机制砂混凝土配合比设计与力学性能研究
机制砂混凝土配合比设计与力学性能研究
混凝土性能与其配合比密切相关，砂为混凝土的主要原材料之一，包括天然砂和机制砂2大类。传统混凝土用细集料以天然砂为主，但受到以河沙为主的自然资源的限制和过量开采对自然环境的影响等，机制砂作为一种新的建设原材料得到了广泛的应用。
云浮至茂名高速公路是粤西山区和北部湾北部地区通往珠三角地区的一条重要经济干线，由于属于山区高速公路，该地区天然河砂资源匮乏，运距远，价格高，且质量参差不齐。为缓解云茂高速建设过程中天然砂资源紧张的供应关系，本文对当地隧道洞渣和岩石资源生产的机制砂，开展了一系列混凝土配合比设计研究工作，为机制砂混凝土在云茂高速公路应用提供理论支撑，并为机制砂混凝土配合比的设计提供技术指导。
主要原材料
- 水泥：青州水泥（云浮）有限公司生产的42.5R普通硅酸盐水泥。
- 细集料：石粉含量为9.6%的花岗岩机制砂，其主要性能指标见表1。
- 河砂：细度模数为2.7。
- 粗集料：花岗岩为5～10mm、10～20mm这2种级配，比例为ｍ（5～10mm）:ｍ（10～20mm）＝30%:70%，压碎值为8.5%。
- 外加剂：聚羧酸高性能外加剂。
试验方案及配合比
石粉含量
机制砂混凝土配合比的设计流程、混凝土配制强度的确定、胶凝材料和砂石骨料用量的计算等，均按照GDJTG/TB01-2017《广东省公路工程机制砂水泥混凝土应用技术规范》进行。为了探究机制砂不同石粉含量与砂率对强度的影响，本文选取了石粉含量为9.6%和6.0%的2种机制砂，在相同的水泥用量、用水量和外加剂用量的情况下，仅对砂率进行调整，分别从35%和37%依次增加2%，各配置5组进行对比分析。具体试验数值如表2所示。单位用水量
为了探究单位用水量对机制砂混凝土工作性能和强度的影响，本文分别在C30和C50这2种机制砂混凝土配合比中，均保持水泥用量不变，逐渐提高单位用水量，使水胶比依次增大，各测得5组数据进行对比分析。具体试验数值如表3所示。外加剂
外加剂是混凝土中重要的添加材料，对混凝土的性能往往能起到关键性作用，本文针对机制砂高标号混凝土重、稠、粘的特点，在C50机制砂混凝土配合比中，保持水泥用量、砂率、单位用水量及外加剂掺量均不变，只改变外加剂成分，测得4组数据进行对比分析，探究不同外加剂配方对C50混凝土性能的影响。具体试验数值如表4所示。
试验结果与分析
- 石粉含量对机制砂混凝土砂率选取的影响
由于机制砂中石粉含量的存在，使机制砂混凝土中的粉体体系演变成了“胶凝材料＋石粉”，因此机制砂混凝土中砂率的改变会直接影响到混凝土的需水量和浆体量，会对混凝土的工作性能、强度、耐久性等方面产生影响。表2表示掺加9.6%和6.0%石粉含量的2种机制砂，在保持相同的水泥用量及用水量条件下取不同砂率的混凝土配合比和性能。试验结果和分析如下：
从表2可以看出砂率与石粉含量的影响关系，机制砂最佳砂率的选取与机制砂中石粉含量有关，随着石粉含量的增加，砂率的选取应适当减小。当机制砂石粉含量为9.6%时，C30混凝土的最佳砂率为39%；当机制砂石粉含量为6.0%时，最佳砂率为43%。另外，当机制砂混凝土的砂率超过最佳砂率后，混凝土拌合物容易变得粘稠，坍落度、扩展度开始下降。主要原因为砂率的提高，增加了混凝土中含粉量，使需水量增加，混凝土塑性黏度增大，对拌合物的流动度产生不利影响。
图1为不同石粉含量下砂率对强度的影响。从图1可以看出，随着砂率的提高，混凝土强度出现了一定的增长，当砂率超过某一限值后开始出现不同程度地下降。主要原因为：机制砂颗粒表面粗糙、多棱角、孔隙率大，与河砂相比配置的混凝土需要更多的砂浆包裹于集料表面。当砂率较低时，集料的总比表面积偏低，浆体水粉比过大，导致混凝土拌合物严重离析、泌水，混凝土硬化后内部存在较多的缺陷，因此混凝土的强度偏低。随着砂率的提高，混凝土中石粉含量增大，浆体总量增多，弥补了混凝土中浆体数量不够的缺陷，同时石粉颗粒的“微集料效应”和“填充效应”增加了混凝土界面过渡区的密实度，从而提高了混凝土的强度。当砂率超过某一限值后混凝土强度出现下降，一方面，虽然增加了拌合物浆体量，但拌合物体系中的粉体含量过多，致使需水量增加，混凝土的工作性能出现下降；另一方面，混凝土体系中过多的浆体量，使得包裹骨料的浆体层厚度增加，骨料间的啮合作用下降，且由于石粉的活性相对较低，过高的石粉含量减弱了骨料间的黏结力，因此混凝土强度降低。
由以上分析可以看出，机制砂的石粉含量会影响到混凝土浆体量、拌合物的黏滞性和抗压强度。因此用机制砂进行混凝土配合比设计时，最佳砂率的选取除了考虑机制砂细度模数、颗粒级配的影响外，还应充分考虑到石粉含量的影响，不能千篇一律地认为机制砂的砂率应该较河砂的高出2%～4%，而应根据机制砂的细度模数、颗粒级配、石粉含量等特性通过试验确定。在机制砂的生产过程中，应加强对机制砂石粉含量的控制，当石粉含量发生显著变化时，应及时对砂率进行调整。
- 单位用水量的选取
机制砂颗粒表面粗糙、多棱角，同时又含有一定量的石粉，配置的混凝土在强度方面比天然河砂的高，且往往比设计强度高出许多，但在工作性能上比天然河砂粘稠许多。因此，可以充分利用这部分富余的强度，适当提升混凝土的单位用水量，虽然强度会有所降低，但可以使拌合物的粘稠度降低、流动度增加，大大改善混凝土的工作性能。表3表示分别在C30、C50机制砂混凝土配合比中，保持水泥用量不变，提高单位用水量，探究水胶比对机制砂混凝土工作性能和强度的影响。图2为2种机制砂混凝土中不同水胶比对强度的影响。
从试验结果可以看出：
河砂与机制砂混凝土需水量的关系。河砂由于颗粒比较光滑，自身的内摩擦力小，在混凝土中颗粒间绞合力较小；而机制砂表面粗糙，棱角多，在混凝土中颗粒间绞合力较大，同时又含有一定量的石粉，因此在配置混凝土时河砂对水的需求量相对机制砂要小。这一试验结论与表3结果相吻合，9.6%石粉含量的机制砂配置的混凝土与河砂混凝土坍落度相接近时，C30机制砂混凝土用水量比河砂的高12kg/m3，C50机制砂混凝土用水量比河砂的高10kg/m3。
从表3可以看出用水量对机制砂混凝土工作性能的影响，对于C30、C50机制砂混凝土，用水量增加7～15kg/m3后，混凝土和易性得到明显改善，粘稠度有所降低，流动性明显提高。从试验现场情况来看，混凝土的施工工作性能好，具有较好的泵送性能。但当机制砂混凝土用水量接近最佳用水量后，继续增加5～10kg/m3的用水量，混凝土拌合物状态变化急剧，容易离析、泌水，表现出对水的高度敏感性。因此，实际工作中，混凝土搅拌站应对机制砂的含水率进行及时检测，避免由于含水率的不准确而造成机制砂混凝土的离析、泌水，影响施工质量。
从表3和图2可以看出用水量对机制砂混凝土强度的影响，C30、C50机制砂混凝土的抗压强度都比较高，用水量在河砂的基础上提高10～15kg/m3时，水胶比相应地提高0.02～0.03，混凝土的28ｄ抗压强度仅下降3～5ＭＰａ，仍高于河砂混凝土强度，均满足设计要求。
综上所述，由于机制砂混凝土的强度高于天然河砂混凝土的，同等水胶比条件下强度明显富余充足，因此进行配合比设计时，在保持胶凝材料不变的情况下，用水量可以在河砂的基础上适当提高7～15kg/m3，其强度仍能满足设计要求，并能让混凝土拌合物达到良好的工作性能。
- 外加剂各组分对机制砂混凝土性能的影响
表4表示不同外加剂配方对C50混凝土性能的影响，试验结果及分析如下：
聚羧酸减水剂采取减水母液、保坍母液加缓凝剂的复配形式，拌制的机制砂混凝土和易性差、容易离析、泌水、流动性差，而且混凝土过重，难以满足施工要求。从经验上来说，减水母液加保坍母液复配的混凝土外加剂对水比较敏感，实际生产过程中经常出现泌水严重的情况。特别是当机制砂采用湿法生产工艺时，一方面由于湿法生产的机制砂粉料颗粒相对较少，混凝土更容易离析、泌水；另一方面，湿法生产的机制砂含水率波动比较大，混凝土离析、泌水的可能性更大。
外加剂中复配引气剂，能够在混凝土中引入大量均匀分布的微气泡，增加浆体的数量，改善混凝土的包裹性能。同时这些气泡能够在混凝土中起到类似滚珠的作用，降低混凝土的摩擦阻力，改善混凝土的流动性能。但是，过量的含气量会降低混凝土的抗压强度。因此，在复配引气剂时应充分考虑机制砂混凝土强度的富余值，可以通过“牺牲”部分强度富余值来换取混凝土和易性的改善。
机制砂混凝土具有黏度大、屈服应力高、可泵性能差的特点，为此市场上出现了许多混凝土降粘剂，用以改善机制砂混凝土的性能。从本文研究结果来看，降粘剂能够降低减水母液的用量，从而降低外加剂的固含量，同时能够有效降低拌合物的粘度，增加混凝土的流动性能，对混凝土7ｄ和28ｄ抗压强度均有一定的负面影响，28ｄ抗压强度与基准混凝土相比下降了6.7ＭＰａ，但能满足设计要求，因此在实际使用时其用量应通过试验确定。
为改善机制砂混凝土容易离析、泌水的缺点，本文研究了纤维素醚对C50机制砂混凝土性能的影响，结果表明：纤维素醚能够有效改善机制砂混凝土泌水的情况，但会对混凝土的流动性造成一定的损失。因此在使用其作为增稠剂时，应适当提高减水母液的含量，以弥补纤维素醚的增稠效果对减水率的损失。在对强度影响方面，掺入适量的纤维素醚对机制砂混凝土的早期强度影响不大，但后期强度会有一定程度的降低，不过总体而言影响不大。
结论
本文通过对一系列关于机制砂混凝土的试验研究工作，针对机制砂混凝土的工作性能开展试验分析，并与河砂混凝土进行对比，得出以下结论：
机制砂的砂率对混凝土的工作性能和强度会造成较大影响，因此砂率的选取，除了需要考虑机制砂的颗粒级配、细度模数外，还应充分考虑石粉含量的影响。对于C30混凝土，石粉含量为9.6%时，最佳砂率为39%；石粉含量为6%时，最佳砂率为43%。
同等条件下，机制砂配置的混凝土强度高于河砂的，且较设计强度富余较多。因此，在进行机制砂混凝土配合设计时，用水量可在河砂的基础上增加7～15kg/m3，使混凝土达到较好的工作状态，强度仅下降3～5ＭＰａ，仍能满足设计要求。
机制砂混凝土需设立专门的外加剂，宜通过消泡剂、引气剂、降粘剂、保塑剂等小料复配技术，对混凝土的性能进行优化，使机制砂混凝土满足实际生产和设计要求。