机制砂混凝土配合比设计参数选择的研究

于新荣詹镇峰李从波

（1佛山市鸿狮混凝土有限公司；2广州大学土木工程学院）

机制砂混凝土配合比设计参数选择的研究

于新荣1詹镇峰2李从波2

（1佛山市鸿狮混凝土有限公司；2广州大学土木工程学院）

机制砂中的石粉含量影响着单位用水量、砂率等参数选择。本文在试验的基础上，探讨了机制砂石粉含量对水灰比与强度关系、单位用水量以及砂率等参数的影响，提出对水灰比与强度关系，以及单位用水量、砂率选择的修正公式，希望本文的试验结果对机制砂配合比设计有参考作用。

机制砂；石粉；混凝土配合比；设计参数

由于天然砂资源的匮乏，机制砂作为混凝土细骨料的替代材料，正被越来越广泛地应用于各种工程建筑中。与天然砂相比，机制砂的特证表现为：颗粒粒型粗糙，级配差，含有一定量的细颗粒（石粉）等。用机制砂配制混凝土时，由于机制砂的颗粒粒型粗糙和级配差的原因，如果砂率选择不当，容易出现拌合物干涩、泌水等现象，同时，也由于机制砂含有一定的石粉使得单位用水量要高于河砂。但实践证明只要配合比设计恰当，利用机制砂同样可以配制满足工程要求的混凝土。作者通过对机制砂混凝土配合比的试验和总结，分析了石粉含量对机制砂混凝土的水灰比与强度关系的影响，以及对单位用水量和砂率选择的影响，并提出对水灰比与强度关系，以及单位用水量、砂率选择的修正公式，希望本文的试验结果对机制砂配合比设计有参考作用。

1　原材料

水泥：韶关昌山水泥厂有限公司生产，粤海牌中热硅酸盐水泥，强度等级为P·MH42.5。

粗骨料：石灰石，20～40mm，5～20mm二级配，m（20～40mm）：m（5～20mm）=60：40。

细骨料：机制石灰石岩人工砂，原石粉含量为12.2%，细度模数为2.8；天然砂：细度模数为2.7。

2　试验方案及配合比

将机制砂晾干后，用0.016mm的筛筛除石粉，并按试验要求配制不同石粉含量的机制砂。机制砂混凝土配合比设计流程、混凝土配制强度的确定、胶凝材料以及砂石骨料用量的计算与河砂混凝土相同，按JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》进行。

表1、表2分别为12%石粉含量的机制砂和河砂，不同水灰比下混凝土配合比及性能，表3为不同石粉含量机制砂混凝土配合比及性能。

表1　采用石粉含量为12%的机制砂配制混凝土

表2　采用河砂砂配制混凝土

3　试验结果与分析

3.1石粉含量对水灰比与强度关系的影响

表1、表2分别为不同水灰比下，机制砂、河砂混凝土的强度结果，对表1、表2数据处理，与灰水比进行线性回归，得出图1的结果，其线性回归方程式见式1～式4。

机制砂：

R7=16.791C/W-0.2246R2=0.9941（式1）

R28=12.563C/W+16.178R2=0.9789（式2）

天然砂：

R7=14.808C/W+0.9348R2=0.9899（式3）

R28=12.598C/W+11.853R2=0.9865（式4）

众所周知，混凝土的强度与灰水比在一定范围内是呈现出线性关系。图1的结果可以看出：

图1　机制砂与天然砂混凝土的强度与灰水比关系

图2　石粉含量与混凝土强度关系

⑴机制砂混凝土的强度与灰水比关系与天然砂一样表现出良好的线性关系，且相关系数均在0.97以上。

⑵机制砂混凝土的7d和28d强度关系线均在河砂的上方，这说明在同样水灰比下，机制砂的强度高于河砂，由于本试验采用的机制砂母岩是石灰石，而石灰石粉在水泥水化过程中能起到晶核和微集料的效应，提高混凝土的强度，即是说一定的石粉含量对混凝土强度有增强效果。

表3和图2为三种水灰比下，不同石粉含量的强度结果，式7～式12为线性回归方程式。该试验结果也验证了石灰石粉的增强效应，尤其是水灰比0.55时，石粉的增强效果更为明显，强度与石粉含量的相关性更好，7d和28d的线性相关系数均大于0.98，如式9、式12所示。

以上的试验结果证明了石粉对混凝土强度的增强作用，因此，以机制砂来配制混凝土时，考虑石粉的增强效应，可以对现有的水灰比计算公式作适当的修正，以本试验为例，参照以上的试验结果，在相同水灰比下，12%石粉含量的机制砂 28d强度比河砂高 4.1～4.5MPa，即：R机，12=R河+（4.1～4.5）MPa，其中：R机，12为12%石粉含量的机制砂强度，R河为河砂混凝土强度。石粉含量在6%～21%范围内，某一石粉含量的机制砂混凝土R机=R机，12+（φ-12）×k，与河砂相比的增加量为：

ΔR=（4.1～4.5）+（φ-12）×k

其中φ为石粉含量，其值在6%～21%之间；

k线性回归线的斜率，其值在0.481～0.738之间。

根据鲍罗米公式，机制砂的配制强度fcu，o与灰水比的关系可修正为

fcu，o，机=αafce（C/W-αb）+ΔR（式5）

或：

W/C=αafce/（fcu，o，机+αaαbfce-ΔR）（式6）

修正后公式的意义在于：与河砂相比，采用机制砂配制同样强度的混凝土，因石粉的增强效应，其水灰比可随石粉含量的增大而提高，反之，减小。

R7=0.4343φ+35.404R2=0.9176（W/C=0.35）（式7）

R7=0.4962φ+28.751R2=0.9769（W/C=0.45）（式8）

R7=0.6048φ+21.452R2=0.9835（W/C=0.55）（式9）

R28=0.5648φ+42.092R2=0.9057（W/C=0.35）（式10）

R28=0.481φ+36.09R2=0.959（W/C=0.45）（式11）

R28=0.7381φ+26.452R2=0.9955（W/C=0.55）（式12）

表3　不同石粉含量机制砂混凝土配合比

表4　采用石粉含量为12%和18%的机制砂配制混凝土

3.2单位用水量的选择

单位用水量大小的选择取决于坍落度大小的要求以及砂、石的粗细，但对于机制砂而言，除了以上的因素之外，石粉含量的差异，也是影响单位用水量选择的一个重要因素。

相比于河砂浑圆的颗粒外形，机制砂颗粒表面粗糙，棱角多，同时含有一定量的石粉，因此，配制同样坍落度的混凝土，其单方用水量高于河砂，表1、表2的试验结果验证这一结论，从表中的试验结果可以看出，以12%石粉含量的机制砂，配制与河砂相同（或相近）的坍落度，其单方用水量比河砂约高20kg。

表4为机制砂的石粉含量分别为12%、18%，固定W/C=0.50，无掺外加剂的情况下，混凝土的坍落度随单位用水量变化的变化情况，图3为对两者的线性关系图。

从图3可以看出，用水量和坍落度呈现出良好的线性关系，线性相关系数均超过了0.95，同时由表3中的数据可以计算出：当石粉含量为12%时，坍落度增加2cm，单位用水量大约需增加8kg/m3；当石粉含量为18%时，坍落度增加2cm，单位用水量大约需增加8.5kg/m3，而同样条件下，河砂混凝土拌合物的坍落度每增加2cm，单位用水量大约需增加5kg/m3，低于机制砂，其原因在于机制砂含有较多的细颗粒（石粉）。

对表3的数据进行分析处理还得出：水灰比0.35～0.55，石粉含量6%～21%之间，石粉含量每增加10%，同样的单位用水量，其坍落度减小约1.6cm。

基于以上的试验数据，以12%石粉含量为参照样，机制砂混凝土的单方用水量（W机制砂）可参照公式（式13）来计算

W机制砂=W表+20+0.16×4×（φ-12）

即

W机制砂=W表+0.64φ+12.32（式13）

式中：W表为JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》表5.2.1-2中的选值；

φ为石粉含量，其值在6%～21%之间。

图3　单位用水量与坍落度的关系

3.3砂率的选择

机制砂总体上细度模数偏大，级配欠佳，级配呈现两头大、中间小的现象，同时颗粒表面粗糙、棱角尖锐，纵长比较大、扁平比较小，不及河砂浑圆，颗粒之间存在架桥、摩擦、阻滞作用，含有一定量的石粉，机制砂砂浆更粗涩，流动度更低，对粗骨料的润滑作用较河砂砂浆小，为了保证机制砂混凝土具有较好的工作性，往往要提高砂率。

表5为机制砂和河砂混凝土配合比。配合比设计中，选用相同的单位用水量以确保胶材用量相同，通过外加剂掺量变化调节拌合物的坍落度。从表5可以看出，机制砂的砂率高于河砂，以石粉含量为12%砂为参照样，水灰比为0.55时，机制砂的砂率增大了3%；水灰比为0.45时，机制砂的砂率增大了2%。同时随着石粉含量的增加，砂率的选择可逐渐减小，综合表5以及表3等试验数据，认为石粉含量每增加3%，砂率相应减少0.5%；因此，人工砂砂率Sp人的选择可参照公式式14来计算：

Sp人=Sp河+（2%～3%）-（φ-12%）/6（式14）

其中Sp河按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中表5.4.1选择；φ为石粉含量，其值在6%～21%之间。

表5　不同石粉含量机制砂及天然砂混凝土配合比

4　结语

用机制砂配制普通混凝土同样可以按照现行的JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》进行，但由于机制砂含有一定量的石粉，这使得在强度与水灰比关系、单位用水量和砂率等参数的选择等方面有别于天然砂。本文在试验的基础上，分析了机制砂石粉含量对强度与水灰比关系、单位用水量和砂率的影响，结合现有的配合比设计规程（JGJ55-2011），提出了对水灰比与强度关系、单位用水量和砂率的修正公式，希望对机制砂的配合比设计有一定的参考作用。●

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ55-2011普通混凝土配合比设计规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.