机制砂混凝土配合比设计参数选择的研究

邓慧娥

摘要：本文主要针对机制砂混凝土配合比的设计参数展开了探讨，通过结合具体的试验实例，对试验的实际材料及方法作了详细的介绍，经试验结果分析，通过该设计配合比进行配制的混凝土性能良好，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。

关键词：机制砂；混凝土；设计参数；配合比

如今建设工程项目不断增加，建筑混凝土的需求量逐步增长，在天然矿资源相对紧缺的当下，做为混凝土主要原材料的天然砂受到各种条件的限制，因此，机制砂成为了天然砂的替代物，逐步推广运用于建筑工程的使用中。然而，机制砂在材料形状、性质、对混凝土的耐久性、工作性等都不同于天然砂，如果按照天然砂的使用方法应用于混凝土的生产，将带来极大的不良影响，导致建筑工程的质量不能达到规定要求。对于此，现对机制砂混凝土配合比设计做相关研究分析，以得到科学合理的参考书选择，提高机制砂配置性能及其工作性，从而完全取代天然砂为建筑工程发展提供应用。

1机制砂对混凝土性能影响

机制砂主要来源于碎石生产，是石块经数次破碎、分筛、冲洗，分离出各粒径的成品碎石后的下脚料。机制砂由机械加工而来，相比而言，天然河砂由于常年的摩擦腐蚀使得它的表面十分光滑棱角少，而机制砂则由于机械外力作用使得它的表面粗糙棱角较多，其粗糙的表面有利于机制砂相互之间的咬合，但是由于机制砂棱角较多也会大大的增加机制砂之间空隙，降低了机制砂的密实程度，这些性能会直接影响到机制砂混凝土的和易性和强度。

2机制砂混凝土配合比优化理论研究

2.1用水量参数的优化研究

相比天然砂混凝土，机制砂混凝土最大的优势是强度，绝大多数情况下，机制砂混凝土的强度都能超出天然砂混凝土强度，且高出混凝土设计强度许多，因此，笔者认为可以适当“牺牲”掉机制砂混凝土的这部分富余强度。

提升混凝土用水量，提高混凝土水灰比，虽然使得强度下降，但可以增强拌合物的和易性，使其工作性能提高。

在此思路下，设计配合比调整方案见表1。机制砂混凝土配合比中用水量调整后，混凝土性能结果对比见表1与图1，图2。

从表1、图1与图2中可以看出，对于C20～C40机制砂混凝土，增加5～8kg的用水量后，混凝土坍落度均有明显增加，从试验现场看，混凝土的流动性得到明显提高，具有较好的泵送性能。加水后，抗压强度确实均有下降，但只是造成了约1.5MPa左右的强度下降幅度，笔者认为在满足设计强度要求的前提下，这点强度的牺牲是可以接受的。由上述效果可知，机制砂混凝土配合比设计时，与普通混凝土相比，在保持胶凝材料不变的情况下，每方机制砂混凝土可以提高5～8kg的用水量，相对应的水灰比约增加0.01～0.03，强度约下降1.2～1.6MPa。

2.2胶凝材料用量参数的优化研究

石粉因其粒径细度近似胶凝材料，且部分石粉（石灰石石粉）具有一定活性，再加上石粉对混凝土结构起到填充密实效果，所以可以考虑用石粉来替代一部分胶凝材料。在试验中，因为考虑到矿粉和煤灰的早期强度不高，以及活性可能略低于水泥，故而在石粉替代胶材的时候，尽量替代矿粉和粉煤灰数量，保持水泥用量不变。具体方法为：在石粉添加之后，逐步减少粉煤灰和矿粉的用量，最后达到石粉等量取代粉煤灰和矿粉的用量。调整后配比见表2。

表2C30混凝土石粉替代胶凝材料的试验

上述试验中，水粉比=水/（水泥+FA+SL+石粉），通过试验可以看出，水粉比对混凝土强度的影响，明显不同于水灰比的线性影响规律，水灰比对强度的影响显得杂乱无章，其主要原因是，由石粉增加而导致的粉料总量增加，其对强度的增加效果，不如胶凝材料总量那么明显。因此，从上述试验可以看出，尽管石粉具有诸多有利于强度的优点，但实际中并不能起到大量替代胶凝材料的效果，根据试验效果，机制砂中石粉，能取代5～15kg的胶凝材料用量，其取代的极限数据是15kg。

从试验中坍落度可看出，由于石粉的需水量低于胶凝材料，且在混凝土中具有一定滚珠效应，使得石粉在替代部分胶凝材料后，混凝土坍落度得略微到提升。

2.3砂率参数的优化研究

配合比设计中的砂率，是影响混凝土工作性能的重要参数，由于砂率的变化，直接导致混凝土需水量的变化，对混凝土强度也有很大程度的影响。

本节对比了机制砂混凝土和天然中砂混凝土，在达到相同和易性的前提下，混凝土砂率的变化，如表3和表4。

通过表3和表4可以得出结论，为达到相同和易性，机制砂混凝土相比天然砂混凝土要高出2%～3%的砂率。分析其主要原因，应该是由于机制砂在颗粒形貌上包含大量不规则棱角，影响了水泥浆体对粗细骨料的包裹效果。又因为机制砂细度模数偏大且级配较差，混凝土层次感比较差，使得浆骨分离等现象容易发生。

2.4机制砂物理性能参数的优化研究

在实验室情况下，尤其是在一段时间范围内，机制砂作为试验材料，必然是相对恒定且稳定的，把机制砂性能作为混凝土配合比设计中的一个参数，似乎显得不重要。然而，面对实际生产来说，机制砂性能很容易出现不稳定的情况。在笔者调查研究的许多商品混凝土搅拌站，机制砂进场时的性能指标，尤其是石粉含量和细度模数这两个指标，经常出现较大波动，这给机制砂混凝土性能带来很大差异。因此，笔者认为，机制砂物理性能参数的实际情况，是配合比在设计时，需要优化调整的一个重要的参数。

2.4.1石粉含量变化时配合比优化方法研究由于生产厂家工艺、设备、控制等方面的差异不同，机制砂在生产过程中石粉含量难免不稳定，致使商品混凝土搅拌站很难用上长期稳定石粉含量的机制砂，而石粉含量对混凝土的性能有至关重要的作用，所以，需要商品混凝土搅拌站在使用机制砂时，时刻监控石粉含量，当机制砂中石粉含量发生变化时，灵活对配合比相关参数进行优化。经本试验研究，配合比参数优化方法和试验效果见表5。

从表5可看出，对于C30机制砂混凝土，当石粉的含量发生变化时，通过调整细骨料中机制砂与天然细砂的比例，可以达到优化混凝土的效果，具体为：当石粉含量在3%～9%范围内变化时，石粉含量每增加1%，细骨料中机制砂的比例提高约7%～8%。

2.4.2机制砂细度模数变化时配合比优化方法研究砂的细度模数是影响混凝土和易性的重要指标，相比于天然砂，机制砂的细度模数偏高，且级配较差，当机制砂和天然砂混合后，更增加了细骨料细度模数的复杂变化，故而当机制砂材料进场的时候，细度模数也成为严格检验的指标之一，由于机制砂细度模数发生变化，引起细骨料整体细度模数变化，则混凝土配合比需要进行调整优化才可应对。经本试验研究，配合比参数优化方法和试验效果见表6。

由试验结果看出，对于C30机制砂混凝土，机制砂细度模数在3.0～3.8范围内时，细度模数每增加0.2，配合比中的砂率应提高1%～2%，从而使机制砂混凝土满足设计要求。

2.5机制砂混凝土专用外加剂参数的优化

外加剂作为混凝土中重要的添加材料，对混凝土的性能往往起着关键性的作用，外加剂能有效影响混凝土的和易性、强度等方面的性能，对改善优化机制砂混凝土的性能可以起到一定的效果。

在混凝土所有材料中，砂石、胶凝材料相对而言基本难以变化，而外加剂是具有可灵活调整的特性，因此，在单方混凝土中，外加剂用量不变的情况下，如果能通过改善外加剂的性能，使得外加剂更加适应机制砂混凝土，虽然看起来整体配合比在数据上没有发生变化，但混凝土实际上性能得到了优化。

设立机制砂混凝土专用外加剂，通过合理的复配，使该外加剂专门针对机制砂混凝土的性能做出相应的优化，满足机制砂混凝土在实际生产中的应用。机制砂混凝土专用外加剂研发思路：

思路一：超临界值引气型混凝土外加剂。该外加剂通过复配引气成分，使得混凝土的含气量提升，由于气泡的存在，混凝土在和易性方面有较好的改善，流动性、坍落度有明显提升。但是，超量的引气，又会导致混凝土强度下降，因此，该引气型外加剂，必须结合机制砂给混凝土强度带来一定富余值的基础上，适当添加引气而降低这部分强度的富余，换取混凝土和易性的改善。

思路二：增强型减水剂。该外加剂通过常规减水剂和减胶剂复配而成。由于减胶剂具备一定增强混凝土强度的效果，减胶剂引入混凝土中的原本目的是为了节省胶凝材料用量，作为机制砂混凝土专用外加剂，在减水剂中引入减胶剂成分，同配比下，可以增加混凝土的强度。然后，用为改善机制砂混凝土和易性而不得提高的用水量，来“牺牲”掉这部分强度，进而使得机制砂混凝土在保证强度的同时，提高了工作性能。

思路三：聚羧酸外加剂与调节剂小料的复配型外加剂。总所周知的，聚羧酸外加剂作为新型第三代外加剂，有着萘系等第二代外加剂不可比拟的减水、保坍等效果优势，但聚羧酸外加剂在复配上，往往没有很好的可与之匹配的复配材料。通过对一些复配小料的研究，能够使得聚羧酸在机制砂中发挥出1加1大于2的更好效果，这种外加剂，必将使得聚羧酸在机制砂混凝土中的应用范围更广。

2.6机制砂混凝土配合比优化设计理论小结

通过上述研究，可以看出，机制砂混凝土配合比的优化，需要在普通配合比设计的基础上，提出以下5个参数：用水量、胶凝材料用量、砂率、机制砂物理性能、机制砂专用外加剂性能。通过对这5个参数的优化，综合搭配，才能完成对机制砂混凝土配合比的合理优化。

3机制砂混凝土配合比优化设计方法验证

根据上节优化理论的研究，对中低强度（C20-C40）机制砂混凝土进行配合比优化，设计出实用配合比后进行试验验证。

3.1试验材料

水泥：42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰：F类Ⅱ级粉煤灰；矿粉：S95级矿渣粉；机制砂：细度模数3.4，石粉含量6%；天然细砂：赣昌河砂，细度模数1.6；碎石：某矿山所产碎石；外加剂：ZX-101J型高效减水剂，南昌卓鑫实业有限公司生产。

3.2C20-C40机制砂混凝土配合比

试验中混合细骨料中机制砂掺量设定为70%～80%，其中C20～C30为70%，C35～C40为80%，混凝土设计坍落值为（160±30）mm。设计后配合比如表7。

表7C20～C40机制砂（机制砂石粉含量6%）混凝土配合比

通过表8可以看出，按照优化后的配合比进行试验，各组混凝土和易性良好，试验中目测基本没有泌水、离析、骨料分离等不良现象出现，混凝土在坍落度和扩展度方面均达到理想设计，流动性能良好，适宜泵送，混凝土工作性能验证合格。各标号的混凝土抗压强度均满足设计要求，强度验证合格。试验结果基本可以验证上述配合比优化设计理论的成功。

4小结

总之，混凝土的使用性能对于材料的关系极大，可以通过正确的配合比设计、材料的选择以及严格的施工质量来保证。实验表明，通过该设计的机制砂混凝土配合比，并不会影响混凝土使用性，可以用于取代天然砂的使用，发展前景优越。

参考文献：

[1]李北星、周明凯、蔡基伟.机制砂中石粉对不同强度等级混凝土性能的影响研究[J].混凝土.2008（07）

[2]高伟.机制砂的制备工艺及应用分析[J].中国建材科技.2011（03）