數字量化混凝土配合比設計方法對機制砂水工混凝土性能的影響

周明海

(朝陽市喀左縣東哨水利服務站，遼寧 朝陽 122300)

目前，將機制砂用于水工混凝土配制的越來越多，而行業內仍以河砂為標準評定機制砂的特性[1-2]。機制砂與天然砂相比具有明顯不同，具體如下：①機制砂粒形受機械破碎作用多呈方矩體或三角體，其針片狀含量多，顆粒有棱角且表面較粗糙；②機制砂具有較大孔隙率，使得用水量和膠凝材料用量偏高，其石粉吸附性好且石粉含量往往較高；③機制砂細度模數大且級配不良，中間顆粒等有利于大流態混凝土和易性的砂粒含量低。因此，為了適應砂源的改變必須形成科學的配合比設計方法[3]。

近年來，朱效榮等[4]提出了一種數字量化配合比的設計方法即混凝土數字化制備技術，其關鍵內容主要有2點：①混凝土單位體積用水量包括膠凝材料標準稠度含水、粗骨料飽和面干含水和機制砂壓實含水；②確定用水量后，通過控制膠凝材料用量及其活性來保證強度要求。因此，文章利用規范法和數字量化法設計配合比，并對比了兩種方法配制的水工混凝土耐久性、力學性能以及和易性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用水泥為大連山水工源生產的P·O 42.5通用硅酸鹽水泥，經檢測水泥樣品的初凝、終凝時間為195min、300min，標稠用水量24.0%，比表面積367.1m2/kg，28d抗折和抗壓強度8.9MPa、50.4MPa。

試驗所用粉煤灰為大連恒翔生產的Ⅰ級粉煤灰，經檢測粉煤灰樣品的細度模數22%，需水量比98.0%，28d活性75%，燒失量2.15%。

試驗所用礦粉為大石橋市鑫宇生產的S95礦粉，經檢測礦粉樣品的主要技術指標均符合現行規范要求。

試驗所用機制砂有劣質和優質兩種類型，經檢測機制砂樣品的主要技術指標均符合現行標準要求，機制砂主要技術指標和級配，見表1。

表1 機制砂主要技術指標和級配

試驗所用粗骨料為凌海盈信生產的石灰巖人工碎石，骨料粒徑為5～10mm和10～20mm二級配，混合比例3：7，經檢測各項性能指標均符合《水工混凝土施工規范》(DLT 5144-2018)要求。

1.2 試驗方法

本試驗利用劣質和優質機制砂以及兩種配合比設計方法配制C30、C45強度等級的水工混凝土，試驗配合比，試驗配合比設計，見表2。其中，“SZ”、“GF”代表數字量化法和《水工混凝土配合比設計規程》(DL-T 5330-2015)用方法。

表2 試驗配合比設計 kg/m3

續表2 試驗配合比設計 kg/m3

試驗過程中，水工混凝土擴展度、坍落度、抗壓強度以及耐久性能試驗嚴格按照相應的國家規范執行。

2 結果與分析

2.1 對配合比的影響

水工混凝土配合比設計時，數字量化法將水泥用量與強度相結合確定單位強度所需水泥用量，并以單位強度所需的水泥用量與混凝土的配制強度的乘積計算所需要的水泥用量[5]。此外，對于摻合料的取代量利用其活性系數計算確定。

對于單位體積用水量的計算，數字量化法將其劃分成骨料和膠凝材料的用水量，前者又細分成粗骨料和細骨料用水量，后者是達到標準稠度時膠凝材料的所需用水量。采用機制砂壓實含水量計算細骨料的用水量，以此解決機制砂高吸水率問題[6]。理論上混凝土強度不會受吸在砂開口孔隙中水的影響，而實測壓力吸水值涵蓋填充于砂子空隙內的水，混凝土強度會受到這一部分水的影響，所以粗骨料飽和面干含水量就是粗骨料的用水量。

針對骨料用量的確定，數字量化法以細骨料的壓實密度與1m3粗骨料的空隙體積成績作為細骨料用量，利用體積法計算粗骨料的用量。若粗骨料級配不合理會導致混凝土配合比中的粗骨料用量隨強度等級的增高而減小，膠凝材料用量隨強度等級的增高而增大，以及混凝土中砂率過大和粗骨料空隙率偏高[7-8]。

2.2 對混凝土和易性的影響

1)劣質機制砂。通過試配確定兩種配合比的劣質機制砂水工混凝土和易性，C30劣質機制砂拌合物和易性，見表3。由表3可知，采用數字量化法計算的配合比能夠更快速地配制出符合要求的混凝土，該方法與原材料適應性更好。應用規范法設計的配合比，需要經過多次調整才能保證拌合物流動性，配制的混凝土存在扒底現象，由于吸水率較大用劣質機制砂配制的拌合物具有較大的拌合物經時損失。

表3 C30劣質機制砂拌合物和易性

通過試配確定兩種配合比的C45劣質機制砂水工混凝土和易性，C45劣質機制砂拌合物和易性，見表4。結果顯示，其包裹性和流動性較好，但黏度過大。經多次調整，兩種配合比試配出的拌合物均具有一定的流動性，但規范法配制的混凝土存在扒底現象。

表4 C45劣質機制砂拌合物和易性

2)優質機制砂。采用數字量化配制的C30優質機制砂水工混凝土和易性，C30優質機制砂拌合物和易性，見表5。由表5可知，選用數字量化法一次性配制的C30優質機制砂水工混凝土工作性良好，無需調節就可以達到要求的拌合狀態。因此，數字量化法優于規范法配制的拌合物和易性，但規范法也達到了所需的擴展度和坍落度要求[9]。

表5 C30優質機制砂拌合物和易性

采用數字量化配制的C45優質機制砂水工混凝土和易性，C45優質機制砂拌合物和易性，見表6。結果顯示，選用兩種方法配制的C45優質機制砂水工混凝土和易性良好，狀態也很好，無需額外調整就可以達到所要求的流動性。

表6 C45優質機制砂拌合物和易性

綜上分析，采用數字量化法設計的配合比水膠比高、砂率大、機制砂用量和單位用水量較高，粗骨料用量少。從和易性角度上，數字量化法配制的水工混凝土具有良好的和易性，特別是對劣質機制砂具有更加明顯的優勢；規范法配制的水工混凝土和易性較差，極易出現泌水和拔底現象。對于優質機制砂，兩種方法配制的水工混凝土均具有較好的和易性，但用數字量化法配制的C30優質機制砂水工混凝土和易性更優。

2.3 對力學性能的影響

1)劣質機制砂。劣質機制砂水工混凝土配合比與抗壓強度之間的關系，兩種方法配制的劣質機制砂水工混凝土強度，見圖1。結果表明，規范法配制的水工混凝土3d、7d、28d抗壓強度高于數字量化法。用數字量化法配制的C30、C45水工混凝土28d強度雖然>30MPa、45MPa，但依然小于配制強度，規范法配制的水工混凝土28d強度明顯大于配制強度。

(a)C30抗壓強度 (b)C45抗壓強度

究其原因，測定的機制砂吸水率高于其實際吸水率是導致規范法配制的混凝土強度大于數字量化法的關鍵原因。對于砂子攪拌骨料預濕環節，在壓實過程中不可能排除砂空隙中的所有水分，加之石粉含量高及其吸水作用，特別是劣質機制砂在壓實時仍具有較高的空隙率，這些因素都會提高單位體積用水量，從而降低水工混凝土的強度[10]。

2)優質機制砂。優質機制砂水工混凝土配合比與抗壓強度之間的關系，兩種方法配制的優質機制砂水工混凝土強度，見圖2。結果表明，規范法配制的水工混凝土3d、7d、28d抗壓強度高于數字量化法。用數字量化法配制的C30、C45水工混凝土28d強度雖然>30MPa、45MPa，但依然小于配制強度，規范法配制的水工混凝土28d強度明顯大于配制強度。

(a)C30抗壓強度 (b)C45抗壓強度

采用兩種方法配置的優質機制砂水工混凝土強度變化規律與劣質機制砂基本一致，規范法配制的水工混凝土3d、7d、28d抗壓強度高于數字量化法。雖然利用數字量化法計算的優質機制砂水工混凝土的水膠比低于劣質機制砂，但由于石粉含量低，優質機制砂的實際水膠比并不低，用水量雖然少了，但其28d抗壓強度依然能夠達到配置強度要求[11-12]。

2.4 對體積穩定性的影響

1)劣質機制砂。采用兩種方法配制的C30、C45劣質機制砂水工混凝土收縮率，劣質機制砂水工混凝土收縮率，見圖3。結果表明，兩種設計方法配制的C30劣質機制砂水工混凝土收縮差異不大，究其原因在于拌合物早期失水量和致密性相差較小，雖然數字量化法設計的用水量大，但石粉含量和砂率也較高，實際水膠比相差不明顯。由于劣質機制砂具有較高的MB值，利用規范法配制的混凝土和易性較差，很難達到施工要求。若增大水膠比將顯著降低強度，并引起干縮值較大等突出問題。

(a)C30收縮率 (b)C45收縮率

兩種設計方法配制的C45劣質機制砂水工混凝土收縮差異較大，規范法設計的混凝土收縮明顯低于數字量化法，究其原因是數字量化法的粗骨料用量少而砂率較高，漿骨比明顯偏大，這大大降低了骨料抑制收縮的效應，導致規范法配制的C45混凝土收縮遠小于數字量化法。

2)優質機制砂。采用兩種方法配制的C30優質機制砂水工混凝土收縮率，C45優質機制砂水工混凝土收縮率，見圖4。結果顯示，兩種方法配制的C30優質機制砂水工混凝土收縮基本一致，但其收縮率相較于劣質機制砂混凝土明顯減小，究其原因是拌合物均質性及和易性良好，水泥石體積減小，優質機制砂表現出明顯的優勢。

圖4 C45優質機制砂水工混凝土收縮率

2.5 對耐久性的影響

1)抗裂性能。采用兩種方法配制的C30、C45劣質機制砂水工混凝土抗裂性能，C30、C45劣質機制砂水工混凝土裂縫，見表7。從表7可以看出，兩種設計方法配制的C30劣質機制砂水工混凝土抗裂性能相差不大，數字量化法配制的混凝土雖然有兩條裂縫，但另一條裂縫較細，這種結果與收縮性試驗結果相同。

表7 C30、C45劣質機制砂水工混凝土裂縫

此外，規范法配制的C45劣質機制砂水工混凝土首劣時間晚于數字量化法。高強度等級時，水工混凝土既受干燥收縮和自生收縮作用產生裂縫，由于試驗過程中處于干燥炎熱的環境下，從而加劇了干燥收縮，由于導熱性較差水工混凝土還會出現溫度裂縫，并且雷雨天氣也會在一定程度上影響開裂性檢測數據[13]。水工混凝土開裂敏感性隨強度等級的提高而增大，試驗結果受不可控的試驗環境影響，數據分析比較復雜，未來仍需進一步研究環境條件的控制。

2)抗碳化性能。采用兩種方法配制的C30、C45劣質機制砂和優質水工混凝土碳化深度，C30、C45劣質機制砂水工混凝土碳化值，見表8；C30、C45優質機制砂水工混凝土碳化值，見表9。從表8可以看出，規范法配制的C30、C45劣質機制砂水工混凝土碳化深度明顯小于數字量化法，雖然兩者的礦渣、粉煤灰摻入比例接近，但石粉含量存在明顯差異，這使得膠凝材料組成明顯不同。所以，可能是由于摻合料的加入降低了混凝土內部的堿性，從而使得碳化加速，但數字量化法配制的水工混凝土強度低于規范法，這也是其抗碳化能力低于規范法的另一原因。

表8 C30、C45劣質機制砂水工混凝土碳化值

表9 C30、C45優質機制砂水工混凝土碳化值

從表9可以看出，采用劣質機制砂配制的水工混凝土碳化深度要高于優質機制砂，表明使用優質機制砂時具有更好的致密度。總體而言，使用數字量化法配制的水工混凝土抗碳化性能低于規范法。

3 結 論

1)采用數字量化法配制的水工混凝土包裹性好，不扒底、不泌水、不離析，該技術對于配制大流態低強度等級劣質機制砂水工混凝土具有明顯優勢。

2)采用規范法配制的水工混凝土強度明顯高于數字量化法，利用數字量化法配制的混凝土28d強度保證率低，而利用規范法配制的各組試樣抗壓強度具有過大的富裕度。

3)兩種設計方法配制的C30水工混凝土抗裂性、收縮性相差不大，但規范法配制的C45混凝土收縮性小于數字量化法，規范法配制的混凝土抗碳化性優于數字量化法。總體而言，對于中低強度劣質機制砂水工混凝土的配制比較適合選用數字量化法；對于較高強度混凝土，數字量化法的抗碳化性能、抗收縮性能較差應謹慎選用。