配合比參數對全機制砂混凝土性能的影響研究

鄭忠雙，李志坤，蘇禮清

（1福建省建設工程質量安全監督總站 福建福州 350001 2重慶市建筑科學研究院 重慶 400020）

前言

目前，我國多數地區在生產混凝土時仍以天然砂作為主要的細骨料，而天然砂是一種地方性資源，短期內不可再生，也不利于長距離運輸。隨著我國基礎設施建設的日益發展，不少地區天然砂資源逐漸短缺，甚至出現無砂可用的狀況，混凝土用砂供需矛盾尤為突出。

重慶地區缺乏天然中砂資源，隨著三峽水庫的蓄水，長江特細砂質量越來越差，且逐漸短缺、價格上漲，同時出于環境保護的需要，應用機制砂完全替代天然砂生產混凝土已勢在必行。

目前，全機制砂混凝土的概念尚未正式提出，缺乏相應的設計理念，對一些影響全機制砂混凝土配制的敏感因素 （級配、石粉含量、砂率等）缺少系統性研究。因此，在配制全機制砂混凝土時，基本沿襲了天然砂混凝土配制方法，而忽視了機制砂與機制砂混凝土的特性，從而使工程技術人員難以掌握。

本文通過試驗研究配合比設計參數對全機制砂混凝土性能的影響，并找出各參數的適宜取值，為全機制砂混凝土的配制提供試驗依據。

1 主要原材料

水泥：拉法基P.O42.5R水泥，重慶拉法基水泥有限公司生產。

骨料：細骨料采用機制砂，重慶美心砂石公司生產；粗骨料采用石灰石碎石，重慶中梁山產，性能指標見表1，分為5～10mm和10～20mm兩個粒級，二者按照3∶7的比例搭配使用。

表1 試驗用粗骨料

礦物摻合料：粉煤灰采用II級粉煤灰，重慶珞璜電廠生產。

混凝土外加劑：GRP-500型泵送劑，重慶市建研科技有限責任公司生產。

拌合水：普通自來水。

2 試驗方法與方案設計

2.1 機制砂試驗方法

機制砂的篩分試驗與細度模數、石粉含量測定按《建筑用砂》（GB/T 14684-2001）規定方法進行。

2.2 混凝土試驗方法

混凝土拌合物性能試驗：混凝土工作性測試指標包括坍落度、擴展度以及和易性等指標，試驗按照《普通混凝土拌合物試驗方法標準》（GB/T50080-2002）規定進行。

混凝土立方體抗壓強度試驗方法：混凝土立方體抗壓強度按照 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）規定進行。

2.3 試驗方案設計

本試驗所采用的混凝土配合比參照 《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2000）進行設計，研究某個配合比參數對全機制砂混凝土性能的影響時，固定其他參數。

3 試驗結果與討論

3.1 水灰比

早在1918年，Duff Abrams就闡明了混凝土強度的水灰比定律，對于給定的材料，混凝土的強度與膠水比成正比關系。至今Abrams定律還是指導混凝土配合比設計的核心。試驗比較了不同水灰比的天然中砂混凝土和機制砂混凝土的抗壓強度，試驗結果見圖1。

圖1 水灰比對混凝土強度的影響

從圖1可以看出，對于天然砂混凝土（圖中下方曲線），抗壓強度隨著水灰比的減小而增加，相關性較好，滿足水灰比定則。對機制砂混凝土，也表現出與天然砂混凝土相同的規律，只是在同水灰比的情況下，機制砂混凝土的強度稍稍高于天然砂混凝土，造成這種現象的原因有四個方面：其一，機制砂的主要成分是碳酸鈣，處于高濃度氫氧化鈣中，其表面會發生微弱化學反應，而天然砂成分中二氧化硅含量高，不能發生類似反應；其二，機制砂不僅質地堅硬、有新鮮界面、表面能高，且表面粗糙、棱角多，這均有助于提高界面的粘結；其三，機制砂中的石粉在水泥水化中起到了晶核的作用，誘導水泥的水化產物析晶，加速水泥水化并參與水泥的水化反應，生成水化碳鋁酸鈣，并阻止鈣礬石向單硫型水化硫鋁酸鈣轉化；其四，機制砂中石粉的顆粒粒徑小，在混凝土中發揮與粉煤灰類似的“形態效應”，填充混凝土中的孔隙，使混凝土變得更密實而提高強度。

由上可知，相比于天然砂混凝土，Abrams的水灰比定律對機制砂混凝土同樣有效，因此，機制砂混凝土可以采用水灰比定律來設計配合比。

3.2 砂率

由于機制砂表面粗糙，棱角多，且石粉含量普遍較高，從而導致機制砂混凝土和易性較易出現極端情況。砂率稍小，就容易出現離析泌水現象，砂率偏大時則表現為粘性過大，流動性顯著降低，因此，砂率的選擇對高性能機制砂混凝土的重要性顯得尤為重要。本試驗針對這種情況專門研究了砂率對機制砂混凝土的影響，如表2所示。

表2 砂率對機制砂混凝土性能的影響

選擇合理砂率除使混凝土獲得最佳的和易性之外，還能使混凝土結構最密實化，這樣的混凝土的強度與耐久性應該是比較理想的。圖2和圖3在保持基本配合比不變的前提下，對比了不同砂率下混凝土和易性及強度變化趨勢。

圖2 砂率對坍落度的影響

圖3 砂率對強度的影響

在水泥漿量一定的情況下，砂率在混凝土中主要影響和易性。在混凝土配制中存在最佳砂率，砂率過低導致混凝土漿體含量不足，使混凝土的和易性變差，砂率過大，使混凝土需水量增大，使混凝土拌和物干澀；砂率過高又會使混凝土的粘度過大，影響混凝土的流動性能。在本試驗中，可以看出砂率在37%～43%工作性較好。

圖4 砂率41%的機制砂混凝土與天然砂混凝土的對比

通過與中砂對比（見圖4），在同砂率下，天然中砂混凝土的坍落度高于機制砂，且粘性較低，易于泵送，這主要是由于河砂的粒形較圓，且級配較為合理造成的。

隨著機制砂砂率的增大，7d抗壓強度基本保持在30MPa左右，28d強度保持在37.0MPa左右，說明水灰比一定的情況下，砂率對機制砂混凝土的強度影響不大。

3.3 級配與細度模數

試驗對比了同一砂場生產的兩種機制砂，分別為X樣品和Y樣品，其中X樣品的細度模數為2.8，屬中砂，Y樣品的細度模數為3.8，屬粗砂，二者的級配曲線見圖5和6。

試驗表明，機制砂通過降低細度模數可以改善其級配，而且達到中砂范疇的機制砂的級配接近級配2區的要求。此外，對比兩種砂拌制的混凝土（見表3），可以發現，在同水灰比的條件下，細度模數和級配對混凝土的強度影響不大，但對混凝土的坍落度與和易性影響很大。

圖5 樣品X的級配區曲線

圖6 樣品Y的級配區曲線

表3 不同級配的機制砂混凝土的性能

因此，機制砂的細度模數宜控制在中砂范圍。

3.4 膠凝材料用量

機制砂的級配不如中砂，要保證預拌混凝土的和易性，具備可泵送的性能，就必須使用更多的膠凝材料來填充空隙，潤滑砂石。對于低強度等級的混凝土，由于水泥用量少，膠凝材料總量偏少，因此，機制砂混凝土的膠凝材料應滿足一個最低用量，才使其具備較好的可泵性能。試驗采用C20配合比，通過增加粉煤灰用量來提高膠凝材料的總量，試驗結果見表4。

表4 膠凝材料用量對機制砂混凝土可泵性的影響

表4的數據顯示，當機制砂混凝土的膠凝材料用量（包括粉煤灰用量）小于330kg/m3時，混凝土的粘聚性和保水性較差，難以滿足泵送要求。因此，為了滿足混凝土的可泵性，機制砂混凝土的膠凝材料總量不應小于330kg/m3。

3.5 石粉含量

試驗對比了不同石粉含量的機制砂混凝土的工作性能和力學性能，試驗結果見圖7和圖8。

圖7 石粉含量對坍落度的影響

圖8 石粉含量對強度的影響

圖中結果顯示：隨著機制砂中石粉含量的增加，當石粉含量大于5%時，全機制砂混凝土的工作性和力學性能有明顯的提高，尤其是當石粉含量達到7%時，工作性能和強度達到最佳；當石粉含量超過10%時，混凝土的坍落度明顯下降，由于混凝土中粉體含量過多，導致漿體中自由水量過少，混凝土拌和物和易性下降。

所以，可以通過提高機制砂的石粉含量來改善全機制砂混凝土的工作性，石粉含量應大于5%，以石粉含量7%最佳，但不應超過10%。

4 結論

（1）Abrams的水灰比定律對全機制砂混凝土同樣有效，因此，機制砂混凝土可以采用水灰比定律來設計配合比。

（2）在配制全機制砂混凝土時，砂率宜控制在37%～43%。

（3）在配制全機制砂混凝土時，機制砂的細度模數宜控制在中砂范圍。

（4）在配制全機制砂混凝土時，為保證混凝土具有良好的和易性，膠凝材料總量不應小于330kg/m3。

（5）用于配制全機制砂混凝土的機制砂含粉量宜控制在5～10%。

[1]朱俊利，郎學剛，賈希娥.機制砂生產現狀與發展[J].礦冶.2001，10(4).

[2]周大慶，張道友，趙華耕，周明凱，川建平等.機制砂高性能混凝土配合比設計的研究 [J].國外建材科技，2005，26(3).

[3]李美利.機制砂中石粉含量對混凝土抗壓強度的影響[J].河南建材，2001，3.

[4]路文典.人工砂石粉含量超標對常態強混凝土性能的影響試驗研究[J].山西水利科技，2000(4).

[5]吳明威，付兆崗，李鐵翔，等.機制砂中石粉含量對混凝土性能影響的試驗研究[J].鐵道建筑技術，2000，(4).

[6]鄭金炎，吳躍群.人工砂在商品混凝土中的應用[J].建材技術與應用，2004，(6).