機制砂在C40水閘閘室混凝土中的配合比設計及性能研究

涂在洋

（中交第二航務工程局有限公司，福建 福州 350011）

傳統砂主要分為兩種：一種是天然砂，一種是人工砂。機制砂屬于人工砂，即先由機械粉碎，再經過篩分產生。近年來，隨著混凝土生產工藝的成熟，關于機制砂混凝土的研究逐漸增多。

例如，HudsonBP等人通過研究表明，機制砂當中所含石粉能有效填充混凝土中的空隙，提高混凝土抗壓強度。

為此，本文以試驗對比的方式，對C40水閘閘室機制砂混凝土配合比的設計進行研究，并在此基礎上深入分析機制砂混凝土的工作性能和抗壓強度。

1 試驗研究

1.1 材料

1.1.1 水泥

選擇水泥主要有兩點要求：一是強度高；二是細度及礦物組成符合標準，因此，通常以硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥為試驗材料。

以上兩種水泥材料的強度會高出設計要求強度0.9～1.5倍。

為在最大程度上避免混凝土干縮、放熱所產生的負面影響，通常會在水泥中加入其他粉磨材料，如粉煤灰。本次試驗以普通硅酸鹽水泥為材料，水泥型號 P·O42.5，密度 3 100kg/m3。

1.1.2 碎石

在選擇碎石過程中，需要根據試驗標準嚴格篩選，在保證碎石強度的同時，還需要盡量保證其粒形，通常選擇5～25mm的集料。

按照試驗要求，應將碎石的壓碎值控制在12%左右，碎石中的針片狀顆粒含量在5%左右為宜、最大含泥量不得超過1%、最大泥塊含量不得超過0.5%。本次試驗所選碎石規格如表1所示。

表1 碎石規格

1.1.3 機制砂

選擇機制砂主要依據兩點：一是以試驗要求標準為基礎；二是結合機制砂特點。機制砂按照細度模數大致分為三類：

（1）粗砂，細度模數3.7～3.1。

（2）中砂，細度模數3.0～2.3。

（3）細砂，細度模數2.2～1.6。

混凝土配置過程中，石粉摻入量過多或過少都會對混凝土質量造成影響。經實踐研究表明，石粉摻入量在6%～12%為最佳，最大泥塊含量不得超過3%；同時，機制砂的選擇也有嚴格要求。粒徑盡量控制在0.75～0.15mm；最大壓碎指標不得超過5%。根據上述兩點要求，機制砂和細山砂的選擇技術指標如表2所示。

表2 機制砂和細山砂技術指標

1.1.4 外加劑

試驗過程中，為提升混凝土的早期強度，需要在混凝土配置過程中添加一定比例的外加劑，以此起到改善混凝土性能的作用。同時，這種添加外加劑的方式還能在一定程度上降低水泥使用量。本次試驗研究過程中，以緩凝高效減水劑為外加劑材料，減水率約為18.4%。

1.2 試驗方法

配比試驗過程中，主要基于《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》GB/T 50080、《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T 50081對混凝土性能、抗壓強度進行檢測。

2 配比設計

2.1 原材料配比

按照工程建設施工技術要求，所選中砂細度模數為2.5。設機制砂含量占比為0.7,特細砂占比為0.3，所得原材料配比結果如表3所示。

表3 原材料配比結果

2.2 外加劑添加

配比試驗過程中，在加入了0.8%的減水劑，經試驗測算后發現減水率為15%，在此基礎上計算原材料用量，所得結果如表4所示。

表4 加入減水劑后原材料用量

2.3 混凝土填充

經計算，未加減水劑之前，混凝土總量為2 426kg/m3，減水劑加入后，水泥用量、水用量都得到一定程度上的降低。為進一步提高混凝土的緊密堆積，需要利用石子、砂子、粉煤灰對混凝土進行填充處理，具體原材料質量情況如表5所示。通過上述計算得出，混凝土配比過程中，水泥、特細砂、機制砂、石子、水、粉煤灰、膨脹劑和減水劑之間的比例為349∶242∶566∶956∶160∶110∶47.5∶3.17。

表5 填充后原材料質量

3 性能檢測

本次試驗研究所得C40混凝土主要用于水閘閘室建造，因此，利用河砂配置一組混凝土，編號為1。同時，用機制砂配置五組砂率分別為39%、40%、41%、42%、43%的混凝土，按順序編號為2～6。對以上六組混凝土性能進行檢測，結果如表6、表7所示。

表6 混凝土工作性能檢測

表7 混凝土抗壓強度檢測

由表6、表7可知，利用河砂配置的混凝土性能最好，且強度滿足閘室施工設計要求。而機制砂所配混凝土雖然工作性能、強度同樣滿足施工設計要求，但隨著砂率的提高，機制砂所配混凝土的坍落度呈先升后降的趨勢。從整體數據表現上看，配比相同時，機制砂所配混凝土的性能要稍弱于河砂所配混凝土，但差距并不明顯，且若配比得當，機制砂所配混凝土的強度要高于河砂所配混凝土。

通過分析得出，雖然與河砂相比，機制砂粒形較差、表面粗糙，但機制砂中存在的石粉卻有效改善了機制砂多棱角、表面粗糙的特性，在混凝土中起到了滾珠作用。因此，機制砂所配置的混凝土有著與河砂所配混凝土相差無幾的流動性。機制砂表面粗糙、多棱角、粒徑不一，雖然降低了機制砂所配混凝土的流動性，但正是由于這一特點，使混凝土中機制砂粘結得更緊固，提高了混凝土的強度，在最適宜的砂率配比情況下，機制砂所配混凝土強度要高于河砂所配混凝土。

通過對比表6、表7數據看出，編號2到編號6五組機制砂所配混凝土中，工作性能最優的為編號3，砂率為41%；而編號4強度最高，砂率為42%。所有機制砂所配混凝土7d強度基本都滿足了水閘閘室施工設計要求，28d強度更是遠超施工設計要求。通過對閘室施工工藝分析，最為適宜的機制砂混凝土砂率應控制在41%～42%。

4 結語

綜上所述，本文主要對C40水閘閘室機制砂混凝土的配比設計進行研究，以期為閘室混凝土配比提供參考，提升閘室混凝土質量。本文研究過程中，在確定好試驗材料和方法后，計算原材料的配合比，并按照設計要求試配了不同砂率下的機制砂混凝土，最后對所配混凝土的工作性能、抗壓強度進行檢測。通過對比研究發現，在性能、強度方面，機制砂所配混凝土完全滿足水閘閘室設計要求；由于機制砂表面粗糙、粒徑不一，因此，機制砂所配混凝土抗壓強度更高，遠超設計要求；相同配比情況下，雖然機制砂工作性能稍弱于河砂，但機制砂的配比方式更靈活，通過不同配比方案選擇最優質的機制砂混凝土，對于水閘閘室整體質量的提高有著很大幫助。