重庆地区石灰岩机制砂混凝土用水量的量化调整

陈富山，王思谦，杨俊飞，艾永忠

（1. 中铁十五局集团第三工程有限公司，重庆 402282；2. 河南四通工程检测有限公司，河南 洛阳 471002；3. 陕西基业长青新材料有限公司，陕西 西安 712000；4. 榆林市建设工程质量安全监督中心站，陕西 榆林 719000）

0 前言

随着我国的铁路、公路、市政等基建项目的大量开工，混凝土用量也快速增长，砂作为混凝土的重要原材料之一，其需求量越来越大。天然砂具有短期不可再生的特点，过量开采会破坏河道，危及生态环境，很多地区已经限制或直接禁止了天然砂的开采。在我国西部贵州、重庆、四川等省份，受地理条件限制，天然砂资源极度匮乏。这使得建设用砂的供需矛盾日益突出。

机制砂的使用，可以避免河砂滥开滥采，保护河道，减少运输成本，在混凝土中用机制砂替代天然砂是一个必然的趋势。开展机制砂混凝土配合比研究工作，对混凝土质量控制具有重要的指导意义。

机制砂也叫人工砂，是通过制砂机、除尘设备等将岩石经逐级破碎、筛分、除尘加工成的粒径不大于4.75mm 的颗粒，用于替代混凝土中天然砂的材料。石粉是指机制砂中粒径小于 75μm 的颗粒，其成分与母岩一致。许德兴[1]等人认为，石粉对混凝土的影响较大，适量的石粉可以改善混凝土的工作性能、力学性能和耐久性，石粉含量过大和过小都会显著影响混凝土的工作性。

由于生产企业选用的制砂机和生产工艺不同，市场上机制砂的质量差异较大。优秀的生产厂家，可以做到对机制砂的级配、粒型、石粉含量、MB 值进行精准地控制，并保持稳定。但受各方面因素制约，这种机制砂短期内难以普及。目前市场上绝大多数的机制砂都存在颗粒级配、粒型、石粉含量波动范围较大的缺陷，这就给机制砂混凝土的质量控制带来了巨大的挑战。

本文在保证混凝土的强度、耐久性满足设计要求的前提下，根据机制砂石粉含量的多少，对混凝土的单方用水量进行了量化调整，以供大家参考。

1 混凝土用原材料

（1）水泥：重庆华新地维水泥有限公司采用新型干法旋窑工艺生产的 P·O42.5，其主要指标见表1。

表1 水泥性能指标

（2）粉煤灰：重庆华珞粉煤灰有限公司 F 类Ⅱ级，45μm 方孔筛余量 22.1%，烧失量 3.10%，需水量比 98%，28d 强度活性指数 76%。

（3）机制砂 1：重庆喆松鑫磊建材有限公司，石灰岩质，符合Ⅰ区粗砂级配范围，细度模数 3.2，MB值 0.8g/kg，石粉含量 7.0%，压碎值 22%。

机制砂 2：重庆渝胜矿业有限公司，石灰岩质，符合Ⅰ区粗砂级配范围，细度模数 3.1，MB 值 1.0g/kg，石粉含量 14.9%，压碎值 21%。

机制砂 3：重庆渝胜矿业有限公司，石灰岩质，符合Ⅰ区粗砂级配范围，细度模数 3.1，MB 值 1.0g/kg，石粉含量 17.1%，压碎值 22%。

机制砂 4：重庆喆松鑫磊建材有限公司，石灰岩质，符合Ⅰ区粗砂级配范围，细度模数 3.2，MB 值0.8g/kg，石粉含量 5.0%，压碎值 21%。

（4）河砂：湖南洞庭湖天然砂，属于Ⅰ区粗砂级配范围，细度模数 3.1，表观密度 2670kg/m3，含泥量2.1%。

（5）碎石：重庆市长寿区生产的石灰岩质 5～25mm 连续级配碎石，含泥量 0.8%，压碎值 8%。

（6）石粉：重庆渝胜矿业有限公司，45μm 方孔筛余量 12.6%，碳酸钙含量 83%，MB 值 0.9g/kg，流动度比 102%，28d 抗压强度比 71%，标准稠度用水量28.0%，比表面积 358m2/kg。

（7）减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司，PCA-I 聚羧酸缓凝型高性能减水剂，与水泥、粉煤灰之间具有良好的相容性，减水率 26%，含气量 2.5%，坍落度 1h 经时变化量 20mm。

（8）拌合水：可饮用地下水。

2 配合比设计及结果分析

2.1 石粉含量对混凝土工作性的影响

选用 C35 配合比来进行不同机制砂石粉含量的混凝土性能试验，分析不同石粉含量对混凝土工作性能的影响。配制机制砂混凝土时，砂率在河砂配合比基础上提高 2%，使混凝土拌合物的性能基本保持一致。试验结果见表2。由表2 可以看出，当机制砂石粉含量在 7.0%以内、水胶比在 0.38 时，同工作性混凝土的单方用水量与河砂基本一致，此时，河砂的砂率可作为机制砂的等效砂率；等效砂率可以将石粉从砂中区别开来，不将石粉做为机制砂的全部，以区别通常意义上的砂率。石粉含量对混凝土工作性的影响，可以通过等效砂率来体现，在一定含量石粉时混凝土已具有良好工作性的情况下，随着石粉含量的增加，坍落度因混凝土拌合物稠度的增加而减小，故在调整配合比选取砂率或等效砂率时，需要兼顾石粉含量。

当石粉含量继续增大，石粉含量分别在 8%、10%时，混凝土的流动性随之变差，要达到相同工作性，混凝土的用水量或减水剂用量将相应增大。因此将机制砂石粉含量 7.0% 作为一个界限，对超过该界限部分的石粉进行量化计算，采用同水胶比来进行混凝土单方用水量补充，从而使混凝土的工作性满足要求。选用目前普遍使用的 C40、C35、C30 配合比来进行试配。试配过程及混凝土工作性能详见表3。

表2 石粉含量对 C35 混凝土工作性的影响

表3 混凝土配合比设计与调整

由表3 可以看出，机制砂石粉含量超过 7.0% 时，通过计算机制砂中石粉含量超过 7.0% 的含量，采用同水胶比对该部分石粉进行用水量补充，调整后的混凝土性能能够满足工作性要求，其坍落度实测值略大于石粉含量 7.0% 的配合比，由于该石粉的标准稠度用水量与水泥的标准稠度用水量基本一致，混凝土的粘聚性无太大差异。同理，随着粉体材料总量的增加，要达到同样工作性的混凝土，就应该增加同样水胶比所对应粉体的用水量。

2.2 硬化混凝土抗压强度及电通量

试验结果见表4。

表4 混凝土抗压强度及电通量

机制砂 1、机制砂 2、机制砂 3 石粉含量分别在7.0%、14.9%、17.1%，通过表4 对比，机制砂石粉含量在 7.0% 时，各龄期混凝土的抗压强度值最高、电通量最小，且优于河砂混凝土。主要原因是适量的石粉具有良好的微集料填充效应，石灰石粉使砂浆连通孔变少，降低了混凝土内部的孔隙，提高了混凝土的密实性，从而提高了其强度及耐久性能。石粉颗粒具有改善胶凝材料级配的作用，通过减小空隙率来减小用水量的需求。

随着机制砂石粉含量的进一步增大，混凝土的早期强度增长逐渐放缓。石粉含量为 17.1% 时，混凝土 7d抗压强度只达到同龄期河砂强度的 70% 左右。后期随着龄期的增长，该影响逐步缩小，至 120d 龄期时，抗压强度趋于一致。56d 与 120d 龄期的混凝土电通量随着石粉含量的增大有微增，但增幅不大，处于同一水平。主要为大粉煤灰掺量的混凝土，浆体中过量的石粉在混凝土结构中造成过度填充，增大了水泥颗粒间的距离，影响水泥水化胶结后的交联，混凝土的早期强度增长缓慢。随着龄期的增长，胶凝材料会充分水化与石粉一起形成致密结构，后期强度与耐久性有快速增长。

3 结论

（1）通过计算混凝土中机制砂石粉含量超过 7.0%的部分，采用同水胶比来对混凝土的单方用水量进行补充的调整方法，使混凝土工作性差的问题得到了解决，对混凝土的最终强度和耐久性影响很小。

（2）采用大石粉含量的机制砂进行混凝土配制时，建议混凝土抗压强度的验收龄期宜为 56d 以上。

（3）对早期强度增长要求较高的混凝土，机制砂石粉含量控制不宜过大。