验观察到，离析最严重的时刻发生在下料结束后的静置阶段，此时粗骨料在自重作用下继续调整位置，直至浆体初凝锁定其分布状态。

碰撞效应在离析过程中扮演重要角色。高速摄像记录显示，粗骨料在下落过程中与筒壁或其他骨料碰撞后，其运动轨迹会发生偏转，部分骨料甚至出现水平位移。这种碰撞使粗骨料获得额外的动能，进一步加剧其沉降趋势。相比之下，细骨料碰撞后动能损失较大，更易被浆体捕获而保持悬浮状态。

结合实验结果与理论分析，离析控制应重点关注三个关键环节：首先在材料层面，需严格控制粗骨料占比不超过 50% ，砂率宜保持在 40% 左右，以平衡抗离析性能与施工流动性；其次在工艺层面，建议将最大下料高度控制在2 米以内，超高部分采用串筒或溜槽辅助下料；最后在操作层面，应避免下料后的过度振捣，防止破坏已形成的均匀结构。

结语

混凝土下料过程中的骨料离析主要由粗骨料与砂浆的运动速度差异导致，当粗骨料占比超过 50% 或下落高度大于 2 米时，离析风险显著增加。适当提高砂率至 40% 左右能有效改善混合料均匀性，但需兼顾施工和易性。基于流体力学理论证实，骨料密度差引发的速度梯度是分离的核心机制，碰撞效应会进一步加剧粗骨料的沉降趋势。

参考文献

[1] 杨寒冰.大粒径骨料心墙沥青混凝土离析特性[J].《科学技术与工程》，2025，(13)：5602-5608.

[2] 张云国.自密实轻骨料混凝土抗离析性控制与试验方法[J].《大连理工大学学报》，2010，(2)：234-238.