機制砂水泥混凝土的配制及性能研究

董 瑞，薛長武，賈慶榮，沈衛國

（1.廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣東 廣州 510101；2.武漢理工大學建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430070）

0 引言

近年來，隨著我國基礎設施的大力發展與自然資源的不斷開采，很多地方的天然砂已近枯竭，質量不斷下降，含泥量越來越大，顆粒級配嚴重超出了國家標準。此外，有些抗洪形勢嚴峻的地區已禁止天然砂的開采，例如長江、黃河等主要產砂地區，這也導致了天然砂資源更加貧乏，局部地區天然砂的運費已經超過其售價幾倍，高昂的運費使混凝土的費用顯著提高。

混凝土用砂可分為機制砂和天然砂兩類[1-2]，機制砂是采用制砂機和其他附屬設備加工而成的粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒。天然砂是自然條件作用（主要是巖石風化）而形成，按其成因分為山砂、河砂及海砂，其手感比較細膩，是一種不可再生資料。

因此，生產符合規范要求的機制砂替代人工砂已迫在眉睫。鑒于某些地區的特殊情況，我國道路科研工作者很早就開始了機制砂在混凝土中相關應用研究工作[3-4]。本文立足于機制砂在廣西靖那高速公路全線的推廣應用，對機制砂混凝土的配制進行了一系列試驗研究，確定了相應混凝土配合比的技術參數，為全線機制砂混凝土的配制提供了有力的技術支持。

1 C30機制砂混凝土的配制

本文選用靖那高速二標段項目部試驗室所用的原材料，經過對全線結構混凝土等級統計分析可知，橋梁樁基、承臺、立柱等下部結構，隧道初噴、二次襯砌、路面墊層等結構主要采用低標號混凝土。本研究以C30機制砂泵送混凝土為研究對象，混凝土的設計坍落度在140～170 mm。

1.1 砂率的確定

1.1.1 固定水灰比機制砂混凝土砂率試驗

固定減水劑摻量和水灰比，砂率控制在36%～44%，按照2%的砂率增量來研究其對機制砂混凝土拌合物和易性及強度的影響，試驗配合比見表1，砂率對C30機制砂混凝土性能的影響見圖1。

表1 固定水灰比條件下砂率對C30機制砂混凝土的影響

圖1 砂率對C30機制砂混凝土性能的影響

由表1和圖1可知：a）固定水灰比情況下，砂率對混凝土拌合物性能具有顯著影響，砂率越大黏聚性越好，當砂率為40%時混凝土的坍落度最大，泵送性最好。b）混凝土強度受砂率的影響不明顯，但當砂率為40%時其抗壓強度最高，28 d抗壓強度均高出設計要求。分析原因可知，當砂率較低時，使得砂漿量不足以充分包裹骨料及填充骨料間的空隙，導致混凝土的密實性不足及黏聚性較差，最終造成混凝土強度相對減小，和易性變差。當砂率增大時，集料含量與水泥用量會相應減小，混凝土的內摩擦力增大致使流動性降低，坍落度相應減小，粗集料的骨架支撐作用與粗集料之間的黏結強度降低，抗壓強度也隨之降低。

1.1.2 固定坍落度機制砂混凝土砂率試驗

保持拌合物坍落度在150±5 mm，配制C30機制砂混凝土，研究坍落度一定條件下砂率對機制砂混凝土強度及和易性的影響，混凝土配合比見表2，砂率對C30混凝土性能的影響見圖2。

表2 固定坍落度下砂率對C30機制砂混凝土的影響

圖2 固定坍落度下砂率對C30機制砂混凝土性能的影響

由圖2可知，C30機制砂混凝土在設計坍落度（150±5 mm）的條件下，砂率在36%～44%之間，不同水灰比的混凝土均符合工作性要求，其中當砂率在40%時，用水量最低，7 d及28 d抗壓強度最高。

1.2 水灰比的確定

固定砂率與水泥用量，調整水泥比，以研究水灰比對C30機制砂混凝土性能的影響，選擇的配合比見表3，關系曲線見圖3。

由圖3可以看出：單位水泥用量一定時，隨水灰比增大，坍落度逐漸增大，拌合物和易性得到明顯改善，但抗壓強度呈減小趨勢，強度與水灰比相關性較好。分析原因可能是因為水灰比逐漸增大，使得用水量增加，混凝土內部的漿體數量也相應地增加，當用水量過大時，會降低漿體的黏度，混凝土對應齡期的強度降低。依據本文試驗分析，并結合實踐經驗與設計文件要求，可選取0.46或0.48作為C30機制砂泵送混凝土的水灰比。

表3 水灰比對C30機制砂混凝土性能的影響

圖3 水灰比對C30機制砂混凝土性能的影響

2 C40機制砂混凝土的配制

選用靖那高速二標段項目部試驗室所用的原材料，經過對全線結構混凝土等級統計分析可知，預制空心板封端、蓋板、橋梁空心薄壁墩等結構體主要采用中高標號混凝土；本研究以C40機制砂泵送混凝土為研究對象，設計坍落度為140～180 mm，然后確定了配合比的最佳水灰比與砂率。

2.1 砂率的確定

2.1.1 固定水灰比機制砂混凝土砂率試驗

固定減水劑摻量和水灰比，砂率控制在36%～44%，按照2%的砂率增量來研究其對機制砂混凝土拌合物和易性及強度的影響，試驗配合比見表4，砂率對C40機制砂混凝土性能的影響見圖4。

表4 固定水灰比條件下砂率對C40機制砂混凝土的影響

圖4 砂率對C40機制砂混凝土性能的影響

由表4和圖4可以看出：a）固定水灰比情況下，砂率對混凝土拌合物性能具有顯著影響，砂率越大黏聚性越好，當砂率為42%時混凝土的坍落度最大，泵送性最好。b）混凝土強度受砂率的影響不明顯，但當砂率為42%時其抗壓強度最高，28 d抗壓強度均高出設計要求。

2.1.2 固定坍落度機制砂混凝土砂率試驗

保持拌合物坍落度在150±5 mm，配制C40機制砂混凝土，研究坍落度一定條件下砂率對機制砂混凝土強度及和易性的影響，混凝土配合比見表5，砂率對C40混凝土性能的影響見圖5。

由圖5可知，在設計坍落度為150±5 mm的條件下，砂率在36%～44%之間，不同水灰比的混凝土均符合工作性要求，其中當砂率在42%時，用水量最低，7 d及28 d抗壓強度最高。

表5 固定坍落度條件下砂率對C40機制砂混凝土的影響

2.1.3 不同水灰比機制砂混凝土砂率試驗

圖5 固定坍落度下砂率對C40機制砂混凝土性能的影響

采用0.33、0.36及0.39三種水灰比配制的C40機制砂混凝土，以研究水灰比對C40機制砂混凝土性能的影響。由試驗結果可知，低水灰比與高水灰比的最優砂率相比，減小約2%左右，整體最優砂率都集中在40%～42%之間。分析砂率對坍落度的影響可知，如果水灰比過小，由于增加了水泥漿的稠度，使得混凝土拌合物的黏聚性很容易達到，但較大的稠度會降低混凝土拌合物的流動性，此時，即使增加水泥砂漿的量，對拌合物的流動性的影響也不大，強度也隨之減小；而當水灰比過大時，水泥漿較稀，則不能保證在粗骨料之間有足夠的砂漿層，則會使得骨料之間存在包裹不良現象，從而影響了拌合物的流動度及后期強度。

2.2 水灰比的優選

固定水泥用量和砂率，調整水灰比，以研究不同水灰比對C40機制砂混凝土性能的影響，配合比見表6，關系曲線見圖6。

表6 水灰比對C40機制砂混凝土性能的影響

圖6 水灰比對C40機制砂混凝土強度的影響

由圖6可以看出：單位水泥用量相同，混凝土的7 d和28 d抗壓強度隨著水灰比的逐漸增大而呈遞減趨勢，并從現場拌合后的混凝土工作性來看，隨著水灰比的增加，體系自由水增加，使得整個混凝土體系的漿體數量增加，體系內摩擦力減小，潤滑效應更加明顯，和易性較好。依據本文試驗分析，并結合實踐經驗與設計文件要求，當采用右江P·O42.5水泥配制C40機制砂泵送混凝土時可選取0.36作為其最優水灰比。

3 結論

本文通過研究不同砂率、不同水灰比對C30和C40機制砂混凝土和易性及抗壓強度的影響，并對不同情況下機制砂混凝土各項性能進行比選，最后提出最優砂率和水灰比。

a）固定減水劑摻量和水灰比時，C30機制砂混凝土中最優砂率為40%，C40混凝土為42%；控制坍落度并固定減水劑摻量時，C30、C40機制砂混凝土得出的最優砂率基本上與固定水灰比吻合。

b）C30混凝土普通設計的坍落度所得出的最優砂率仍然適用于大坍落度狀態下的機制砂混凝土；固定減水劑摻量時，低水灰比下比高水灰比下的C40機制砂混凝土最優砂率相對減小2%左右，整體最優砂率都集中在40%～42%之間。

c）固定水泥用量和最優砂率時，隨水灰比的增大，坍落度呈現增長趨勢，和易性得到改善，但強度呈降低趨勢。結合本文試驗分析與實踐經驗，當采用右江P·O42.5水泥時可選取0.46或0.48作為C30機制砂泵送混凝土的水灰比，C40機制砂泵送混凝土可選取0.36作為其最優水灰比。