粉體當量體積法對機制砂混凝土和易性影響的分析

祝潤

摘 要：通過對不同水膠比下機制砂混凝土坍落度、擴展度和抗壓強度的實驗來研究粉體當量體積法對機制砂混凝土配合比設計的影響。實驗結果表明：粉體當量體積法下，不同水膠比機制砂的和易性和抗壓強度均可達到相關規范和設計強度要求。通過對實驗所得數據的分析，從理論上得出不同水膠比的最佳粉體當量體積，為機制砂混凝土的配合比設計提供了技術參考。

關鍵詞：粉體當量體積法；機制砂混凝土；和易性；影響；分析

引言

與天然砂混凝土相比，機制砂混凝土的粘聚性和保水性較差，和易性變異大，難以控制。大量的研究表明機制砂混凝土主要問題為和易性較差，并直接影響硬化后的混凝土強度和耐久性[1]。如何獲得性能優良的機制砂混凝土，以及對與不同的特性的機制砂如何調整混凝土的配合比而獲得較好的和易性，對機制砂混凝土的實際應用有著極其重要的價值。

本論文針對機制砂混凝體的特殊性及存在問題，在傳統的配合比設計基礎上提出了粉體當量體積法的配合比計算方法，通過實驗得出不同水膠比下的粉體當量總體積，并對其和易性和抗壓強度進行測試，根據實驗結果對粉體當量體積法的可行性和機制砂混凝土配合比設計提供參考價值。

1 粉體當量體積法

1.1 粉體當量體積法的定義

粉體當量體積法是由西南交通大學李固華教授首先提出的專門針對機制砂配合比設計的新方法。該方法是在《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）和高性能混凝土全計算法配合比設計的基礎上，針對機制砂混凝土中粉體的特性而提出的。該方法通過確定各種粉體單位體積的用水量，與水泥單位體積用水量之比作為粉體的當量系數。粉體體積乘以當量系數的和作為粉體當量總體積，通過實驗再得出不同水膠比下的機制砂混凝土和易性良好、滿足抗壓強度的粉體當量總體積[2]。

1.2 粉體當量總體積配合比的計算

在JGJ55-2011《普通混凝土配比設計規程》中的配合比設計方法的基礎上，通過實驗測得各種粉體的需水量，與水泥的需水量相比，得到粉體體積當量系數，采用這種方法，來研究粉漿體體體積對混凝土和易性的影響。

1.2.1 粉體當量總體積配合比的計算步驟

（1）根據粉體體積當量系數的定義，確定各種粉體的粉體當量體積系數。

（2）確定水膠比、用水量。

（3）確定膠凝材料用量，并確定確定水泥用量Cb、粉體體積Vf。

（4）通過實驗測得各種粉體的需水量，并與水泥需水量相比，得到粉體體積當量系數。

（5）確定粉體體積Vf，并計算粉體當量總體積Vfd。

（6）計算漿體體積Vj，并計算漿體當量體積Vjd，并采用體積法計算骨料的體積。

（7）計算需加石粉的體積，由假定漿體體積減去水泥、礦物摻合料以及砂中石粉體積。

（8）通過實驗機制砂混凝土的坍落度、擴展度以及抗壓強度來獲得最佳粉體體積。

1.2.2 計算粉體體積當量系數

粉體體積當量系數是根據（GB/T1596-2005）《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中粉煤灰需水量的測定方法，分別測試出實驗中所用的粉煤灰、花崗巖石粉、100目石粉的需水量，然后測得某種粉體的單位體積用水量，所得的結果與水泥的單位體積用水量之比為當量系數。測得水泥的需水量為105g，密度為3.06，計算結果如表1。

表1 各種粉體體積當量系數

2 實驗概況

2.1 實驗設計

按照（GB/T14684-2011）《建筑用砂》中的相關方法測得細集料的表觀密度和空隙率，并按照淘洗法測得機制砂中石粉的含量。按照廣口瓶法測定粗集料的堆積密度和空隙率[3]。配制水膠比分別為0.6、0.55、0.5、0.47、0.44的機制砂混凝土，采用強制式攪拌機拌合，攪拌時間為3min，高效減水劑采用后摻法。試件采用振動臺振動成型，時間為2min。按照（GB/T50080-2002）《普通混凝土拌合物性能實驗方法標準》中的坍落度法測得該組機制砂混凝土的工作性。按照（GB/T50081-2002）《普通混凝土力學性能實驗方法標準》測得混凝土試件的抗壓強度，并測得7d、28d及56d的混凝土抗壓強度。計算不同水膠比下的粉體當量總體積，并對比其坍落度、擴展度和抗壓強度的實驗結果進行分析。

2.2 實驗材料

水泥：P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥性能實驗表明，水泥各項指標均達到國家標準，密度為3.05g/cm3。

礦物摻合料：優質粉煤灰和粒化高爐礦粉。粉煤灰密度為2.13g/cm3。礦粉密度為2.80g/cm3。

粗集料：粒徑5～16mm和16～25mm兩種粒級碎石分別按40%、60%的摻配使用，符合國家標準規定的Ⅱ類骨料。表觀密度為2715g/cm3、緊致堆積密度為1685g/cm3、含泥量為3%、含水率為2%。

細集料：主要成分為花崗巖，含少量的砂巖及石灰巖的機制砂，表觀密度為2.68g/cm3，砂中石粉含量為12.5%，石粉密度為2.67g/cm3、需水量比為1.05。

減水劑：高性能減水劑。減水率為30%，含氣率為3%。

石粉：細度為200目的石粉，密度為2.63g/cm3、比表面積為1638g/cm3、需水量比為1.06。

水：混凝土拌合及養護用水均為自來水。

3 實驗步驟

3.1 粉體當量體積法下，不同水膠比的機制砂混凝土配合比的計算

根據粉體當量體積的計算步驟，對不同水膠比的粉體當量總體積和粉體當量總體積進行計算。在不外加石粉的情況下，計算水膠比分別為0.6、0.55、0.5、0.47、0.44時的機制砂混凝土的粉體當量體積，并測得相應的坍落度、擴展度和抗壓強度值。首先對水膠比為0.6的混凝土的粉體當量體積進行計算，細集料采用機制砂，粉煤灰含量為40%。具體如下：

當水膠比為0.6時，加入水170kg，計算膠凝材料Cb、水泥量：

Cb=170/0.6=283.33kg

由于粉煤灰含量為40%，則水泥含量為60%，水泥量=283.33×0.6=170kg。

膠凝材料漿體體積=170/3.05+283.33×0.4/2.13+170=278.9L

粉體當量總體積=170/3.05+（283.33×0.4/2.13） ×0.837+811.37×0.125×0.996/2.68=140L

粉漿體當量總體積=140+170=310L

按照上述計算步驟，使用粉體當量法將五組不同水膠比的配合比進行計算，計算結果見表2。

3.2 不同水膠比時，機制砂混凝土的和易性

將以上5組機制砂混凝土拌合物按照《普通混凝土拌合物性能實驗方法標準》（GB/T50080-2002）中規定的坍落度和坍落擴展度實驗方法進行測試，經測試結果如表3。

表3 不同水膠比細機制砂混凝土的坍落度和擴展度

3.3 不同水膠比時，機制砂混凝土的抗壓強度

將5組編號的機制砂混凝土按照《普通混凝土力學性能實驗方法標準》（GB/T50081-2002），試件尺寸采用100mm×100mm×100mm的立方體試件，成型后在溫度為20±2℃，相對濕度為95%以上的標準養護室中，分別養護7d、28d和56d，并測試各試塊的抗壓強度。經測試，其抗壓強度值見表4：

表4 不同水膠比下機制砂混凝土的抗壓強度

4 實驗結果分析

（1）表2到表4為粉體當量體積法下的不同水膠比機制砂的和易性和抗壓強度的實驗結果。該實驗為未填加石粉的不同水膠比的機制砂混凝土拌合物的粉體當量總體積。從表2中可以看出水膠比由0.6減小到0.43，膠凝材料漿體體積也隨之由278.9L減小到270L，實驗結果均符合（JGJ55-2011）《普通混凝土配合比設計規程》中規定的不同水膠比時的最小膠凝材料用量規定。所需要的粉體當量總體積由139.7L增加至161.6L，由此可以看出，當水膠比在和粉漿體當量體積在增加。表3為不同水膠比下機制砂混凝土的坍落度和擴展度檢測結果，可以看出粉體當量體積法下的不同水膠比的坍落度和擴展度是不一樣的。不同的水膠比通過粉體當量體積法來設計配合比的機制砂混凝土，通過其坍落度和擴展度測試結果反映了，該配合比設計方法下的混凝土的和易性符合要求的，說明粉體當量體積法用以進行混凝土配合比設計的可行性。由表4可知，混凝土經過7d、28d和56d的標準養護抗壓強度可達到33.65～55.99MPa，均達到抗壓強度的要求。

（2）結合表2到表4可以看出，在表2的配合比下，膠凝材料用量在很低的情況下，抗壓強度是可以滿足規范要求的，可以作為平衡混凝土質量、消耗和成本的重要參照因素。

（3）在配制高性能混凝土時，必須具有一定的漿體。在保持水膠比不變的情況下，水泥漿量的過多會使得混凝土拌合料出現崩塌現象，反之則會出現流漿和泌水現象，且會增加水泥的用量[4][5]。所以在混凝土強度滿足的條件下，滿足混凝土和易性需要達到一定的漿體體積。粉體當量體積的提出則可以為配置機制砂混凝土提供依據。

5 結束語

通過對粉體當量體積法下，不同水膠比機制砂混凝土的和易性和抗壓強度的實驗和分析，可以看出粉體當量體積法是具有可行性的，對優化現有的機制砂混凝土配合比設計、合理改善機制砂混凝土和易性具有一定的參考價值。本文僅僅研究了粉體當量體積法下，這是由于水膠比是影響混凝土強度和和易性的重要因素，是其可行性研究的基礎。除此之外，砂率、礦物摻合料及外加劑對機制砂混凝土的和易性亦具有影響，綜合考慮以上因素是繼續研究粉體當量體積法配合比設計方法的重要方向。

參考文獻

[1]王保國.機制砂高性能混凝土的試驗研究與應用[J].工程與試驗，2011（6）28-31.

[2]于春輝.低強度高性能機制砂混凝土和易性的研究[D].西南交通大學，2013.

[3]GB14684-2001 建筑用砂[S].

[4]黃鶴，牛一凡.機制砂的性能及其對混凝土性能的影響[J].價值工程，2011，104-105.

[5]黃士元.近代混凝土技術[M].西安：科學技術出版社，1998.