机制砂水泥混凝土的配制及性能研究

董 瑞，薛长武，贾庆荣，沈卫国

（1.广东省南粤交通投资建设有限公司，广东 广州 510101；2.武汉理工大学建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 430070）

0 引言

近年来，随着我国基础设施的大力发展与自然资源的不断开采，很多地方的天然砂已近枯竭，质量不断下降，含泥量越来越大，颗粒级配严重超出了国家标准。此外，有些抗洪形势严峻的地区已禁止天然砂的开采，例如长江、黄河等主要产砂地区，这也导致了天然砂资源更加贫乏，局部地区天然砂的运费已经超过其售价几倍，高昂的运费使混凝土的费用显著提高。

混凝土用砂可分为机制砂和天然砂两类[1-2]，机制砂是采用制砂机和其他附属设备加工而成的粒径小于4.75 mm的岩石颗粒。天然砂是自然条件作用（主要是岩石风化）而形成，按其成因分为山砂、河砂及海砂，其手感比较细腻，是一种不可再生资料。

因此，生产符合规范要求的机制砂替代人工砂已迫在眉睫。鉴于某些地区的特殊情况，我国道路科研工作者很早就开始了机制砂在混凝土中相关应用研究工作[3-4]。本文立足于机制砂在广西靖那高速公路全线的推广应用，对机制砂混凝土的配制进行了一系列试验研究，确定了相应混凝土配合比的技术参数，为全线机制砂混凝土的配制提供了有力的技术支持。

1 C30机制砂混凝土的配制

本文选用靖那高速二标段项目部试验室所用的原材料，经过对全线结构混凝土等级统计分析可知，桥梁桩基、承台、立柱等下部结构，隧道初喷、二次衬砌、路面垫层等结构主要采用低标号混凝土。本研究以C30机制砂泵送混凝土为研究对象，混凝土的设计坍落度在140～170 mm。

1.1 砂率的确定

1.1.1 固定水灰比机制砂混凝土砂率试验

固定减水剂掺量和水灰比，砂率控制在36%～44%，按照2%的砂率增量来研究其对机制砂混凝土拌合物和易性及强度的影响，试验配合比见表1，砂率对C30机制砂混凝土性能的影响见图1。

表1 固定水灰比条件下砂率对C30机制砂混凝土的影响

图1 砂率对C30机制砂混凝土性能的影响

由表1和图1可知：a）固定水灰比情况下，砂率对混凝土拌合物性能具有显著影响，砂率越大黏聚性越好，当砂率为40%时混凝土的坍落度最大，泵送性最好。b）混凝土强度受砂率的影响不明显，但当砂率为40%时其抗压强度最高，28 d抗压强度均高出设计要求。分析原因可知，当砂率较低时，使得砂浆量不足以充分包裹骨料及填充骨料间的空隙，导致混凝土的密实性不足及黏聚性较差，最终造成混凝土强度相对减小，和易性变差。当砂率增大时，集料含量与水泥用量会相应减小，混凝土的内摩擦力增大致使流动性降低，坍落度相应减小，粗集料的骨架支撑作用与粗集料之间的黏结强度降低，抗压强度也随之降低。

1.1.2 固定坍落度机制砂混凝土砂率试验

保持拌合物坍落度在150±5 mm，配制C30机制砂混凝土，研究坍落度一定条件下砂率对机制砂混凝土强度及和易性的影响，混凝土配合比见表2，砂率对C30混凝土性能的影响见图2。

表2 固定坍落度下砂率对C30机制砂混凝土的影响

图2 固定坍落度下砂率对C30机制砂混凝土性能的影响

由图2可知，C30机制砂混凝土在设计坍落度（150±5 mm）的条件下，砂率在36%～44%之间，不同水灰比的混凝土均符合工作性要求，其中当砂率在40%时，用水量最低，7 d及28 d抗压强度最高。

1.2 水灰比的确定

固定砂率与水泥用量，调整水泥比，以研究水灰比对C30机制砂混凝土性能的影响，选择的配合比见表3，关系曲线见图3。

由图3可以看出：单位水泥用量一定时，随水灰比增大，坍落度逐渐增大，拌合物和易性得到明显改善，但抗压强度呈减小趋势，强度与水灰比相关性较好。分析原因可能是因为水灰比逐渐增大，使得用水量增加，混凝土内部的浆体数量也相应地增加，当用水量过大时，会降低浆体的黏度，混凝土对应龄期的强度降低。依据本文试验分析，并结合实践经验与设计文件要求，可选取0.46或0.48作为C30机制砂泵送混凝土的水灰比。

表3 水灰比对C30机制砂混凝土性能的影响

图3 水灰比对C30机制砂混凝土性能的影响

2 C40机制砂混凝土的配制

选用靖那高速二标段项目部试验室所用的原材料，经过对全线结构混凝土等级统计分析可知，预制空心板封端、盖板、桥梁空心薄壁墩等结构体主要采用中高标号混凝土；本研究以C40机制砂泵送混凝土为研究对象，设计坍落度为140～180 mm，然后确定了配合比的最佳水灰比与砂率。

2.1 砂率的确定

2.1.1 固定水灰比机制砂混凝土砂率试验

固定减水剂掺量和水灰比，砂率控制在36%～44%，按照2%的砂率增量来研究其对机制砂混凝土拌合物和易性及强度的影响，试验配合比见表4，砂率对C40机制砂混凝土性能的影响见图4。

表4 固定水灰比条件下砂率对C40机制砂混凝土的影响

图4 砂率对C40机制砂混凝土性能的影响

由表4和图4可以看出：a）固定水灰比情况下，砂率对混凝土拌合物性能具有显著影响，砂率越大黏聚性越好，当砂率为42%时混凝土的坍落度最大，泵送性最好。b）混凝土强度受砂率的影响不明显，但当砂率为42%时其抗压强度最高，28 d抗压强度均高出设计要求。

2.1.2 固定坍落度机制砂混凝土砂率试验

保持拌合物坍落度在150±5 mm，配制C40机制砂混凝土，研究坍落度一定条件下砂率对机制砂混凝土强度及和易性的影响，混凝土配合比见表5，砂率对C40混凝土性能的影响见图5。

由图5可知，在设计坍落度为150±5 mm的条件下，砂率在36%～44%之间，不同水灰比的混凝土均符合工作性要求，其中当砂率在42%时，用水量最低，7 d及28 d抗压强度最高。

表5 固定坍落度条件下砂率对C40机制砂混凝土的影响

2.1.3 不同水灰比机制砂混凝土砂率试验

图5 固定坍落度下砂率对C40机制砂混凝土性能的影响

采用0.33、0.36及0.39三种水灰比配制的C40机制砂混凝土，以研究水灰比对C40机制砂混凝土性能的影响。由试验结果可知，低水灰比与高水灰比的最优砂率相比，减小约2%左右，整体最优砂率都集中在40%～42%之间。分析砂率对坍落度的影响可知，如果水灰比过小，由于增加了水泥浆的稠度，使得混凝土拌合物的黏聚性很容易达到，但较大的稠度会降低混凝土拌合物的流动性，此时，即使增加水泥砂浆的量，对拌合物的流动性的影响也不大，强度也随之减小；而当水灰比过大时，水泥浆较稀，则不能保证在粗骨料之间有足够的砂浆层，则会使得骨料之间存在包裹不良现象，从而影响了拌合物的流动度及后期强度。

2.2 水灰比的优选

固定水泥用量和砂率，调整水灰比，以研究不同水灰比对C40机制砂混凝土性能的影响，配合比见表6，关系曲线见图6。

表6 水灰比对C40机制砂混凝土性能的影响

图6 水灰比对C40机制砂混凝土强度的影响

由图6可以看出：单位水泥用量相同，混凝土的7 d和28 d抗压强度随着水灰比的逐渐增大而呈递减趋势，并从现场拌合后的混凝土工作性来看，随着水灰比的增加，体系自由水增加，使得整个混凝土体系的浆体数量增加，体系内摩擦力减小，润滑效应更加明显，和易性较好。依据本文试验分析，并结合实践经验与设计文件要求，当采用右江P·O42.5水泥配制C40机制砂泵送混凝土时可选取0.36作为其最优水灰比。

3 结论

本文通过研究不同砂率、不同水灰比对C30和C40机制砂混凝土和易性及抗压强度的影响，并对不同情况下机制砂混凝土各项性能进行比选，最后提出最优砂率和水灰比。

a）固定减水剂掺量和水灰比时，C30机制砂混凝土中最优砂率为40%，C40混凝土为42%；控制坍落度并固定减水剂掺量时，C30、C40机制砂混凝土得出的最优砂率基本上与固定水灰比吻合。

b）C30混凝土普通设计的坍落度所得出的最优砂率仍然适用于大坍落度状态下的机制砂混凝土；固定减水剂掺量时，低水灰比下比高水灰比下的C40机制砂混凝土最优砂率相对减小2%左右，整体最优砂率都集中在40%～42%之间。

c）固定水泥用量和最优砂率时，随水灰比的增大，坍落度呈现增长趋势，和易性得到改善，但强度呈降低趋势。结合本文试验分析与实践经验，当采用右江P·O42.5水泥时可选取0.46或0.48作为C30机制砂泵送混凝土的水灰比，C40机制砂泵送混凝土可选取0.36作为其最优水灰比。