代志濤，鞏繁龍，邱潤(rùn)澤

（許昌鑫諾建材科技有限公司，河南 許昌 461000）

1 背景描述

在混凝土企業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，原材料的穩(wěn)定性一直在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生著重要的影響。其中，砂率是決定混凝土性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，砂子的使用在混凝土中需要精準(zhǔn)地把控。同時(shí)，作為主要原材料之一，砂子的成本也對(duì)混凝土的成本有著關(guān)鍵的影響。另外，為了保護(hù)生態(tài)平衡，天然砂限采限挖，以天然砂為主的商砼企業(yè)正一步步走向被動(dòng)。因此，擁有完整制砂生產(chǎn)線的商砼企業(yè)將會(huì)在未來(lái)的生產(chǎn)過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位。近年來(lái)，建筑市場(chǎng)的需求巨大，促進(jìn)了砂石市場(chǎng)的快速發(fā)展，機(jī)制砂已逐漸占據(jù)市場(chǎng)，成為建筑材料的最好來(lái)源之一。目前已有不少的混凝土、砂漿企業(yè)開(kāi)始在生產(chǎn)中用機(jī)制砂代替天然砂，并且取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。本地區(qū)大部分企業(yè)使用郟縣水洗石屑砂為主，在一定程度上降低了混凝土生產(chǎn)成本。但是郟縣水洗砂還存在顆粒級(jí)配不均勻，含泥量以及砂子總體性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，混凝土在生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)工作性能不穩(wěn)定、和易性較差等情況，導(dǎo)致工地工人施工不順利，產(chǎn)生質(zhì)量隱患。因此，我司在建立初期就設(shè)立了一條配套混凝土生產(chǎn)的獨(dú)立制砂線，通過(guò)沖擊式破碎機(jī)，經(jīng)多次試驗(yàn)，將 10～30mm石子和 0～5mm 石子以一定比例，制成機(jī)制砂。并基于高品質(zhì)的機(jī)制砂，合理管控原材料，設(shè)計(jì)優(yōu)化混凝土配比，從而達(dá)到對(duì)混凝土工作性和經(jīng)濟(jì)性的改善。

2 機(jī)制砂級(jí)配設(shè)計(jì)

基于吳中偉院士提出的砂子自密實(shí)理論，砂子連續(xù)粒徑分布的緊密堆積模型，計(jì)算出砂子緊密堆積時(shí)各粒徑范圍內(nèi)的質(zhì)量百分比（見(jiàn)圖 1）。通過(guò)混料試驗(yàn)修正理論計(jì)算值，得出砂子作緊密堆積時(shí)的最優(yōu)級(jí)配。[1]

細(xì)度模數(shù)是砂的最重要特性之一，其對(duì)混凝土性能有較大的影響。相同水膠比、相同外加劑用量下，細(xì)度模數(shù)越小拌合物越干稠，流動(dòng)性越差。細(xì)度模數(shù)過(guò)大，保水性較差，容易出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。但僅考察細(xì)度模數(shù)這單一因素，會(huì)造成級(jí)配差異過(guò)大，因此要通過(guò)圖 1 中不同細(xì)度模數(shù)砂的級(jí)配區(qū)間數(shù)據(jù)，配制機(jī)制砂基本符合Ⅱ區(qū)砂的級(jí)配要求?；炷劣蒙暗募?xì)度模數(shù)應(yīng)該控制在 2.8～3.2。

圖 1 不同細(xì)度模數(shù)砂的級(jí)配區(qū)間

自制機(jī)制砂篩分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表 1。

表 1 自制機(jī)制砂篩分分析

3 其他原材料的合理控制

混凝土是當(dāng)今建筑行業(yè)中用途最廣、用量最大的建筑材料之一，隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，混凝土的組分與制備技術(shù)也發(fā)生著變化，除水泥、砂、石傳統(tǒng)基材外，粉煤灰、礦粉、硅灰、石粉等礦物摻合料及化學(xué)外加劑的使用使混凝土技術(shù)不斷進(jìn)步。高性能混凝土不僅要求機(jī)制砂的合理細(xì)度模數(shù)及連續(xù)優(yōu)良級(jí)配，更需要嚴(yán)格把控其他原材料進(jìn)場(chǎng)質(zhì)量?；诖?，我司明確規(guī)定了原材料進(jìn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 膠凝材料控制指標(biāo)

（1）水泥：對(duì)于 P·O42.5 水泥的品控標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 2。

表 2 水泥品控標(biāo)準(zhǔn)

（2）粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰，要求進(jìn)場(chǎng)取樣顏色比水泥淺。其品控標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 3。

表 3 粉煤灰品控標(biāo)準(zhǔn)

（3）礦粉：S95 礦粉的品控標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 4。

表 4 礦粉品控標(biāo)準(zhǔn)

3.2 粗細(xì)骨料

選材料原則：竭盡所能降低骨料含泥量。

（1）機(jī)制砂：進(jìn)倉(cāng)砂子要求色澤一致性。其品控標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 5。

表 5 機(jī)制砂品控標(biāo)準(zhǔn)

（2）河砂：使用開(kāi)封細(xì)砂，品控標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 6。

表 6 河砂品控標(biāo)準(zhǔn)

（3）石子：5～10mm 小石的品控標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 7，10～20mm 大石的品控標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 8。

表 7 小石品控標(biāo)準(zhǔn)

表 8 大石品控標(biāo)準(zhǔn)

3.3 外加劑

選用品質(zhì)穩(wěn)定優(yōu)越的脂類聚羧酸外加劑，品控標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 9。

表 9 外加劑品控標(biāo)準(zhǔn)

4 基于自制機(jī)制砂的配合比設(shè)計(jì)

高品質(zhì)原材料是配制高性能混凝土的基礎(chǔ)，要想配制最實(shí)用的高性能混凝土，需要最科學(xué)的配比設(shè)計(jì)方案，基于自制機(jī)制砂級(jí)配設(shè)計(jì)，原材料合理控制及脂類外加劑相配合，在配比設(shè)計(jì)中，我們摒棄了《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中假定質(zhì)量法的傳統(tǒng)配比設(shè)計(jì)方案，配合比設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想應(yīng)從強(qiáng)度設(shè)計(jì)向多種性能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化，從可行性設(shè)計(jì)向優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化。合理的材料配合比設(shè)計(jì)應(yīng)該在符合相關(guān)規(guī)范給出的包括強(qiáng)度、耐久性、均勻性、和易性、滲透性和經(jīng)濟(jì)性等要求的前提下，確定各種成份的用量，獲得最經(jīng)濟(jì)和適用的混凝土。

針對(duì)自制機(jī)制砂緊密堆積原理，并在蘇博特新材料有限公司協(xié)助下，改善了絕對(duì)體積法。利用漿骨比法，對(duì)混凝土材料組成進(jìn)行以下論證：（1）混凝土組成材料（包括固液氣三相）具有體積加和性；（2）石子的空隙率由砂漿來(lái)填充；（3）砂漿的空隙率由水泥漿來(lái)填充；（4）水泥漿由水泥、礦物摻合料和空氣組成?，F(xiàn)代混凝土要達(dá)到最佳工作性能和力學(xué)性能，水泥漿與骨料的體積比應(yīng)為 35:65；水泥與細(xì)粉料的體積比應(yīng)為 75:25。最后，通過(guò)推導(dǎo)，得出基于漿骨比的混凝土配合比設(shè)計(jì)計(jì)算式。[2]

基于漿骨比的現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟主要有以下幾步：

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，設(shè)定漿骨比，混凝土漿骨比范圍宜取 0.33～0.35∶0.67～0.65。

（2）根據(jù)各材料的表觀密度，確定漿體組成。

（3）根據(jù)混凝土強(qiáng)度、摻合料摻入情況、目標(biāo)含氣量，以及水泥強(qiáng)度情況，設(shè)定水膠比。

（4）計(jì)算漿體部分各材料體積，求得實(shí)際漿體組成各原材料質(zhì)量。

（5）設(shè)定砂率，計(jì)算骨料部分各材料體積，求得骨料組成各原材料質(zhì)量。

（6）得出計(jì)算配合比。

（7）和易性、強(qiáng)度試配，特殊性能校核。

C30 泵送混凝土計(jì)算配合比及性能見(jiàn)表 10 和表11。

基于以上漿骨比設(shè)計(jì)思路，我司結(jié)合自身原材料情況，加入面砂及石粉做為填充，設(shè)計(jì)配合比優(yōu)化（以C30 為例），優(yōu)化前后配合比見(jiàn)表 12。

表 10 漿骨比法設(shè)計(jì) C30 泵送混凝土配合比 kg/m3

表 11 基于漿骨比法設(shè)計(jì)的 C30 混凝土性能

表 12 優(yōu)化后的 C30 混凝土配合比 kg/m3

5 生產(chǎn)應(yīng)用分析

在混凝土實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，我司基于高品質(zhì)原材料及科學(xué)配比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)下，引入開(kāi)封面砂及石粉做為集料填充，更加完善砂的自密實(shí)體系，改善混凝土整體和易性及穩(wěn)定性。同時(shí)使混凝土以混凝土強(qiáng)度等級(jí)線性設(shè)計(jì)變量，以混凝土價(jià)格為目標(biāo)函數(shù)，展示機(jī)制砂對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土成本的影響，在混凝土的性能符合用戶需要的前提下，使成本最低。各強(qiáng)度等級(jí)混凝土的配合比及材料成本詳見(jiàn)表 13 和圖 1。

表 13 各強(qiáng)度等級(jí)的混凝土配合比及材料成本表

圖 1 各強(qiáng)度等級(jí)混凝土成本對(duì)比

6 實(shí)際應(yīng)用案例

自制機(jī)制砂實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)展示見(jiàn)圖 2。

圖 2 自制機(jī)制砂實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)

實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，混凝土和易性得到根本性改善，出入泵狀態(tài)穩(wěn)定，施工性能良好，極大提高生產(chǎn)及施工效率。在改善混凝土狀態(tài)前提下，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高公司口碑及競(jìng)爭(zhēng)力。

7 質(zhì)量檢驗(yàn)及力學(xué)性能

在自制機(jī)制砂混凝土的試配過(guò)程中，混凝土和易性好、抗壓強(qiáng)度離散性?。ū?14、15）。

表 14 自制機(jī)制砂各強(qiáng)度等級(jí)混凝土試配 7d 強(qiáng)度

表 15 自制機(jī)制砂各強(qiáng)度等級(jí)混凝土試配 28d 強(qiáng)度

自制機(jī)制砂混凝土澆筑到施工部位，工作性好、自身密實(shí)度高，28 天回彈值高、離散性小，碳化值有改善（表 16～19）。

表 16 自制機(jī)制砂 C30 混凝土配合比 kg/m3

表 17 自制機(jī)制砂 C35 混凝土配合比 kg/m3

表 18 C30 混凝土 28d 回彈值及碳化值

表 19 C35 混凝土 28d 回彈值及碳化值

8 結(jié)論

（1）自制高品質(zhì)機(jī)制砂和高質(zhì)量原材料控制可在低膠材用量情況下制備高性能混凝土，降低混凝土綜合成本，提高競(jìng)爭(zhēng)力。

（2）自制高品質(zhì)機(jī)制砂宜控制細(xì)度模數(shù)為 2.8～3.2。

（3）采用基于漿骨比的現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)方法成功實(shí)現(xiàn)了混凝土和易性、工作性能及力學(xué)性能的改善。

（4）引入石粉及細(xì)砂，能有效改善混凝土狀態(tài)，進(jìn)一步優(yōu)化成本及混凝土穩(wěn)定性。

（5）采用自制機(jī)制砂的漿骨比配比設(shè)計(jì)方案，可有效提高混凝土回彈強(qiáng)度，降低混凝土離散性及碳化值。