粉体当量体积法对机制砂混凝土和易性影响的分析

祝润

摘 要：通过对不同水胶比下机制砂混凝土坍落度、扩展度和抗压强度的实验来研究粉体当量体积法对机制砂混凝土配合比设计的影响。实验结果表明：粉体当量体积法下，不同水胶比机制砂的和易性和抗压强度均可达到相关规范和设计强度要求。通过对实验所得数据的分析，从理论上得出不同水胶比的最佳粉体当量体积，为机制砂混凝土的配合比设计提供了技术参考。

关键词：粉体当量体积法；机制砂混凝土；和易性；影响；分析

引言

与天然砂混凝土相比，机制砂混凝土的粘聚性和保水性较差，和易性变异大，难以控制。大量的研究表明机制砂混凝土主要问题为和易性较差，并直接影响硬化后的混凝土强度和耐久性[1]。如何获得性能优良的机制砂混凝土，以及对与不同的特性的机制砂如何调整混凝土的配合比而获得较好的和易性，对机制砂混凝土的实际应用有着极其重要的价值。

本论文针对机制砂混凝体的特殊性及存在问题，在传统的配合比设计基础上提出了粉体当量体积法的配合比计算方法，通过实验得出不同水胶比下的粉体当量总体积，并对其和易性和抗压强度进行测试，根据实验结果对粉体当量体积法的可行性和机制砂混凝土配合比设计提供参考价值。

1 粉体当量体积法

1.1 粉体当量体积法的定义

粉体当量体积法是由西南交通大学李固华教授首先提出的专门针对机制砂配合比设计的新方法。该方法是在《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）和高性能混凝土全计算法配合比设计的基础上，针对机制砂混凝土中粉体的特性而提出的。该方法通过确定各种粉体单位体积的用水量，与水泥单位体积用水量之比作为粉体的当量系数。粉体体积乘以当量系数的和作为粉体当量总体积，通过实验再得出不同水胶比下的机制砂混凝土和易性良好、满足抗压强度的粉体当量总体积[2]。

1.2 粉体当量总体积配合比的计算

在JGJ55-2011《普通混凝土配比设计规程》中的配合比设计方法的基础上，通过实验测得各种粉体的需水量，与水泥的需水量相比，得到粉体体积当量系数，采用这种方法，来研究粉浆体体体积对混凝土和易性的影响。

1.2.1 粉体当量总体积配合比的计算步骤

（1）根据粉体体积当量系数的定义，确定各种粉体的粉体当量体积系数。

（2）确定水胶比、用水量。

（3）确定胶凝材料用量，并确定确定水泥用量Cb、粉体体积Vf。

（4）通过实验测得各种粉体的需水量，并与水泥需水量相比，得到粉体体积当量系数。

（5）确定粉体体积Vf，并计算粉体当量总体积Vfd。

（6）计算浆体体积Vj，并计算浆体当量体积Vjd，并采用体积法计算骨料的体积。

（7）计算需加石粉的体积，由假定浆体体积减去水泥、矿物掺合料以及砂中石粉体积。

（8）通过实验机制砂混凝土的坍落度、扩展度以及抗压强度来获得最佳粉体体积。

1.2.2 计算粉体体积当量系数

粉体体积当量系数是根据（GB/T1596-2005）《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中粉煤灰需水量的测定方法，分别测试出实验中所用的粉煤灰、花岗岩石粉、100目石粉的需水量，然后测得某种粉体的单位体积用水量，所得的结果与水泥的单位体积用水量之比为当量系数。测得水泥的需水量为105g，密度为3.06，计算结果如表1。

表1 各种粉体体积当量系数

2 实验概况

2.1 实验设计

按照（GB/T14684-2011）《建筑用砂》中的相关方法测得细集料的表观密度和空隙率，并按照淘洗法测得机制砂中石粉的含量。按照广口瓶法测定粗集料的堆积密度和空隙率[3]。配制水胶比分别为0.6、0.55、0.5、0.47、0.44的机制砂混凝土，采用强制式搅拌机拌合，搅拌时间为3min，高效减水剂采用后掺法。试件采用振动台振动成型，时间为2min。按照（GB/T50080-2002）《普通混凝土拌合物性能实验方法标准》中的坍落度法测得该组机制砂混凝土的工作性。按照（GB/T50081-2002）《普通混凝土力学性能实验方法标准》测得混凝土试件的抗压强度，并测得7d、28d及56d的混凝土抗压强度。计算不同水胶比下的粉体当量总体积，并对比其坍落度、扩展度和抗压强度的实验结果进行分析。

2.2 实验材料

水泥：P.O.42.5级普通硅酸盐水泥，水泥性能实验表明，水泥各项指标均达到国家标准，密度为3.05g/cm3。

矿物掺合料：优质粉煤灰和粒化高炉矿粉。粉煤灰密度为2.13g/cm3。矿粉密度为2.80g/cm3。

粗集料：粒径5～16mm和16～25mm两种粒级碎石分别按40%、60%的掺配使用，符合国家标准规定的Ⅱ类骨料。表观密度为2715g/cm3、紧致堆积密度为1685g/cm3、含泥量为3%、含水率为2%。

细集料：主要成分为花岗岩，含少量的砂岩及石灰岩的机制砂，表观密度为2.68g/cm3，砂中石粉含量为12.5%，石粉密度为2.67g/cm3、需水量比为1.05。

减水剂：高性能减水剂。减水率为30%，含气率为3%。

石粉：细度为200目的石粉，密度为2.63g/cm3、比表面积为1638g/cm3、需水量比为1.06。

水：混凝土拌合及养护用水均为自来水。

3 实验步骤

3.1 粉体当量体积法下，不同水胶比的机制砂混凝土配合比的计算

根据粉体当量体积的计算步骤，对不同水胶比的粉体当量总体积和粉体当量总体积进行计算。在不外加石粉的情况下，计算水胶比分别为0.6、0.55、0.5、0.47、0.44时的机制砂混凝土的粉体当量體积，并测得相应的坍落度、扩展度和抗压强度值。首先对水胶比为0.6的混凝土的粉体当量体积进行计算，细集料采用机制砂，粉煤灰含量为40%。具体如下：

当水胶比为0.6时，加入水170kg，计算胶凝材料Cb、水泥量：

Cb=170/0.6=283.33kg

由于粉煤灰含量为40%，则水泥含量为60%，水泥量=283.33×0.6=170kg。

胶凝材料浆体体积=170/3.05+283.33×0.4/2.13+170=278.9L

粉体当量总体积=170/3.05+（283.33×0.4/2.13） ×0.837+811.37×0.125×0.996/2.68=140L

粉浆体当量总体积=140+170=310L

按照上述计算步骤，使用粉体当量法将五组不同水胶比的配合比进行计算，计算结果见表2。

3.2 不同水胶比时，机制砂混凝土的和易性

将以上5组机制砂混凝土拌合物按照《普通混凝土拌合物性能实验方法标准》（GB/T50080-2002）中规定的坍落度和坍落扩展度实验方法进行测试，经测试结果如表3。

表3 不同水胶比细机制砂混凝土的坍落度和扩展度

3.3 不同水胶比时，机制砂混凝土的抗压强度

将5组编号的机制砂混凝土按照《普通混凝土力学性能实验方法标准》（GB/T50081-2002），试件尺寸采用100mm×100mm×100mm的立方体试件，成型后在温度为20±2℃，相对湿度为95%以上的标准养护室中，分別养护7d、28d和56d，并测试各试块的抗压强度。经测试，其抗压强度值见表4：

表4 不同水胶比下机制砂混凝土的抗压强度

4 实验结果分析

（1）表2到表4为粉体当量体积法下的不同水胶比机制砂的和易性和抗压强度的实验结果。该实验为未填加石粉的不同水胶比的机制砂混凝土拌合物的粉体当量总体积。从表2中可以看出水胶比由0.6减小到0.43，胶凝材料浆体体积也随之由278.9L减小到270L，实验结果均符合（JGJ55-2011）《普通混凝土配合比设计规程》中规定的不同水胶比时的最小胶凝材料用量规定。所需要的粉体当量总体积由139.7L增加至161.6L，由此可以看出，当水胶比在和粉浆体当量体积在增加。表3为不同水胶比下机制砂混凝土的坍落度和扩展度检测结果，可以看出粉体当量体积法下的不同水胶比的坍落度和扩展度是不一样的。不同的水胶比通过粉体当量体积法来设计配合比的机制砂混凝土，通过其坍落度和扩展度测试结果反映了，该配合比设计方法下的混凝土的和易性符合要求的，说明粉体当量体积法用以进行混凝土配合比设计的可行性。由表4可知，混凝土经过7d、28d和56d的标准养护抗压强度可达到33.65～55.99MPa，均达到抗压强度的要求。

（2）结合表2到表4可以看出，在表2的配合比下，胶凝材料用量在很低的情况下，抗压强度是可以满足规范要求的，可以作为平衡混凝土质量、消耗和成本的重要参照因素。

（3）在配制高性能混凝土时，必须具有一定的浆体。在保持水胶比不变的情况下，水泥浆量的过多会使得混凝土拌合料出现崩塌现象，反之则会出现流浆和泌水现象，且会增加水泥的用量[4][5]。所以在混凝土强度满足的条件下，满足混凝土和易性需要达到一定的浆体体积。粉体当量体积的提出则可以为配置机制砂混凝土提供依据。

5 结束语

通过对粉体当量体积法下，不同水胶比机制砂混凝土的和易性和抗压强度的实验和分析，可以看出粉体当量体积法是具有可行性的，对优化现有的机制砂混凝土配合比设计、合理改善机制砂混凝土和易性具有一定的参考价值。本文仅仅研究了粉体当量体积法下，这是由于水胶比是影响混凝土强度和和易性的重要因素，是其可行性研究的基础。除此之外，砂率、矿物掺合料及外加剂对机制砂混凝土的和易性亦具有影响，综合考虑以上因素是继续研究粉体当量体积法配合比设计方法的重要方向。

参考文献

[1]王保国.机制砂高性能混凝土的试验研究与应用[J].工程与试验，2011（6）28-31.

[2]于春辉.低强度高性能机制砂混凝土和易性的研究[D].西南交通大学，2013.

[3]GB14684-2001 建筑用砂[S].

[4]黄鹤，牛一凡.机制砂的性能及其对混凝土性能的影响[J].价值工程，2011，104-105.

[5]黄士元.近代混凝土技术[M].西安：科学技术出版社，1998.