鄭忠雙，李志坤，蘇禮清

（1福建省建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站 福建福州 350001 2重慶市建筑科學(xué)研究院 重慶 400020）

前言

目前，我國多數(shù)地區(qū)在生產(chǎn)混凝土?xí)r仍以天然砂作為主要的細(xì)骨料，而天然砂是一種地方性資源，短期內(nèi)不可再生，也不利于長距離運(yùn)輸。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益發(fā)展，不少地區(qū)天然砂資源逐漸短缺，甚至出現(xiàn)無砂可用的狀況，混凝土用砂供需矛盾尤為突出。

重慶地區(qū)缺乏天然中砂資源，隨著三峽水庫的蓄水，長江特細(xì)砂質(zhì)量越來越差，且逐漸短缺、價格上漲，同時出于環(huán)境保護(hù)的需要，應(yīng)用機(jī)制砂完全替代天然砂生產(chǎn)混凝土已勢在必行。

目前，全機(jī)制砂混凝土的概念尚未正式提出，缺乏相應(yīng)的設(shè)計理念，對一些影響全機(jī)制砂混凝土配制的敏感因素 （級配、石粉含量、砂率等）缺少系統(tǒng)性研究。因此，在配制全機(jī)制砂混凝土?xí)r，基本沿襲了天然砂混凝土配制方法，而忽視了機(jī)制砂與機(jī)制砂混凝土的特性，從而使工程技術(shù)人員難以掌握。

本文通過試驗(yàn)研究配合比設(shè)計參數(shù)對全機(jī)制砂混凝土性能的影響，并找出各參數(shù)的適宜取值，為全機(jī)制砂混凝土的配制提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 主要原材料

水泥：拉法基P.O42.5R水泥，重慶拉法基水泥有限公司生產(chǎn)。

骨料：細(xì)骨料采用機(jī)制砂，重慶美心砂石公司生產(chǎn)；粗骨料采用石灰石碎石，重慶中梁山產(chǎn)，性能指標(biāo)見表1，分為5～10mm和10～20mm兩個粒級，二者按照3∶7的比例搭配使用。

表1 試驗(yàn)用粗骨料

礦物摻合料：粉煤灰采用II級粉煤灰，重慶珞璜電廠生產(chǎn)。

混凝土外加劑：GRP-500型泵送劑，重慶市建研科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

拌合水：普通自來水。

2 試驗(yàn)方法與方案設(shè)計

2.1 機(jī)制砂試驗(yàn)方法

機(jī)制砂的篩分試驗(yàn)與細(xì)度模數(shù)、石粉含量測定按《建筑用砂》（GB/T 14684-2001）規(guī)定方法進(jìn)行。

2.2 混凝土試驗(yàn)方法

混凝土拌合物性能試驗(yàn)：混凝土工作性測試指標(biāo)包括坍落度、擴(kuò)展度以及和易性等指標(biāo)，試驗(yàn)按照《普通混凝土拌合物試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50080-2002）規(guī)定進(jìn)行。

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法：混凝土立方體抗壓強(qiáng)度按照 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）規(guī)定進(jìn)行。

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計

本試驗(yàn)所采用的混凝土配合比參照 《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55-2000）進(jìn)行設(shè)計，研究某個配合比參數(shù)對全機(jī)制砂混凝土性能的影響時，固定其他參數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 水灰比

早在1918年，Duff Abrams就闡明了混凝土強(qiáng)度的水灰比定律，對于給定的材料，混凝土的強(qiáng)度與膠水比成正比關(guān)系。至今Abrams定律還是指導(dǎo)混凝土配合比設(shè)計的核心。試驗(yàn)比較了不同水灰比的天然中砂混凝土和機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 水灰比對混凝土強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出，對于天然砂混凝土（圖中下方曲線），抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的減小而增加，相關(guān)性較好，滿足水灰比定則。對機(jī)制砂混凝土，也表現(xiàn)出與天然砂混凝土相同的規(guī)律，只是在同水灰比的情況下，機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度稍稍高于天然砂混凝土，造成這種現(xiàn)象的原因有四個方面：其一，機(jī)制砂的主要成分是碳酸鈣，處于高濃度氫氧化鈣中，其表面會發(fā)生微弱化學(xué)反應(yīng)，而天然砂成分中二氧化硅含量高，不能發(fā)生類似反應(yīng)；其二，機(jī)制砂不僅質(zhì)地堅(jiān)硬、有新鮮界面、表面能高，且表面粗糙、棱角多，這均有助于提高界面的粘結(jié)；其三，機(jī)制砂中的石粉在水泥水化中起到了晶核的作用，誘導(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物析晶，加速水泥水化并參與水泥的水化反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣，并阻止鈣礬石向單硫型水化硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)化；其四，機(jī)制砂中石粉的顆粒粒徑小，在混凝土中發(fā)揮與粉煤灰類似的“形態(tài)效應(yīng)”，填充混凝土中的孔隙，使混凝土變得更密實(shí)而提高強(qiáng)度。

由上可知，相比于天然砂混凝土，Abrams的水灰比定律對機(jī)制砂混凝土同樣有效，因此，機(jī)制砂混凝土可以采用水灰比定律來設(shè)計配合比。

3.2 砂率

由于機(jī)制砂表面粗糙，棱角多，且石粉含量普遍較高，從而導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土和易性較易出現(xiàn)極端情況。砂率稍小，就容易出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象，砂率偏大時則表現(xiàn)為粘性過大，流動性顯著降低，因此，砂率的選擇對高性能機(jī)制砂混凝土的重要性顯得尤為重要。本試驗(yàn)針對這種情況專門研究了砂率對機(jī)制砂混凝土的影響，如表2所示。

表2 砂率對機(jī)制砂混凝土性能的影響

選擇合理砂率除使混凝土獲得最佳的和易性之外，還能使混凝土結(jié)構(gòu)最密實(shí)化，這樣的混凝土的強(qiáng)度與耐久性應(yīng)該是比較理想的。圖2和圖3在保持基本配合比不變的前提下，對比了不同砂率下混凝土和易性及強(qiáng)度變化趨勢。

圖2 砂率對坍落度的影響

圖3 砂率對強(qiáng)度的影響

在水泥漿量一定的情況下，砂率在混凝土中主要影響和易性。在混凝土配制中存在最佳砂率，砂率過低導(dǎo)致混凝土漿體含量不足，使混凝土的和易性變差，砂率過大，使混凝土需水量增大，使混凝土拌和物干澀；砂率過高又會使混凝土的粘度過大，影響混凝土的流動性能。在本試驗(yàn)中，可以看出砂率在37%～43%工作性較好。

圖4 砂率41%的機(jī)制砂混凝土與天然砂混凝土的對比

通過與中砂對比（見圖4），在同砂率下，天然中砂混凝土的坍落度高于機(jī)制砂，且粘性較低，易于泵送，這主要是由于河砂的粒形較圓，且級配較為合理造成的。

隨著機(jī)制砂砂率的增大，7d抗壓強(qiáng)度基本保持在30MPa左右，28d強(qiáng)度保持在37.0MPa左右，說明水灰比一定的情況下，砂率對機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度影響不大。

3.3 級配與細(xì)度模數(shù)

試驗(yàn)對比了同一砂場生產(chǎn)的兩種機(jī)制砂，分別為X樣品和Y樣品，其中X樣品的細(xì)度模數(shù)為2.8，屬中砂，Y樣品的細(xì)度模數(shù)為3.8，屬粗砂，二者的級配曲線見圖5和6。

試驗(yàn)表明，機(jī)制砂通過降低細(xì)度模數(shù)可以改善其級配，而且達(dá)到中砂范疇的機(jī)制砂的級配接近級配2區(qū)的要求。此外，對比兩種砂拌制的混凝土（見表3），可以發(fā)現(xiàn)，在同水灰比的條件下，細(xì)度模數(shù)和級配對混凝土的強(qiáng)度影響不大，但對混凝土的坍落度與和易性影響很大。

圖5 樣品X的級配區(qū)曲線

圖6 樣品Y的級配區(qū)曲線

表3 不同級配的機(jī)制砂混凝土的性能

因此，機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)宜控制在中砂范圍。

3.4 膠凝材料用量

機(jī)制砂的級配不如中砂，要保證預(yù)拌混凝土的和易性，具備可泵送的性能，就必須使用更多的膠凝材料來填充空隙，潤滑砂石。對于低強(qiáng)度等級的混凝土，由于水泥用量少，膠凝材料總量偏少，因此，機(jī)制砂混凝土的膠凝材料應(yīng)滿足一個最低用量，才使其具備較好的可泵性能。試驗(yàn)采用C20配合比，通過增加粉煤灰用量來提高膠凝材料的總量，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 膠凝材料用量對機(jī)制砂混凝土可泵性的影響

表4的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)機(jī)制砂混凝土的膠凝材料用量（包括粉煤灰用量）小于330kg/m3時，混凝土的粘聚性和保水性較差，難以滿足泵送要求。因此，為了滿足混凝土的可泵性，機(jī)制砂混凝土的膠凝材料總量不應(yīng)小于330kg/m3。

3.5 石粉含量

試驗(yàn)對比了不同石粉含量的機(jī)制砂混凝土的工作性能和力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 石粉含量對坍落度的影響

圖8 石粉含量對強(qiáng)度的影響

圖中結(jié)果顯示：隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加，當(dāng)石粉含量大于5%時，全機(jī)制砂混凝土的工作性和力學(xué)性能有明顯的提高，尤其是當(dāng)石粉含量達(dá)到7%時，工作性能和強(qiáng)度達(dá)到最佳；當(dāng)石粉含量超過10%時，混凝土的坍落度明顯下降，由于混凝土中粉體含量過多，導(dǎo)致漿體中自由水量過少，混凝土拌和物和易性下降。

所以，可以通過提高機(jī)制砂的石粉含量來改善全機(jī)制砂混凝土的工作性，石粉含量應(yīng)大于5%，以石粉含量7%最佳，但不應(yīng)超過10%。

4 結(jié)論

（1）Abrams的水灰比定律對全機(jī)制砂混凝土同樣有效，因此，機(jī)制砂混凝土可以采用水灰比定律來設(shè)計配合比。

（2）在配制全機(jī)制砂混凝土?xí)r，砂率宜控制在37%～43%。

（3）在配制全機(jī)制砂混凝土?xí)r，機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)宜控制在中砂范圍。

（4）在配制全機(jī)制砂混凝土?xí)r，為保證混凝土具有良好的和易性，膠凝材料總量不應(yīng)小于330kg/m3。

（5）用于配制全機(jī)制砂混凝土的機(jī)制砂含粉量宜控制在5～10%。

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