機制砂混凝土配合比設計參數選擇的研究

于新榮詹鎮峰李從波

（1佛山市鴻獅混凝土有限公司；2廣州大學土木工程學院）

機制砂混凝土配合比設計參數選擇的研究

于新榮1詹鎮峰2李從波2

（1佛山市鴻獅混凝土有限公司；2廣州大學土木工程學院）

機制砂中的石粉含量影響著單位用水量、砂率等參數選擇。本文在試驗的基礎上，探討了機制砂石粉含量對水灰比與強度關系、單位用水量以及砂率等參數的影響，提出對水灰比與強度關系，以及單位用水量、砂率選擇的修正公式，希望本文的試驗結果對機制砂配合比設計有參考作用。

機制砂；石粉；混凝土配合比；設計參數

由于天然砂資源的匱乏，機制砂作為混凝土細骨料的替代材料，正被越來越廣泛地應用于各種工程建筑中。與天然砂相比，機制砂的特證表現為：顆粒粒型粗糙，級配差，含有一定量的細顆粒（石粉）等。用機制砂配制混凝土時，由于機制砂的顆粒粒型粗糙和級配差的原因，如果砂率選擇不當，容易出現拌合物干澀、泌水等現象，同時，也由于機制砂含有一定的石粉使得單位用水量要高于河砂。但實踐證明只要配合比設計恰當，利用機制砂同樣可以配制滿足工程要求的混凝土。作者通過對機制砂混凝土配合比的試驗和總結，分析了石粉含量對機制砂混凝土的水灰比與強度關系的影響，以及對單位用水量和砂率選擇的影響，并提出對水灰比與強度關系，以及單位用水量、砂率選擇的修正公式，希望本文的試驗結果對機制砂配合比設計有參考作用。

1　原材料

水泥：韶關昌山水泥廠有限公司生產，粵海牌中熱硅酸鹽水泥，強度等級為P·MH42.5。

粗骨料：石灰石，20～40mm，5～20mm二級配，m（20～40mm）：m（5～20mm）=60：40。

細骨料：機制石灰石巖人工砂，原石粉含量為12.2%，細度模數為2.8；天然砂：細度模數為2.7。

2　試驗方案及配合比

將機制砂晾干后，用0.016mm的篩篩除石粉，并按試驗要求配制不同石粉含量的機制砂。機制砂混凝土配合比設計流程、混凝土配制強度的確定、膠凝材料以及砂石骨料用量的計算與河砂混凝土相同，按JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》進行。

表1、表2分別為12%石粉含量的機制砂和河砂，不同水灰比下混凝土配合比及性能，表3為不同石粉含量機制砂混凝土配合比及性能。

表1　采用石粉含量為12%的機制砂配制混凝土

表2　采用河砂砂配制混凝土

3　試驗結果與分析

3.1石粉含量對水灰比與強度關系的影響

表1、表2分別為不同水灰比下，機制砂、河砂混凝土的強度結果，對表1、表2數據處理，與灰水比進行線性回歸，得出圖1的結果，其線性回歸方程式見式1～式4。

機制砂：

R7=16.791C/W-0.2246R2=0.9941（式1）

R28=12.563C/W+16.178R2=0.9789（式2）

天然砂：

R7=14.808C/W+0.9348R2=0.9899（式3）

R28=12.598C/W+11.853R2=0.9865（式4）

眾所周知，混凝土的強度與灰水比在一定范圍內是呈現出線性關系。圖1的結果可以看出：

圖1　機制砂與天然砂混凝土的強度與灰水比關系

圖2　石粉含量與混凝土強度關系

⑴機制砂混凝土的強度與灰水比關系與天然砂一樣表現出良好的線性關系，且相關系數均在0.97以上。

⑵機制砂混凝土的7d和28d強度關系線均在河砂的上方，這說明在同樣水灰比下，機制砂的強度高于河砂，由于本試驗采用的機制砂母巖是石灰石，而石灰石粉在水泥水化過程中能起到晶核和微集料的效應，提高混凝土的強度，即是說一定的石粉含量對混凝土強度有增強效果。

表3和圖2為三種水灰比下，不同石粉含量的強度結果，式7～式12為線性回歸方程式。該試驗結果也驗證了石灰石粉的增強效應，尤其是水灰比0.55時，石粉的增強效果更為明顯，強度與石粉含量的相關性更好，7d和28d的線性相關系數均大于0.98，如式9、式12所示。

以上的試驗結果證明了石粉對混凝土強度的增強作用，因此，以機制砂來配制混凝土時，考慮石粉的增強效應，可以對現有的水灰比計算公式作適當的修正，以本試驗為例，參照以上的試驗結果，在相同水灰比下，12%石粉含量的機制砂 28d強度比河砂高 4.1～4.5MPa，即：R機，12=R河+（4.1～4.5）MPa，其中：R機，12為12%石粉含量的機制砂強度，R河為河砂混凝土強度。石粉含量在6%～21%范圍內，某一石粉含量的機制砂混凝土R機=R機，12+（φ-12）×k，與河砂相比的增加量為：

ΔR=（4.1～4.5）+（φ-12）×k

其中φ為石粉含量，其值在6%～21%之間；

k線性回歸線的斜率，其值在0.481～0.738之間。

根據鮑羅米公式，機制砂的配制強度fcu，o與灰水比的關系可修正為

fcu，o，機=αafce（C/W-αb）+ΔR（式5）

或：

W/C=αafce/（fcu，o，機+αaαbfce-ΔR）（式6）

修正后公式的意義在于：與河砂相比，采用機制砂配制同樣強度的混凝土，因石粉的增強效應，其水灰比可隨石粉含量的增大而提高，反之，減小。

R7=0.4343φ+35.404R2=0.9176（W/C=0.35）（式7）

R7=0.4962φ+28.751R2=0.9769（W/C=0.45）（式8）

R7=0.6048φ+21.452R2=0.9835（W/C=0.55）（式9）

R28=0.5648φ+42.092R2=0.9057（W/C=0.35）（式10）

R28=0.481φ+36.09R2=0.959（W/C=0.45）（式11）

R28=0.7381φ+26.452R2=0.9955（W/C=0.55）（式12）

表3　不同石粉含量機制砂混凝土配合比

表4　采用石粉含量為12%和18%的機制砂配制混凝土

3.2單位用水量的選擇

單位用水量大小的選擇取決于坍落度大小的要求以及砂、石的粗細，但對于機制砂而言，除了以上的因素之外，石粉含量的差異，也是影響單位用水量選擇的一個重要因素。

相比于河砂渾圓的顆粒外形，機制砂顆粒表面粗糙，棱角多，同時含有一定量的石粉，因此，配制同樣坍落度的混凝土，其單方用水量高于河砂，表1、表2的試驗結果驗證這一結論，從表中的試驗結果可以看出，以12%石粉含量的機制砂，配制與河砂相同（或相近）的坍落度，其單方用水量比河砂約高20kg。

表4為機制砂的石粉含量分別為12%、18%，固定W/C=0.50，無摻外加劑的情況下，混凝土的坍落度隨單位用水量變化的變化情況，圖3為對兩者的線性關系圖。

從圖3可以看出，用水量和坍落度呈現出良好的線性關系，線性相關系數均超過了0.95，同時由表3中的數據可以計算出：當石粉含量為12%時，坍落度增加2cm，單位用水量大約需增加8kg/m3；當石粉含量為18%時，坍落度增加2cm，單位用水量大約需增加8.5kg/m3，而同樣條件下，河砂混凝土拌合物的坍落度每增加2cm，單位用水量大約需增加5kg/m3，低于機制砂，其原因在于機制砂含有較多的細顆粒（石粉）。

對表3的數據進行分析處理還得出：水灰比0.35～0.55，石粉含量6%～21%之間，石粉含量每增加10%，同樣的單位用水量，其坍落度減小約1.6cm。

基于以上的試驗數據，以12%石粉含量為參照樣，機制砂混凝土的單方用水量（W機制砂）可參照公式（式13）來計算

W機制砂=W表+20+0.16×4×（φ-12）

即

W機制砂=W表+0.64φ+12.32（式13）

式中：W表為JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》表5.2.1-2中的選值；

φ為石粉含量，其值在6%～21%之間。

圖3　單位用水量與坍落度的關系

3.3砂率的選擇

機制砂總體上細度模數偏大，級配欠佳，級配呈現兩頭大、中間小的現象，同時顆粒表面粗糙、棱角尖銳，縱長比較大、扁平比較小，不及河砂渾圓，顆粒之間存在架橋、摩擦、阻滯作用，含有一定量的石粉，機制砂砂漿更粗澀，流動度更低，對粗骨料的潤滑作用較河砂砂漿小，為了保證機制砂混凝土具有較好的工作性，往往要提高砂率。

表5為機制砂和河砂混凝土配合比。配合比設計中，選用相同的單位用水量以確保膠材用量相同，通過外加劑摻量變化調節拌合物的坍落度。從表5可以看出，機制砂的砂率高于河砂，以石粉含量為12%砂為參照樣，水灰比為0.55時，機制砂的砂率增大了3%；水灰比為0.45時，機制砂的砂率增大了2%。同時隨著石粉含量的增加，砂率的選擇可逐漸減小，綜合表5以及表3等試驗數據，認為石粉含量每增加3%，砂率相應減少0.5%；因此，人工砂砂率Sp人的選擇可參照公式式14來計算：

Sp人=Sp河+（2%～3%）-（φ-12%）/6（式14）

其中Sp河按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》中表5.4.1選擇；φ為石粉含量，其值在6%～21%之間。

表5　不同石粉含量機制砂及天然砂混凝土配合比

4　結語

用機制砂配制普通混凝土同樣可以按照現行的JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》進行，但由于機制砂含有一定量的石粉，這使得在強度與水灰比關系、單位用水量和砂率等參數的選擇等方面有別于天然砂。本文在試驗的基礎上，分析了機制砂石粉含量對強度與水灰比關系、單位用水量和砂率的影響，結合現有的配合比設計規程（JGJ55-2011），提出了對水灰比與強度關系、單位用水量和砂率的修正公式，希望對機制砂的配合比設計有一定的參考作用。●

［1］中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ55-2011普通混凝土配合比設計規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.