基于最佳级配曲线下机制砂与天然砂混合级配的研究

王琴，刘军，朱炎宁，罗志明

（中建西部建设股份有限公司，新疆　乌鲁木齐　830000）

基于最佳级配曲线下机制砂与天然砂混合级配的研究

王琴，刘军，朱炎宁，罗志明

（中建西部建设股份有限公司，新疆乌鲁木齐830000）

本文采用新疆的水泥、天然砂、机制砂为原材料，使用一般的技术手段研究在最佳级配曲线下的机制砂与天然砂混合，混合后的砂满足 JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》。将得到的最佳级配的混合砂与一定数量的活性矿物掺合料、外加剂共同使用，进行大量配合比试验，取得试验数据，在混凝土抗压强度及耐久性方面得出一定的结论，制备的混凝土拥有良好的工作性和操作性，且各项技术指标满足 GB 14902-2003《预拌混凝土》的要求。

机制砂；天然砂；混合级配

1　试验原材料与方法

1.1原材料

考虑到现实生产中的原材料选择、运输等问题，本试验采用的天然砂、机制砂均来自乌鲁木齐周边砂场。

水泥： P•O 42.5R 水泥，其具体性能见表 1。

表1　水泥的主要性能

粉煤灰（FA）：Ⅲ 级干排原状粉煤灰，细度 31.0%，需水量比 94%，烧失量 5.4%，SO3含量 0.9%。

粒化高炉矿渣（K）：比表面积 389m2/kg，7d 抗压强度比为 76%，28d 为 114%。

天然砂（S）：乌鲁木齐市地产各项技术指标符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》规定。其具体性能见表 2。

表2　天然砂的性能指标

卵石（G）：颗粒级配 5～20mm，针片颗粒含量 6%，压碎指标 9%。颗粒级配 5～40mm，针片颗粒含量 5%，压碎指标 6%。

外加剂：减水率 18%。

机制砂：乌鲁木齐市周边，其具体性能见表 3。

表3　机制砂的性能指标

1.2试验方法

将天然砂与机制砂进行混合，按照一定的比例，得到级配良好的符合国家标准的混合砂。利用混合砂进行混凝土试验，主要以C30泵送混凝土为主。并针对机制砂中的石粉，研究其对混凝土耐久性的影响。

2　最佳混合比例的确定

机制砂细度模数偏大，不宜单独使用配置混凝土，而天然砂细度模数为 2.5，与泵送的最佳细度模数 2.6～2.9 相差不远，所以采用机制砂取代天然砂的方法进行混合。GB/T 14684-2011 中细度模数计算公式如下：

混合砂的细度模数计算公式可以按下式确定：

其中：

MX——细度模数；

A1、、A2、A、3、A4A5A6——分别为天然砂在 4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.600mm、0.300mm、0.15mm 筛上的累积筛余百分比；

A'、、A'、A、'、A'A'A'——分别为机制砂在4.75mm、

123456 2.36mm、1.18mm、0.600mm、0.300mm、0.15mm 筛上的累积筛余百分比；

a——天然砂所占混合砂百分比。

根据多年的施工经验，高强高性能混凝土细度模数为2.6～2.9 时最适合，即：

代入数据可以得到：0.37≤a≤0.75

即机制砂的取代率在 0.25 到 0.63 之间时混合砂的系度模数在 2.6 到 2.9 之间。

3　最佳混合配比确定

将机制砂与天然砂的比例关系进行合理调配，使混合砂的颗粒级配在 Ⅱ 区范围内。

通过分级筛余的结果可以分别得出天然砂、机制砂最为集中的粒径，设为 i、u。设混合砂中天然砂含量为 x，则机制砂含量为 1-x。设混合砂中粒径i要求的分级筛余量为 am(i)，天然砂、机制砂在该粒径的分级筛余量分别为 aA(i)、 aB(i)，则：

对结果取平均值，得到的即为大致满足混合砂级配要求的机制砂含量。

采用按分级筛余级配中值。am(i) 可根据 JGJ/T 10-95《混凝土泵送施工技术规程》中提供的最佳级配曲线（图 1）来选取，使混合砂颗粒级配在泵送区内，接近最佳级配线。

图1　细骨料最佳级配曲线

表4　骨料的分级筛余和混合砂要求的级配范围

由表 4 可以看出，机制砂占优势粒径为 y=1.18mm，天然砂占优势粒径为 i=0.3mm。将相应的 aA(i)，aB(i)，aA(y)，aB(y) 按分级筛余级配范围中值即 am(i)，am(y) 带入式（1）、（2），得到：

aA(0.3)X+ aB(0.3)(1-X)= am(0.3)

aA(1.18)X’+ aB(1.18)(1-X’)= am(1.18)

0.315X+0.114(1-X)=0.255求得 X= 0.70

0.12X’+0.304(1- X’)=0.175求得 X’=0.73

求 X 和 X’的平均值，(0.70+0.73)/2=0.72 即当天然砂占混合砂比例为 72% 时，混合砂的级配良好，理论上级配曲线可处于 Ⅱ 区范围内，且曲线最接近于中线。而0.37≤0.72≤0.75 在计算的取代范围之内。

4　混合砂检测及性能试验

4.1混合砂级配曲线

将天然砂与机制砂按 72:28 的比例混合，可以得到所需要的机制砂，对混合砂进行筛分试验得到 Mx=2.6。混合砂筛分试验结果见表 5。

表5　混合砂筛分试验结果

将混合砂的级配与最佳级配曲线进行对比，如下表 6。

表6　混合砂级配与最佳级配曲线对比

通过数据对比可以发现混合砂的级配曲线与泵送混凝土细骨料最佳级配曲线基本吻合，因此可以断定试验得到了具有最佳级配曲线的混合砂。

4.2工作性能试验及分析

分别用机制砂、天然砂、混合砂进行配合比试验，以泵送 C30 混凝土为例。配合比见表 7，不同细骨料对混凝土性能的影响见表 8。

表7　C30 混凝土配合比

表8　不同细骨料对混凝土性能的影响

分析表 8 数据可知，在同样的条件下进行混凝土拌制，混合砂坍落度介于天然砂与机制砂之间，这是由于机制砂级配不理想，颗粒相对集中，用其拌制的混凝土流动性不好；机制砂表面粗糙、棱角分明，不像天然砂表面那样圆滑，因此流动性不及天然砂；机制砂与天然砂混合，有效的改善了细骨料的颗粒级配，补充了 0.315mm 以下的颗粒，较大的改善了混凝土的流动性。

在同一条件下拌制的三类混凝土，28d 强度均达到要求，混合砂混凝土强度及强度增长速度介于天然砂与机制砂之间。这是由于机制砂表面粗糙且多棱角，与水泥之间的粘结性能好，界面作用力大，故水灰比相同的情况下，由机制砂配制的混凝土强度略高；机制砂中含有一部分石粉，可以填充空隙，提高混凝土致密性，对外加剂吸附作用小，可以在一定程度上提高混凝土工作性能及强度。

4.3耐久性能试验及分析

（1）抗碳化性能

按照同一配合比，使用三种不同砂配置混凝土，28d 自然养护后，比较碳化深度。碳化深度见表 9。

表9　天然砂、混合砂、机制砂的碳化深度

由此结果可见，混凝土抗碳化能力依次为：混合砂＞天然砂＞机制砂。

影响混凝土结构中混凝土碳化的因素有材料因素、施工因素、环境因素三大类。材料因素包括：水泥种类、水灰比、外加剂、骨料品种与级配等。机制砂混凝土抗碳化能力较弱，是由于级配不好，孔隙率大，虽然机制砂中的石粉能够在一定程度填充混凝土的空隙，但在相同配合比的试验中，相对于其他砂配制的混凝土孔隙率仍然较大，密实度不佳，从而其抗碳化能力较弱。

（2）三类砂对混凝土抗渗性能的影响

按照同一配合比，使用三种不同砂配置混凝土，研究养护 28d 后，测量三者在 1.0MPa 水压时的渗水高度。结果表明，三者渗水高度相差不大，均在 70～80mm，表明机制砂混凝土和混合砂混凝土虽然在孔隙率、级配以及密实度等方面不及天然砂，但均没对混凝土的抗渗性造成较大影响。

5　石粉含量对混凝土性能的影响

众所周知机制砂是通过机械破碎后的产品，因此石粉含量较高，为了研究石粉含量对混凝土性能的影响，采用C30配合比对混合砂进行混凝土试验。

5.1石粉含量对拌合物泌水率的影响

按照同一配合比，掺入不同含量的石粉，得到石粉含量对混凝土拌合物泌水率的影响见表 10。

表10　石粉含量对混凝土拌合物泌水率的影响

从表 10 可以看出，当其他条件相同时，当石粉含量较低时，很难配制出工作性很好的混凝土，混合砂虽然级配良好，但是由于颗粒形貌不良，导致其配制出来的混凝土工作性能较差，泌水率较高。但当机制砂中掺入一定量的石粉时，混凝土工作性得到明显提高，同时降低了泌水率。

5.2石粉含量对混凝土抗压强度的影响

混凝土抗压强度是混凝土性能中最重要的参数之一。混凝土的大多数重要性能都直接影响着混凝土抗压强度。表 11为石粉含量对混凝土抗压强度的影响。

从表 11 可以看出：C30 混凝土中，混合砂中石粉含量在20% 以下时，以及 C60 混凝土中，石粉含量在 15% 以下时，石粉对混凝土强度有一定的提高作用。就强度而言，C30 与C60 混凝土的最佳石粉含量分别为 15%、10%。

6　结果与讨论

（1）机制砂的取代率在 0.25 到 0.63 之间时混合砂的细度模数在 2.6 到 2.9 之间；当机制砂占混合砂比例为 28%时，混合砂的级配良好，理论上级配曲线可处于 Ⅱ 区范围内，且曲线最接近于中线，中线即为细骨料的最佳级配曲线；

（2）在同样的条件下进行混凝土拌制，混合砂的坍落度介于天然砂与机制砂之间，同样养护条件下，28d 强度均达到要求，混合砂混凝土强度及强度增长速度介于天然砂与机制砂之间；

（3）混凝土抗碳化能力依次为混合砂较好，天然砂次之，机制砂最弱，混凝土抗渗性无明显差别；

（4）混合砂中石粉的含量对混凝土工作性能有一定影响，当石粉含量为 5% 时，混凝土工作性能达到最佳；当石粉含量增加时，混凝土保水性能越好，泌水率减小；对于C30、C60 混凝土，当混合砂中石粉含量分别在 20%、15%以下时，石粉对混凝土强度有提高作用，最佳石粉含量分别为 15%、10%。

[1] 机制砂特性及其在混凝土中应用的相关问题研究[J]．新型建筑材料，2010(11)：1-4．

[2] 黄志福．论机制砂在泗许高速公路中应用的质量控制[J]．工程与建设，2009(2)：256-257．

[3] 蒋正武，黄青云，肖鑫，等．机制砂特性及其在高性能混凝土中的应用[J]．混凝土世界， 2013(1)：35-44.

[4] 胡晓曼，董献国．机制砂和细砂在 C60 高性能混凝土中的研究[J]．混凝土，2012(1)：91-93．

［通讯地址］新疆乌鲁木齐雅山中路 418 号（830000）

王琴（1988—），女，硕士研究生，主要从事混凝土减水剂及混凝土新技术、新产品的开发与应用。