于新榮詹鎮(zhèn)峰李從波

（1佛山市鴻獅混凝土有限公司；2廣州大學土木工程學院）

機制砂混凝土配合比設計參數(shù)選擇的研究

于新榮1詹鎮(zhèn)峰2李從波2

（1佛山市鴻獅混凝土有限公司；2廣州大學土木工程學院）

機制砂中的石粉含量影響著單位用水量、砂率等參數(shù)選擇。本文在試驗的基礎上，探討了機制砂石粉含量對水灰比與強度關系、單位用水量以及砂率等參數(shù)的影響，提出對水灰比與強度關系，以及單位用水量、砂率選擇的修正公式，希望本文的試驗結果對機制砂配合比設計有參考作用。

機制砂；石粉；混凝土配合比；設計參數(shù)

由于天然砂資源的匱乏，機制砂作為混凝土細骨料的替代材料，正被越來越廣泛地應用于各種工程建筑中。與天然砂相比，機制砂的特證表現(xiàn)為：顆粒粒型粗糙，級配差，含有一定量的細顆粒（石粉）等。用機制砂配制混凝土時，由于機制砂的顆粒粒型粗糙和級配差的原因，如果砂率選擇不當，容易出現(xiàn)拌合物干澀、泌水等現(xiàn)象，同時，也由于機制砂含有一定的石粉使得單位用水量要高于河砂。但實踐證明只要配合比設計恰當，利用機制砂同樣可以配制滿足工程要求的混凝土。作者通過對機制砂混凝土配合比的試驗和總結，分析了石粉含量對機制砂混凝土的水灰比與強度關系的影響，以及對單位用水量和砂率選擇的影響，并提出對水灰比與強度關系，以及單位用水量、砂率選擇的修正公式，希望本文的試驗結果對機制砂配合比設計有參考作用。

1　原材料

水泥：韶關昌山水泥廠有限公司生產(chǎn)，粵海牌中熱硅酸鹽水泥，強度等級為P·MH42.5。

粗骨料：石灰石，20～40mm，5～20mm二級配，m（20～40mm）：m（5～20mm）=60：40。

細骨料：機制石灰石巖人工砂，原石粉含量為12.2%，細度模數(shù)為2.8；天然砂：細度模數(shù)為2.7。

2　試驗方案及配合比

將機制砂晾干后，用0.016mm的篩篩除石粉，并按試驗要求配制不同石粉含量的機制砂。機制砂混凝土配合比設計流程、混凝土配制強度的確定、膠凝材料以及砂石骨料用量的計算與河砂混凝土相同，按JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》進行。

表1、表2分別為12%石粉含量的機制砂和河砂，不同水灰比下混凝土配合比及性能，表3為不同石粉含量機制砂混凝土配合比及性能。

表1　采用石粉含量為12%的機制砂配制混凝土

表2　采用河砂砂配制混凝土

3　試驗結果與分析

3.1石粉含量對水灰比與強度關系的影響

表1、表2分別為不同水灰比下，機制砂、河砂混凝土的強度結果，對表1、表2數(shù)據(jù)處理，與灰水比進行線性回歸，得出圖1的結果，其線性回歸方程式見式1～式4。

機制砂：

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）

眾所周知，混凝土的強度與灰水比在一定范圍內(nèi)是呈現(xiàn)出線性關系。圖1的結果可以看出：

圖1　機制砂與天然砂混凝土的強度與灰水比關系

圖2　石粉含量與混凝土強度關系

⑴機制砂混凝土的強度與灰水比關系與天然砂一樣表現(xiàn)出良好的線性關系，且相關系數(shù)均在0.97以上。

⑵機制砂混凝土的7d和28d強度關系線均在河砂的上方，這說明在同樣水灰比下，機制砂的強度高于河砂，由于本試驗采用的機制砂母巖是石灰石，而石灰石粉在水泥水化過程中能起到晶核和微集料的效應，提高混凝土的強度，即是說一定的石粉含量對混凝土強度有增強效果。

表3和圖2為三種水灰比下，不同石粉含量的強度結果，式7～式12為線性回歸方程式。該試驗結果也驗證了石灰石粉的增強效應，尤其是水灰比0.55時，石粉的增強效果更為明顯，強度與石粉含量的相關性更好，7d和28d的線性相關系數(shù)均大于0.98，如式9、式12所示。

以上的試驗結果證明了石粉對混凝土強度的增強作用，因此，以機制砂來配制混凝土時，考慮石粉的增強效應，可以對現(xiàn)有的水灰比計算公式作適當?shù)男拚?，以本試驗為例，參照以上的試驗結果，在相同水灰比下，12%石粉含量的機制砂 28d強度比河砂高 4.1～4.5MPa，即：R機，12=R河+（4.1～4.5）MPa，其中：R機，12為12%石粉含量的機制砂強度，R河為河砂混凝土強度。石粉含量在6%～21%范圍內(nèi)，某一石粉含量的機制砂混凝土R機=R機，12+（φ-12）×k，與河砂相比的增加量為：

ΔR=（4.1～4.5）+（φ-12）×k

其中φ為石粉含量，其值在6%～21%之間；

k線性回歸線的斜率，其值在0.481～0.738之間。

根據(jù)鮑羅米公式，機制砂的配制強度fcu，o與灰水比的關系可修正為

fcu，o，機=αafce（C/W-αb）+ΔR（式5）

或：

W/C=αafce/（fcu，o，機+αaαbfce-ΔR）（式6）

修正后公式的意義在于：與河砂相比，采用機制砂配制同樣強度的混凝土，因石粉的增強效應，其水灰比可隨石粉含量的增大而提高，反之，減小。

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　不同石粉含量機制砂混凝土配合比

表4　采用石粉含量為12%和18%的機制砂配制混凝土

3.2單位用水量的選擇

單位用水量大小的選擇取決于坍落度大小的要求以及砂、石的粗細，但對于機制砂而言，除了以上的因素之外，石粉含量的差異，也是影響單位用水量選擇的一個重要因素。

相比于河砂渾圓的顆粒外形，機制砂顆粒表面粗糙，棱角多，同時含有一定量的石粉，因此，配制同樣坍落度的混凝土，其單方用水量高于河砂，表1、表2的試驗結果驗證這一結論，從表中的試驗結果可以看出，以12%石粉含量的機制砂，配制與河砂相同（或相近）的坍落度，其單方用水量比河砂約高20kg。

表4為機制砂的石粉含量分別為12%、18%，固定W/C=0.50，無摻外加劑的情況下，混凝土的坍落度隨單位用水量變化的變化情況，圖3為對兩者的線性關系圖。

從圖3可以看出，用水量和坍落度呈現(xiàn)出良好的線性關系，線性相關系數(shù)均超過了0.95，同時由表3中的數(shù)據(jù)可以計算出：當石粉含量為12%時，坍落度增加2cm，單位用水量大約需增加8kg/m3；當石粉含量為18%時，坍落度增加2cm，單位用水量大約需增加8.5kg/m3，而同樣條件下，河砂混凝土拌合物的坍落度每增加2cm，單位用水量大約需增加5kg/m3，低于機制砂，其原因在于機制砂含有較多的細顆粒（石粉）。

對表3的數(shù)據(jù)進行分析處理還得出：水灰比0.35～0.55，石粉含量6%～21%之間，石粉含量每增加10%，同樣的單位用水量，其坍落度減小約1.6cm。

基于以上的試驗數(shù)據(jù)，以12%石粉含量為參照樣，機制砂混凝土的單方用水量（W機制砂）可參照公式（式13）來計算

W機制砂=W表+20+0.16×4×（φ-12）

即

W機制砂=W表+0.64φ+12.32（式13）

式中：W表為JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》表5.2.1-2中的選值；

φ為石粉含量，其值在6%～21%之間。

圖3　單位用水量與坍落度的關系

3.3砂率的選擇

機制砂總體上細度模數(shù)偏大，級配欠佳，級配呈現(xiàn)兩頭大、中間小的現(xiàn)象，同時顆粒表面粗糙、棱角尖銳，縱長比較大、扁平比較小，不及河砂渾圓，顆粒之間存在架橋、摩擦、阻滯作用，含有一定量的石粉，機制砂砂漿更粗澀，流動度更低，對粗骨料的潤滑作用較河砂砂漿小，為了保證機制砂混凝土具有較好的工作性，往往要提高砂率。

表5為機制砂和河砂混凝土配合比。配合比設計中，選用相同的單位用水量以確保膠材用量相同，通過外加劑摻量變化調節(jié)拌合物的坍落度。從表5可以看出，機制砂的砂率高于河砂，以石粉含量為12%砂為參照樣，水灰比為0.55時，機制砂的砂率增大了3%；水灰比為0.45時，機制砂的砂率增大了2%。同時隨著石粉含量的增加，砂率的選擇可逐漸減小，綜合表5以及表3等試驗數(shù)據(jù)，認為石粉含量每增加3%，砂率相應減少0.5%；因此，人工砂砂率Sp人的選擇可參照公式式14來計算：

Sp人=Sp河+（2%～3%）-（φ-12%）/6（式14）

其中Sp河按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》中表5.4.1選擇；φ為石粉含量，其值在6%～21%之間。

表5　不同石粉含量機制砂及天然砂混凝土配合比

4　結語

用機制砂配制普通混凝土同樣可以按照現(xiàn)行的JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》進行，但由于機制砂含有一定量的石粉，這使得在強度與水灰比關系、單位用水量和砂率等參數(shù)的選擇等方面有別于天然砂。本文在試驗的基礎上，分析了機制砂石粉含量對強度與水灰比關系、單位用水量和砂率的影響，結合現(xiàn)有的配合比設計規(guī)程（JGJ55-2011），提出了對水灰比與強度關系、單位用水量和砂率的修正公式，希望對機制砂的配合比設計有一定的參考作用。●

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ55-2011普通混凝土配合比設計規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.