配合比参数对全机制砂混凝土性能的影响研究

郑忠双，李志坤，苏礼清

（1福建省建设工程质量安全监督总站 福建福州 350001 2重庆市建筑科学研究院 重庆 400020）

前言

目前，我国多数地区在生产混凝土时仍以天然砂作为主要的细骨料，而天然砂是一种地方性资源，短期内不可再生，也不利于长距离运输。随着我国基础设施建设的日益发展，不少地区天然砂资源逐渐短缺，甚至出现无砂可用的状况，混凝土用砂供需矛盾尤为突出。

重庆地区缺乏天然中砂资源，随着三峡水库的蓄水，长江特细砂质量越来越差，且逐渐短缺、价格上涨，同时出于环境保护的需要，应用机制砂完全替代天然砂生产混凝土已势在必行。

目前，全机制砂混凝土的概念尚未正式提出，缺乏相应的设计理念，对一些影响全机制砂混凝土配制的敏感因素 （级配、石粉含量、砂率等）缺少系统性研究。因此，在配制全机制砂混凝土时，基本沿袭了天然砂混凝土配制方法，而忽视了机制砂与机制砂混凝土的特性，从而使工程技术人员难以掌握。

本文通过试验研究配合比设计参数对全机制砂混凝土性能的影响，并找出各参数的适宜取值，为全机制砂混凝土的配制提供试验依据。

1 主要原材料

水泥：拉法基P.O42.5R水泥，重庆拉法基水泥有限公司生产。

骨料：细骨料采用机制砂，重庆美心砂石公司生产；粗骨料采用石灰石碎石，重庆中梁山产，性能指标见表1，分为5～10mm和10～20mm两个粒级，二者按照3∶7的比例搭配使用。

表1 试验用粗骨料

矿物掺合料：粉煤灰采用II级粉煤灰，重庆珞璜电厂生产。

混凝土外加剂：GRP-500型泵送剂，重庆市建研科技有限责任公司生产。

拌合水：普通自来水。

2 试验方法与方案设计

2.1 机制砂试验方法

机制砂的筛分试验与细度模数、石粉含量测定按《建筑用砂》（GB/T 14684-2001）规定方法进行。

2.2 混凝土试验方法

混凝土拌合物性能试验：混凝土工作性测试指标包括坍落度、扩展度以及和易性等指标，试验按照《普通混凝土拌合物试验方法标准》（GB/T50080-2002）规定进行。

混凝土立方体抗压强度试验方法：混凝土立方体抗压强度按照 《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）规定进行。

2.3 试验方案设计

本试验所采用的混凝土配合比参照 《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）进行设计，研究某个配合比参数对全机制砂混凝土性能的影响时，固定其他参数。

3 试验结果与讨论

3.1 水灰比

早在1918年，Duff Abrams就阐明了混凝土强度的水灰比定律，对于给定的材料，混凝土的强度与胶水比成正比关系。至今Abrams定律还是指导混凝土配合比设计的核心。试验比较了不同水灰比的天然中砂混凝土和机制砂混凝土的抗压强度，试验结果见图1。

图1 水灰比对混凝土强度的影响

从图1可以看出，对于天然砂混凝土（图中下方曲线），抗压强度随着水灰比的减小而增加，相关性较好，满足水灰比定则。对机制砂混凝土，也表现出与天然砂混凝土相同的规律，只是在同水灰比的情况下，机制砂混凝土的强度稍稍高于天然砂混凝土，造成这种现象的原因有四个方面：其一，机制砂的主要成分是碳酸钙，处于高浓度氢氧化钙中，其表面会发生微弱化学反应，而天然砂成分中二氧化硅含量高，不能发生类似反应；其二，机制砂不仅质地坚硬、有新鲜界面、表面能高，且表面粗糙、棱角多，这均有助于提高界面的粘结；其三，机制砂中的石粉在水泥水化中起到了晶核的作用，诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化并参与水泥的水化反应，生成水化碳铝酸钙，并阻止钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙转化；其四，机制砂中石粉的颗粒粒径小，在混凝土中发挥与粉煤灰类似的“形态效应”，填充混凝土中的孔隙，使混凝土变得更密实而提高强度。

由上可知，相比于天然砂混凝土，Abrams的水灰比定律对机制砂混凝土同样有效，因此，机制砂混凝土可以采用水灰比定律来设计配合比。

3.2 砂率

由于机制砂表面粗糙，棱角多，且石粉含量普遍较高，从而导致机制砂混凝土和易性较易出现极端情况。砂率稍小，就容易出现离析泌水现象，砂率偏大时则表现为粘性过大，流动性显著降低，因此，砂率的选择对高性能机制砂混凝土的重要性显得尤为重要。本试验针对这种情况专门研究了砂率对机制砂混凝土的影响，如表2所示。

表2 砂率对机制砂混凝土性能的影响

选择合理砂率除使混凝土获得最佳的和易性之外，还能使混凝土结构最密实化，这样的混凝土的强度与耐久性应该是比较理想的。图2和图3在保持基本配合比不变的前提下，对比了不同砂率下混凝土和易性及强度变化趋势。

图2 砂率对坍落度的影响

图3 砂率对强度的影响

在水泥浆量一定的情况下，砂率在混凝土中主要影响和易性。在混凝土配制中存在最佳砂率，砂率过低导致混凝土浆体含量不足，使混凝土的和易性变差，砂率过大，使混凝土需水量增大，使混凝土拌和物干涩；砂率过高又会使混凝土的粘度过大，影响混凝土的流动性能。在本试验中，可以看出砂率在37%～43%工作性较好。

图4 砂率41%的机制砂混凝土与天然砂混凝土的对比

通过与中砂对比（见图4），在同砂率下，天然中砂混凝土的坍落度高于机制砂，且粘性较低，易于泵送，这主要是由于河砂的粒形较圆，且级配较为合理造成的。

随着机制砂砂率的增大，7d抗压强度基本保持在30MPa左右，28d强度保持在37.0MPa左右，说明水灰比一定的情况下，砂率对机制砂混凝土的强度影响不大。

3.3 级配与细度模数

试验对比了同一砂场生产的两种机制砂，分别为X样品和Y样品，其中X样品的细度模数为2.8，属中砂，Y样品的细度模数为3.8，属粗砂，二者的级配曲线见图5和6。

试验表明，机制砂通过降低细度模数可以改善其级配，而且达到中砂范畴的机制砂的级配接近级配2区的要求。此外，对比两种砂拌制的混凝土（见表3），可以发现，在同水灰比的条件下，细度模数和级配对混凝土的强度影响不大，但对混凝土的坍落度与和易性影响很大。

图5 样品X的级配区曲线

图6 样品Y的级配区曲线

表3 不同级配的机制砂混凝土的性能

因此，机制砂的细度模数宜控制在中砂范围。

3.4 胶凝材料用量

机制砂的级配不如中砂，要保证预拌混凝土的和易性，具备可泵送的性能，就必须使用更多的胶凝材料来填充空隙，润滑砂石。对于低强度等级的混凝土，由于水泥用量少，胶凝材料总量偏少，因此，机制砂混凝土的胶凝材料应满足一个最低用量，才使其具备较好的可泵性能。试验采用C20配合比，通过增加粉煤灰用量来提高胶凝材料的总量，试验结果见表4。

表4 胶凝材料用量对机制砂混凝土可泵性的影响

表4的数据显示，当机制砂混凝土的胶凝材料用量（包括粉煤灰用量）小于330kg/m3时，混凝土的粘聚性和保水性较差，难以满足泵送要求。因此，为了满足混凝土的可泵性，机制砂混凝土的胶凝材料总量不应小于330kg/m3。

3.5 石粉含量

试验对比了不同石粉含量的机制砂混凝土的工作性能和力学性能，试验结果见图7和图8。

图7 石粉含量对坍落度的影响

图8 石粉含量对强度的影响

图中结果显示：随着机制砂中石粉含量的增加，当石粉含量大于5%时，全机制砂混凝土的工作性和力学性能有明显的提高，尤其是当石粉含量达到7%时，工作性能和强度达到最佳；当石粉含量超过10%时，混凝土的坍落度明显下降，由于混凝土中粉体含量过多，导致浆体中自由水量过少，混凝土拌和物和易性下降。

所以，可以通过提高机制砂的石粉含量来改善全机制砂混凝土的工作性，石粉含量应大于5%，以石粉含量7%最佳，但不应超过10%。

4 结论

（1）Abrams的水灰比定律对全机制砂混凝土同样有效，因此，机制砂混凝土可以采用水灰比定律来设计配合比。

（2）在配制全机制砂混凝土时，砂率宜控制在37%～43%。

（3）在配制全机制砂混凝土时，机制砂的细度模数宜控制在中砂范围。

（4）在配制全机制砂混凝土时，为保证混凝土具有良好的和易性，胶凝材料总量不应小于330kg/m3。

（5）用于配制全机制砂混凝土的机制砂含粉量宜控制在5～10%。

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