機制砂混凝土配合比研究進展

劉培忠 ,劉平云 ,陳茂恒 ,張鳳宸 ,閆沛宇 ,胡文軍

（1.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250100；2.山東建筑大學交通工程學院，山東 濟南 250101）

近年來，在我國經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，工程建設的需求也在不斷增大。砂作為施工中最基本、最常用的原材料，卻存在一系列的問題：天然砂不可再生且資源分配不平衡，目前消費規(guī)模大于生產(chǎn)規(guī)模[1]。開采天然砂造成的環(huán)境破壞日益嚴重，政府對天然砂開采的管控力度也逐年加大，使用天然砂的成本逐漸攀升。在這種情況下，機制砂逐漸登上歷史舞臺，其來源更豐富，成本更低，廣泛應用已經(jīng)成為全球趨勢。在2014 年，韓繼先推算砂石的年產(chǎn)銷量在100 億噸以上，其中機制砂產(chǎn)量達到一半以上，為60 億噸[2]。

天然砂由于長期的自然變化，易污染，有害物質(zhì)和輕物質(zhì)含量比機制砂多。在自然變化過程中，天然砂長期滾磨，棱角磨圓；機制砂是由巖石等用機械直接破碎而成，棱角新鮮尖銳。由于二者形狀存在差異，機制砂砂子間的咬合度高于天然砂[3]，這就導致機制砂混凝土的配合比設計與天然砂混凝土存在差異，二者的強度和耐久性也有所區(qū)別。本文綜述了近十年來國內(nèi)外有關(guān)機制砂混凝土配合比的設計研究情況，調(diào)查并總結(jié)了砂率、水灰比以及用水量對機制砂混凝土工作性能和力學性能的影響，分析出適合機制砂混凝土的配合比，指出目前國內(nèi)對于機制砂混凝土的研究難點，并對未來機制砂混凝土的發(fā)展做出展望。

1 砂率對機制砂混凝土的影響

砂率是指單位混凝土中砂的質(zhì)量占砂、石總質(zhì)量的百分率，是混凝土配合比設計中的三個重要參數(shù)之一。砂率會顯著改變骨料的總表面積，直接影響到機制砂混凝土的工作性能。適宜的砂率能在提高機制砂混凝土的和易性與密實度，這樣不僅能保證硬化后的機制砂混凝土有足夠的強度，還能在減少膠凝材料用量的同時擁有良好的工作性能，從而降低了生產(chǎn)成本。

丘海哩[4]研究砂率對機制砂混凝土抗壓強度的影響，采用的方法是先確定水膠比，然后將砂率的選取范圍固定在42%～47%。研究結(jié)果表明，在水膠比相同、外加劑摻量相同，砂率不同的幾組混凝土中，砂率影響最大的是拌合物的擴展度：隨著砂率的增加，擴展度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢?；炷涟韬衔飻U展度最大時，28d 抗壓強度也最高。此時的砂率為機制砂混凝土工作性能最好、28d 抗壓強度最高的最佳砂率。

曹盛明[5]研究砂率對混凝土工作性能的影響，在水膠比恒定的前提下，將砂率選取范圍定位為35%～43%，試驗結(jié)果表明：隨著砂率的提高，機制砂混凝土拌合物的坍落度和擴展度總體呈現(xiàn)下降趨勢，砂率為37%時，混凝土的工作性能最佳。昌孝云等[6]在針對貴州地區(qū)工程中常用的C30 機制砂混凝土進行配合比設計優(yōu)化時，發(fā)現(xiàn)機制砂砂率會影響混凝土的密實度，當砂率為44%時混凝土密度最大，相應的抗壓強度最高。

機制砂的來源較為廣泛，不僅來源于巖石，也會來源于卵石。毛帥[7]等采用路用卵石機制砂混凝土制作試塊進行試驗，彌補了路用卵石機制砂混凝土相關(guān)特性的研究空缺。其研究結(jié)果表明：卵石機制砂的砂率也會影響到混凝土的坍落度，砂率為38%時，混凝土的坍落度和彎拉強度最高。

砂率也會影響混凝土的抗滑性能。朱文平[8]設計混凝土的水灰比為0.39，固定機制砂石粉含量為7.0%，分別改變砂率為30%、34%、38%、42%。實驗結(jié)果顯示砂率的增加會同時使混凝土表面砂漿層的石粉含量增多，造成的后果就是粘著摩擦系數(shù)減小、抗滑性能變差。

為了探討不同機制砂混凝土強度等級下的最優(yōu)砂率，葛黎明[9]對不同強度等級的混凝土砂率選取范圍不同，設計機制砂C30 混凝土砂率為40%～48%，C40混凝土為38%～46%，C50 混凝土為36%～44%，并與天然砂混凝土進行比較。得出的結(jié)論是：機制砂C30 混凝土最優(yōu)砂率是46%，C40 最優(yōu)砂率為44%～46%，C50 則為42%～44%，均高于天然砂混凝土的最佳砂率。提高砂率是改善機制砂混凝土拌合物和易性的有效措施。

徐鑫等[10]對T 梁C55 混凝土進行了機制砂和天然砂在耐久性方面的對比研究，結(jié)果表明，砂率為40%～44%時機制砂混凝土的工作性能更好，但是在耐久性方面兩者相差不大。

2 水灰比對機制砂混凝土的影響

水灰比也叫水灰比率，是指混凝土配合比設計中水的質(zhì)量比水泥的質(zhì)量。水灰比對混凝土的流動性能、水泥漿的凝聚結(jié)以及水泥混凝土硬化后的密實度有顯著影響。所以在同樣的材料組成情況下，水灰比是決定混凝土強度、耐久性以及其他物理和力學性能的主要參數(shù)。水灰比也是混凝土進行配合比設計的重要參數(shù)之一。

Haach V G 等[11]根據(jù)不同的水灰比和顆粒級配制備了18 種組合，通過流動臺試驗、抗壓和抗折強度試驗對試件進行對比分析?？梢缘玫剑涸黾铀冶葧岣邫C制砂混凝土的工作性能，但是降低了其硬化后的力學性能。

盧自立等[12]在機制砂混凝土的配合比設計中，研究了在已知最優(yōu)砂率的情況下，水灰比對不同強度機制砂混凝土特性的影響。當水灰比提高時，不同強度等級的機制砂混凝土拌合物，其坍落度都增加；不同強度的機制砂混凝土在7d 和28d 時抗壓強度也有不同程度的提高，其中C30 混凝土在水灰比為0.44 時強度最高，C40在水灰比為0.36 時強度最高，C50 在水灰比為0.32 時強度最高。分析可知，當水灰比較小時，水太少導致水泥水化不充分，此時機制砂混凝土內(nèi)部的流動漿體較少，不能很好地填充砂石空隙，內(nèi)部不密實導致硬化后混凝土強度較低；當水灰比提高時，混凝土拌合物內(nèi)部流動漿體增多，能夠充分填充混凝土內(nèi)部砂石空隙，密實度提高，強度也隨之提高；但當水灰比過大時，多余的水分會在混凝土內(nèi)部形成孔隙，降低了混凝土的密實度，使得機制砂混凝土強度降低。

魏于量[13]考慮到水泥用量的變化對混凝土力學性能的影響，固定水泥用量，變化水灰比進行正交試驗研究。從正交試驗結(jié)果的均值看，隨著水灰比增加，坍落度增大，泌水率增大，抗?jié)B性下降，混凝土抗壓強度下降；在適宜范圍內(nèi)水灰比減少則會讓坍落度降低，同時初凝和終凝時間縮短，混凝土變得較黏稠并無泌水現(xiàn)象，抗壓強度也隨之提高。董瑞等[14]通過研究C30 和C40 機制砂混凝土在不同水灰比下的工作性能及抗壓強度，并同時對機制砂混凝土的各項性能進行比選，最后提出當采用P·O42.5 水泥時，C30 機制砂泵送混凝土的最佳水灰比可選取為0.46 或0.48，C40 機制砂泵送混凝土最佳的水灰比可選取為0.36。

水灰比對機制砂混凝土耐久性的影響方面，劉桂鳳等[15]對水灰比為0.4、0.45、0.5、0.55 的四種機制砂混凝土開展了凍融循環(huán)試驗，來研究水灰比對機制砂混凝土抗凍性能的影響。結(jié)果顯示：普通機制砂混凝土的抗凍等級較低，水灰比對其抗凍性影響顯著，隨著水灰比的增大，水的用量增多，機制砂混凝土的抗凍性越來越差。并且在結(jié)束凍融循環(huán)后，機制砂混凝土的相對動彈性模量以及28d 抗壓強度均呈現(xiàn)下降趨勢。

評價混凝土耐久性的另一個參數(shù)是抗氯離子滲透性能，楊春常[16]采用ASTMC1202 方法，分別研究機制砂混凝土和天然砂混凝土，在不同水灰比下砂漿相的氯離子擴散系數(shù)。從研究的結(jié)論看出，用機制砂混凝土砂漿相和天然砂混凝土砂漿相的氯離子滲透性能基本在同一級別，即機制砂并不會影響混凝土砂漿相的氯離子滲透性能。但是機制砂和天然砂的氯離子擴散系數(shù)均會隨水灰比提高而增大；在相同的水灰比下，機制砂混凝土砂漿相的氯離子擴散系數(shù)比天然砂的稍高，但隨著水灰比的增大，兩者之間的差距逐漸減小。

3 用水量對機制砂混凝土的影響

機制砂顆粒表面粗糙、棱角較多，可以更好地嵌入混凝土的粗集料中，所以機制砂混凝土在強度方面比天然河砂混凝土高出許多。但是也由于機制砂同時含有一定量的石粉，導致機制砂混凝土拌合物較天然砂混凝土更加黏稠，在工作性能方面給實際施工帶來不便。因此可以適當提高單位用水量，在稍微降低強度的同時可以極大地改善機制砂混凝土的工作性能。尹亞柳[17]在研究機制砂混凝土的配合比設計時，建議機制砂混凝土的用水量可選取天然砂混凝土用水量的上限值。

李艷芳等[18]參照《普通混凝土配合比設計規(guī)程》研究機制砂混凝土各方面的性能，改變了水灰比、用水量、砂率等參數(shù)，對混凝土的和易性和抗壓強度進行試驗。試驗結(jié)果顯示：其他條件不變的情況下，由于單位用水量的增大，混凝土的和易性得到改善，但抗壓強度不斷下降。用水量增加到185 kg/m3時混凝土開始出現(xiàn)輕微泌水的現(xiàn)象，當用水量控制在175 kg/m3時，混凝土的工作性能最佳，抗壓強度降低較少。

單位用水量會受到膠凝材料的影響，張瑜[19]研究粉煤灰和礦粉對單位用水量的影響，觀察其規(guī)律并對單位用水量公式進行修正。修正后的試驗結(jié)果表明，摻入粉煤灰和礦粉后的用水量基本滿足規(guī)范要求的單位用水量，更適合機制砂混凝土的配合比設計。

韓富慶等[20]在機制砂混凝土配合比設計研究中，在膠凝材料用量不變的情況下增加用水量，研究不同用水量對機制砂混凝土工作性和強度的影響，并與天然砂進行對比。得到的結(jié)論是：在相同水膠比條件下，機制砂混凝土強度明顯高于天然河砂混凝土。因此設計機制砂混凝土配合比時，在保持膠凝材料不變的情況下，適當提高7～15 kg/m3的用水量，能讓混凝土拌合物達到較好的工作性能，其強度仍能滿足原設計要求。

近年來，有不少專家學者提出并采用數(shù)字量化混凝土配合比設計的方法配置機制砂混凝土。在單位體積用水量的確定方面，翟文靜等[21]采用數(shù)字量化法計算時將用水量分為膠凝材料用水量和骨料用水量。結(jié)果表明，采用數(shù)字量化法配制的機制砂混凝土具有穩(wěn)定性強、不離析、不泌水、不扒底等優(yōu)點。該技術(shù)特別適用于劣質(zhì)機制砂配制中低強度等級的大流態(tài)混凝土。

4 結(jié)語

目前，我國機制砂混凝土的研究生產(chǎn)尚在起步階段，從研究結(jié)果來看，目前采用改良后配合比設計的機制砂混凝土的工作性能和強度遠遠超過天然砂混凝土，但是在耐久性方面還是略遜一籌，并且相關(guān)的研究也較少。

機制砂的來源廣泛，不同巖性的機制砂性能也有差異，針對不同的機制砂也未推出相應的規(guī)范標準，生產(chǎn)質(zhì)量參差不齊。同時，由于機制砂表面粗糙且棱角較多，影響混凝土的流動性，用水量隨著石粉含量的增加而增大，這直接影響到混凝土的工作性能，給實際施工帶來諸多不利影響，提高了機制砂混凝土配合比設計的難度。

今后，我國的建筑行業(yè)會逐漸發(fā)展改革，機制砂的生產(chǎn)質(zhì)量也會跟著技術(shù)水平的提高而穩(wěn)步提升，從而進一步提高機制砂混凝土各方面的性能。未來也許會提出專門針對機制砂混凝土的配合比設計規(guī)范，使機制砂大規(guī)模替代天然砂，成為制備混凝土的主要細集料。