粵西地區花崗巖機制砂細度模數及修正砂率研究

宋宏偉，何磊，王浩，張雨雷

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

顆粒級配對瀝青混合料[1]、土、水泥[2]、砂漿[3]和混凝土[4]等性能的影響已有眾多研究成果，但對于機制砂混凝土，規范中要求的仍有一定的局限性，并沒有考慮諸如巖性、粒型等不同對顆粒級配[5-10]的影響，也沒有給出明確的指示。而顆粒級配對混凝土的和易性、施工便利性以及最終強度等有重要的影響，僅僅按照規范要求去配制，混凝土的工作性[11]差強人意。

本文基于實體項目中使用到的花崗巖機制砂，參考GB/T 14684—2011《建設用砂》中對機制砂級配的要求，通過試驗縮小其取值范圍，確定合理的花崗巖機制砂級配區間。同時提出一種修正現有配合比的方法，來考慮細度模數[12]與石粉含量對花崗巖機制砂混凝土配合比的影響，其修正關系清晰。通過上面的研究并在室內及現場進行試驗，以解決在實際生產過程中機制砂混凝土工作性能欠佳的問題，期望改善花崗巖機制砂混凝土的工作性能，為花崗巖機制砂混凝土的工程推廣積累經驗。

1 原材料特性

水泥：廉江市豐誠水泥有限公司的P.O42.5水泥。

粗集料：廉江市石嶺采石場5～16 mm（含泥量0.4%）、16～31.5 mm（含泥量0.3%）碎石，摻配比例為各占50%。

減水劑：山西康特爾精細化工有限公司生產的KTPCA聚羧酸系高性能減水劑，減水率為27%。

細集料：廉江市石嶺采石場機制砂，細度模數3.18～2.58，壓碎值22.1%，MB值為0.6。廉江市青平砂場河砂，細度模數2.22～2.86，含泥量2.0%。

2 細度模數

2.1 級配的影響

通過對30組機制砂與15組河砂進行篩分試驗，機制砂細度模數在2.58～3.18，主要集中在2.80左右，河砂細度模數在2.22～2.86，主要集中在2.40左右，依據《建設用砂》規范，河砂與機制砂定性為中砂（2.3～3.0）。

為了便于確定機制砂與河砂的級配是否良好，本次對于級配的分析從分計篩余百分率入手，通過幾組機制砂與河砂代表組、規范中值的對比，來分析級配的狀況（見圖1）。

圖1 分計篩余百分率曲線圖Fig.1 The curve of percentage retained

通過圖1中機制砂（6組）與河砂（5組）分計篩余百分率對比規范中值，可以看出機制砂存在明顯的“兩頭大，中間小”的通病，機制砂的級配在1.18 mm以上顆粒含量比較高，0.075～0.60 mm檔顆粒含量較少；河砂大部分級配在規范中值附近，0.075～0.30 mm檔顆粒含量較少，有少部分河砂級配同機制砂類似，級配在1.18 mm以上顆粒含量比較高，0.075～0.60 mm檔顆粒含量較少，經過追蹤發現這些河砂一般含泥量比較高，采取水洗法降低含泥量，在水洗的過程中0.075～0.30 mm檔顆粒含量減少，級配變差。

結合規范通過細度模數確定機制砂屬于中砂，細度模數一般在2.8左右，根據以往河砂的使用經驗，河砂細度模數在2.8左右時混凝土的狀態一般偏好。但機制砂的使用卻并不如想象中的樂觀。通過分析下面各篩孔分計篩余與細度模數的關系，來解釋可能出現這種狀況的原因。

對于計算細度模數的各級篩孔分計篩余α，分別進行每級與細度模數的回歸分析，回歸公式：

式中：Mx為機制砂細度模數；α為各級篩分計篩余百分率，%；C1、C0為回歸常數。

對試樣細度模數與各篩孔分計篩余進行回歸分析，相關系數R在0.80以上者有4個粒級，其中具有正相關關系的為2.36 mm與1.18 mm粒級的分計篩余，具有負相關關系的是0.30 mm和0.15 mm粒級。見表1。

表1 各級篩孔分計篩余與細度模數回歸統計Table 1 Regression statistics of percentage retained and fineness modulus of sieve holes at all levels

通過調整某一檔的篩余質量以增加60%、減少60%，其余檔的篩余質量保持不變，研究細度模數的變化（見圖2），發現4.75 mm檔與0.60 mm檔對細度模數影響很小，而2.36 mm、1.18 mm檔篩余質量減少細度模數降低，增加則細度模數增大，與0.30 mm、0.15 mm檔對應相反，這兩檔篩余質量減少細度模數增長，增加則對應細度模數減少；這與上面做的回歸分析的結果是一致的。變化幅度為0.30 mm檔小于0.15 mm檔，2.36 mm檔大于1.18 mm檔，呈反對稱的蝴蝶形，通過圖2還可以發現2.36 mm檔對減少比增加敏感?？梢酝ㄟ^對2.36 mm、1.18 mm、0.30 mm和0.15 mm的篩余百分率進行調整來指導機制砂生產中細度模數的控制。

圖2 機制砂細度模數與各粒徑含量調整關系Fig.2 Adjustment relationship between FM of MMS and content of each particle size

2.2 石粉的影響

石粉是石頭粉末的通稱，本文定義為機制砂中粒徑0.075 mm以下的成分。以規范中值作為基準，在保證石粉（0.075 mm）以上粒徑比例保持不變的情況下，通過調整石粉在機制砂中的比例，可以明顯發現石粉含量每增加10%，細度模數減少近0.3。

在機制砂生產工藝中，機制砂是從大顆粒逐步破碎、研磨成較小顆粒的，通過對2.36 mm、1.18 mm、0.30 mm和0.15 mm的這幾個粒級篩余百分率及石粉含量的控制，使成品砂的細度模數不產生較大的偏差。

3 混凝土狀態

根據《建設用砂》規范，機制砂中值計算得出1.18 mm以上顆粒占總體質量的30%，即粗細比3:7，根據不同粗細比設計試驗，通過縮小花崗巖機制砂級配區間，使花崗巖機制砂混凝土有較好的工作性能。具體試驗設計見表2。

表2 機制砂級配調整配合比Table 2 Mix proportion of MMS grading adjustment

通過表3可以發現，河砂配制的混凝土強度較機制砂配制的混凝土強度小5 MPa左右，同時其含氣量要高于機制砂1%～2%，河砂中增加8%石粉可以增加強度，同時可略微提高混凝土坍落度減少泌水，也可能是8%石粉提高漿體的流動能力起到潤滑的效果。通過對混凝土泌水性等工作性指標判斷，細集料粗細比在3:7～5:5間的混凝土狀態較好。粗細比大于5:5后混凝土泌水量增加，坍落度與擴展度降低明顯，工作性較差，強度有下降。

表3 測量數據匯總表Table 3 Summary of measurement data

4 修正砂率

本體系配合比設計，僅對砂率進行修正，其余相關參數如水灰比、用水量和水泥用量等均參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》。

在確定機制砂混凝土砂率的過程中增加了對于機制砂巖性的考慮，當機制砂巖性波動比較大時，需重新調整配合比。本次根據機制砂細度模數、石粉含量給出調整方向。參照《普通混凝土配合比設計規程》，首先根據粗集料品種和粒徑、水灰比以及對坍落度的要求，按常規方法確定砂率βs，然后再進行修正，按水灰比、細度模數和石粉含量的修正系數來修正。對于不同巖性的機制砂，應該根據試驗作出修正，這里給出花崗巖的水灰比修正經驗參數θw，c（見表4）。

表4 水灰比的修正參數Table 4 Correction parameters of water-cement ratio

本參數是根據經驗確定的，在保證工作性能相近的前提下，機制砂要比河砂的砂率提高若干個百分點。

對于石粉含量的修正：用一個基準的石粉含量（根據巖性確定）減去當前機制砂的石粉含量，乘以石粉含量的修正系數θrd，花崗巖的修正經驗系數為12。對于細度模數的修正：將生產的機制砂的細度模數除以機制砂規范中值計算的細度模數2.54，加上石粉的修正值，再乘以巖性修正系數θmx，花崗巖的修正經驗系數為2.5?；◢弾r機制砂混凝土使用砂率即：

式中：βs，new為機制砂混凝土修正砂率，%；βs為基準砂率，%，通過《普通混凝土配合比設計規程》確定；θw，c、θmx、θrd分別為水灰比、細度模數、石粉含量的修正參數，根據巖性確定；Mx為機制砂的細度模數；rd為石粉含量；2.54為規范中值計算的細度模數（其中0.075 mm分計篩余定為6%，以下為8%）；0.12為根據試驗確定的分界石粉含量。

式（2）中的修正砂率，通過對水灰比、石粉含量、細度模數進行修正，修正關系清晰，修正砂率與水灰比、細度模數成正比，與石粉含量成反比，通過6組不同水灰比、石粉含量和細度模數（見表5）計算修正砂率，有較好的使用效果。同時對細度模數的修正里面可能包含對于巖性的修正，這里沒有做進一步的研究，之后可以通過進一步的研究將公式使用范圍擴大到不同巖性，來考慮不同巖性對配合比的影響。

表5 機制砂砂率室內試驗的修正參數Table 5 Correction parameters of laboratory test for sand ratio of MMS

圖3所示構件為本項目實體工程護欄，由圖可以看出修正砂率的使用，明顯的改善了機制砂泌水情況，調整后的外觀雖然有一些氣泡，但整體質量較以前有了很大程度的提升，驗證了修正砂率在現場使用的適用性?，F場使用機制砂指標與情況見表6。

圖3 機制砂調整前后外觀對比Fig.3 Appearance comparison of MMS before and after adjustment

表6 現場使用機制砂指標與使用情況Table 6 Target and application of MMS on site

5 結語

本文通過縮小規范要求的機制砂級配取值范圍，改善花崗巖機制砂泌水情況，同時提出一種砂率修正方法，得到如下結論：

1）對試樣細度模數與各篩孔分計篩余進行回歸分析，正相關關系的為2.36 mm與1.18 mm粒級，負相關關系的是0.30 mm和0.15 mm粒級，相關系數在0.80以上，與通過調整某一檔質量得出的結論一致。同時發現2.36 mm檔，對減少占比較增加占比更敏感。

2）以規范中值作基準，保證石粉（0.075 mm）以上粒徑比例不變，發現石粉含量每增加10%，細度模數減少近0.3。在機制砂生產工藝中，通過對2.36 mm、1.18 mm、0.30 mm和0.15 mm的這幾個粒級篩余百分率及石粉含量的控制，可以使成品砂的細度模數得到比較好的控制。

3）同等條件下，河砂配制的混凝土強度較機制砂的小5 MPa左右，同時含氣量高1%～2%；河砂中增加8%石粉可以增加強度，同時提高工作性能。機制砂細集料粗細比大于規范下限小于5:5的混凝土狀態較好。粗細比大于5:5后混凝土泌水量增加，坍落度與擴展度降低明顯，工作性較差，強度有下降。

4）提出一種新的砂率修正方法，考慮對水灰比、石粉含量、細度模數對砂率的影響，修正關系清晰，使用效果良好。