機制砂混凝土配合比優(yōu)化設計

1、機制砂混凝土配合比優(yōu)化設計隨著建筑工程的日益增多， 建筑用砂量呈現(xiàn)逐年遞增趨勢。天然砂，作為建筑用砂中比例最大的砂材，卻具有短時間內(nèi)不可再生資源的屬性， 很多地區(qū)如今已經(jīng)面臨天然砂匱乏的問題，砂荒現(xiàn)象時有發(fā)生。在建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，天然砂急劇匱乏的情況下，機制砂在 許多地域開始大量推廣。 然而，當機制砂代替天然砂成為常用細骨料材料后， 混凝土出現(xiàn)了有許多天然砂混凝土不曾有過的性能特性，按照天然砂的使用方法應用機制砂，會使混凝土出現(xiàn)諸多不良現(xiàn)象，從而使得混凝土在生產(chǎn)施工過程中飽受批評，由此引發(fā)的各種工程事故，也讓大多數(shù)混凝土供應商對機制砂產(chǎn)生了抵觸心理。根據(jù)調(diào)查， 在一些天然砂資源目前尚可的地方

2、，混凝土商們完全拒絕使用機制 砂。而對于天然砂匱乏的地方， 混凝土商們也努力向周邊還有天然砂的地區(qū)采購，即使運輸價格昂貴，也在所不惜。由此可見，機制砂的推廣仍然受到嚴重阻礙。究其根源，還是機 制砂混凝土性能受影響的問題沒有得到解決。因此，如何設計出合理的配合比，從而獲得性能理想的機制砂混凝土，是解決問題的關(guān)鍵。機制砂對混凝土性能影響機制砂主要來源于碎石生產(chǎn)，是石塊經(jīng)數(shù)次破碎、分篩、沖洗， 分離出各粒徑的成品碎石后的下腳料。機制砂由機械加工而來， 相比而言，天然河砂由于常年的摩擦腐蝕使得它的表面十分光滑棱角少， 而機制砂則由于機械外力作用使得它的表面粗糙棱角較多，其粗糙的表面有利于機制砂相互之間

3、的咬合，但是由于機制砂棱角較多也會大大的增加機制砂之間空隙， 降低了機制砂的密實程度， 這些性能會直接影響到機制砂混凝土的和易性和強度。機制砂在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一定量的石粉，這便是機制砂與天然砂的不同點之一，石粉含量的高低，可以影響機制砂的物理性能，例 如機制砂的細度模數(shù)、堆積密度、比表面積。適量的石粉對機制砂混 凝土是有益的， 可以改善混凝土的和易性， 通過提高混凝土密實度從而提高混凝土強度及耐久性。但石粉含量并不是越高越好， 石粉過量會使得混凝土需水量增加， 整體工作性能變差， 進而會使得機制砂混凝土整體強度的降低，耐久性能變差。根據(jù)筆者調(diào)查， 在商品混凝土攪拌站的實際生產(chǎn)中，純機制砂混凝

4、土往往因為性能不理想而很少使用。又因為機制砂生產(chǎn)廠家生產(chǎn)工藝、設備、技術(shù)水平等的參差不齊，使得機制砂在材料進場檢測中， 常出現(xiàn)石粉含量、細度模數(shù)等指標的較大波動，在這些情況下，如果 僅僅把機制砂作為全部的細骨料去使用，很容易導致混凝土狀態(tài)偏差嚴重，影響混凝土質(zhì)量。因此，在機制砂實際應用中，基本都以機制砂搭配天然細砂，形 成混合細骨料后再進行生產(chǎn)。這種混合細骨料的生產(chǎn)模式， 能得到級配合理的砂材， 操作也比較靈活簡單， 對混凝土質(zhì)量的穩(wěn)定性也容易控制，從而保證機制砂混凝土的有序生產(chǎn)。機制砂混凝土配合比優(yōu)化理論研究由 JGJ55-2011 普通混凝土配合比設計規(guī)程中可以看出，普通混凝土設計中，最主

5、要的三個參數(shù)為：水膠比，用水量，砂率。這三個參數(shù)與混凝土的性能密切相關(guān)。例如：水膠比與混凝土強度、耐久性有關(guān)，用水量與混凝土的流動性相關(guān)，砂率則與混凝土粘聚性保水性密切相關(guān)。機制砂作為一種比較特殊的砂材，具備類似膠材顆粒級別的石粉，又同時具有遠高于普通天然砂的細度模數(shù)，正是因為這種兩頭粒徑極端的現(xiàn)象， 使得機制砂的性能能同時影響到配合比中水灰比、用水量、砂率這三個主要參數(shù)的設定，同時，由于機制砂及機制砂混凝 土的特殊性， 僅僅通過三個普通配合比中的參數(shù)來控制，明顯有些不夠，還應該設立更多的參數(shù)來合理優(yōu)化機制砂混凝土配合比。因此， 機制砂混凝土配合比優(yōu)化理論的研究中，主要從以下幾點探索：（ 1）

6、由于石粉的存在，使得混凝土中粉狀級別的材料總量，從常規(guī)的水泥 +礦粉+粉煤灰，演變成了水泥 +礦粉+粉煤灰+石粉，在這種情況下， 由于粉料群的比表面積的擴大，使得粉料相應的需水量大大提高，進而影響混凝土整體用水量，影響水灰比。（ 2）由于機制砂的強度效果高于天然砂，同等水灰比下，機制砂混凝土強度具有明顯富余，因此，在不影響設計強度的情況下，適當提高水灰比，可以通過提高用水量，或者減少膠凝材料用量，來達到目的。（ 3）由于機制砂細度模數(shù)較高，且粒徑較大的部分占比多，作為細集料的級配上，缺陷比較明顯，但是，機制砂的大粒徑顆粒，可 以近似看作， 給碎石骨料增加了一級較小碎石的級配，使得碎石的級配層次

7、更加完美。 因此， 砂率的優(yōu)化調(diào)整也是整個混凝土和易性好的關(guān)鍵。（ 4）鑒于機制砂的特性可知，機制砂的自身物理性能指標，能對混凝土產(chǎn)生較大的影響，與水灰比、膠凝材料用量、砂率三者息息相關(guān)，因此，機制砂物理特性也是優(yōu)化混凝土配合比的重要參數(shù)之一。（ 5）外加劑作為混凝土中的重要組成部分，對混凝土的和易性、強度等方面有直接的影響，因為，機制砂混凝土的外加劑性能參數(shù)， 也是優(yōu)化配合比的一個重要方面。用水量參數(shù)的優(yōu)化研究相比天然砂混凝土， 機制砂混凝土最大的優(yōu)勢是強度， 絕大多數(shù)情況下， 機制砂混凝土的強度都能超出天然砂混凝土強度， 且高出混凝土設計強度許多，因此， 筆者認為可以適當 “犧牲”掉機制砂

8、混凝土的這部分富余強度。提升混凝土用水量，提高混凝土水灰比，雖然使得強度下降，但可以增強拌合物的和易性，使其工作性能提高。在此思路下，設計配合比調(diào)整方案見表1。機制砂混凝土配合比中用水量調(diào)整后，混凝土性能結(jié)果對比見表1 與圖 1，圖 2。從表 1、圖 1 與圖 2 中可以看出， 對于 C20 C40 機制砂混凝土， 增加 58kg 的用水量后，混凝土坍落度均有明顯增加，從試驗現(xiàn)場看，混凝土的流動性得到明顯提高，具有較好的泵送性能。加水后， 抗壓強度確實均有下降，但只是造成了約1.5MPa 左右的強度下降幅度，筆者認為在滿足設計強度要求的前提下，這點強度的犧牲是可以接受的。由上述效果可知， 機制

9、砂混凝土配合比設計時，與普通混凝土相比， 在保持膠凝材料不變的情況下，每方機制砂混凝土可以提高5 8kg的用水量，相對應的水灰比約增加0.01 0.03，強度約下降1.2 1.6MPa。膠凝材料用量參數(shù)的優(yōu)化研究石粉因其粒徑細度近似膠凝材料，且部分石粉（石灰石石粉）具有一定活性， 再加上石粉對混凝土結(jié)構(gòu)起到填充密實效果，所以可以考慮用石粉來替代一部分膠凝材料。在試驗中， 因為考慮到礦粉和煤灰的早期強度不高， 以及活性可能略低于水泥， 故而在石粉替代膠材的時候，盡量替代礦粉和粉煤灰數(shù)量，保持水泥用量不變。具體方法 為：在石粉添加之后，逐步減少粉煤灰和礦粉的用量，最后達到石粉 等量取代粉煤灰和礦粉

10、的用量。調(diào)整后配比見表2。上述試驗中，水粉比=水/（水泥 +FA+SL+石粉），通過試驗可以看出，水粉比對混凝土強度的影響，明顯不同于水灰比的線性影響規(guī)律，水灰比對強度的影響顯得雜亂無章，其主要原因是，由石粉增加 而導致的粉料總量增加， 其對強度的增加效果， 不如膠凝材料總量那么明顯。因此， 從上述試驗可以看出，盡管石粉具有諸多有利于強度的優(yōu)點， 但實際中并不能起到大量替代膠凝材料的效果，根據(jù)試驗效果，機制砂中石粉，能取代5 15kg 的膠凝材料用量，其取代的極限數(shù)據(jù)是 15kg。從試驗中坍落度可看出，由于石粉的需水量低于膠凝材料，且在混凝土中具有一定滾珠效應，土坍落度得略微到提升。使得石粉在

11、替代部分膠凝材料后，混凝砂率參數(shù)的優(yōu)化研究配合比設計中的砂率， 是影響混凝土工作性能的重要參數(shù)，由于砂率的變化， 直接導致混凝土需水量的變化，對混凝土強度也有很大程度的影響。本節(jié)對比了機制砂混凝土和天然中砂混凝土，在達到相同和易性的前提下，混凝土砂率的變化，如表3 和表 4。通過表 3 和表 4 可以得出結(jié)論， 為達到相同和易性， 機制砂混凝土相比天然砂混凝土要高出2% 3%的砂率。分析其主要原因， 應該是由于機制砂在顆粒形貌上包含大量不規(guī)則棱角，影響了水泥漿體對粗細骨料的包裹效果。 又因為機制砂細度模數(shù)偏大且級配較差，混凝土層次感比較差，使得漿骨分離等現(xiàn)象容易發(fā)生。機制砂物理性能參數(shù)的優(yōu)化研

12、究在實驗室情況下， 尤其是在一段時間范圍內(nèi)， 機制砂作為試驗材料，必然是相對恒定且穩(wěn)定的， 把機制砂性能作為混凝土配合比設計中的一個參數(shù)，似乎顯得不重要。然而，面對實際生產(chǎn)來說，機制砂 性能很容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。 在筆者調(diào)查研究的許多商品混凝土攪拌站，機制砂進場時的性能指標， 尤其是石粉含量和細度模數(shù)這兩個指標，經(jīng)常出現(xiàn)較大波動， 這給機制砂混凝土性能帶來很大差異。因此，筆者認為，機制砂物理性能參數(shù)的實際情況，是配合比在設計時， 需要優(yōu)化調(diào)整的一個重要的參數(shù)。石粉含量變化時配合比優(yōu)化方法研究由于生產(chǎn)廠家工藝、設備、控制等方面的差異不同，機制砂在生產(chǎn)過程中石粉含量難免不穩(wěn)定， 致使商品混凝土攪

13、拌站很難用上長期穩(wěn)定石粉含量的機制砂， 而石粉含量對混凝土的性能有至關(guān)重要的作用，所以，需要商品混凝土攪拌站在使用機制砂時，時刻監(jiān)控石粉含量，當機制砂中石粉含量發(fā)生變化時，靈活對配合比相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化。經(jīng)本試驗研究，配合比參數(shù)優(yōu)化方法和試驗效果見表5。從表 5 可看出，對于C30 機制砂混凝土，當石粉的含量發(fā)生變化時，通過調(diào)整細骨料中機制砂與天然細砂的比例，可以達到優(yōu)化混凝土的效果，具體為：當石粉含量在3%9%范圍內(nèi)變化時，石粉含量每增加 1%，細骨料中機制砂的比例提高約7%8%。機制砂細度模數(shù)變化時配合比優(yōu)化方法研究砂的細度模數(shù)是影響混凝土和易性的重要指標，相比于天然砂， 機制砂的細度模數(shù)偏

14、高，且級配較差，當機制砂和天然砂混合后，更增加了細骨料細度模數(shù)的復雜變化，故而當機制砂材料進場的時候， 細度模數(shù)也成為嚴格檢驗的指標之一，由于機制砂細度模數(shù)發(fā)生變 化，引起細骨料整體細度模數(shù)變化，則混凝土配合比需要進行調(diào)整優(yōu)化才可應對。經(jīng)本試驗研究， 配合比參數(shù)優(yōu)化方法和試驗效果見表6。由試驗結(jié)果看出，對于C30機制砂混凝土，機制砂細度模數(shù)在3.0 3.8 范圍內(nèi)時，細度模數(shù)每增加 0.2，配合比中的砂率應提高1%2%，從而使機制砂混凝土滿足設計要求。機制砂混凝土專用外加劑參數(shù)的優(yōu)化外加劑作為混凝土中重要的添加材料， 對混凝土的性能往往起著關(guān)鍵性的作用， 外加劑能有效影響混凝土的和易性、 強度

15、等方面的性能，對改善優(yōu)化機制砂混凝土的性能可以起到一定的效果。在混凝土所有材料中，砂石、膠凝材料相對而言基本難以變化， 而外加劑是具有可靈活調(diào)整的特性，因此，在單方混凝土中，外加劑 用量不變的情況下， 如果能通過改善外加劑的性能，使得外加劑更加適應機制砂混凝土，雖然看起來整體配合比在數(shù)據(jù)上沒有發(fā)生變化， 但混凝土實際上性能得到了優(yōu)化。設立機制砂混凝土專用外加劑，通過合理的復配， 使該外加劑專門針對機制砂混凝土的性能做出相應的優(yōu)化，滿足機制砂混凝土在實際生產(chǎn)中的應用。機制砂混凝土專用外加劑研發(fā)思路： 思路一：超臨界值引氣型混凝土外加劑該外加劑通過復配引氣成分，使得混凝土的含氣量提升， 由于氣泡的

16、存在，混凝土在和易性方面有較好的改善，流動性、坍落度有明顯提升。但是，超量的引氣，又會導致混凝土強度下降，因此，該引氣型外加劑，必須結(jié)合機制砂給混凝土強度帶來一定富余值的基礎(chǔ)上，適當添加引氣而降低這部分強度的富余， 換取混凝土和易性的改善。思路二：增強型減水劑該外加劑通過常規(guī)減水劑和減膠劑復配而成。由于減膠劑具備一定增強混凝土強度的效果， 減膠劑引入混凝土中的原本目的是為了節(jié)省膠凝材料用量， 作為機制砂混凝土專用外加劑，在減水劑中引入減膠劑成分，同配比下，可以增加混凝土的強度。然后，用為改善機制 砂混凝土和易性而不得提高的用水量，來“犧牲”掉這部分強度，進而使得機制砂混凝土在保證強度的同時，提

17、高了工作性能。思路三：聚羧酸外加劑與調(diào)節(jié)劑小料的復配型外加劑總所周知的， 聚羧酸外加劑作為新型第三代外加劑，有著萘系等第二代外加劑不可比擬的減水、保坍等效果優(yōu)勢， 但聚羧酸外加劑在復配上， 往往沒有很好的可與之匹配的復配材料。通過對一些復配小料的研究，能夠使得聚羧酸在機制砂中發(fā)揮出1 加 1 大于 2 的更好效果，這種外加劑，必將使得聚羧酸在機制砂混凝土中的應用范圍更廣。機制砂混凝土配合比優(yōu)化設計理論小結(jié)通過上述研究， 可以看出，機制砂混凝土配合比的優(yōu)化，需要在普通配合比設計的基礎(chǔ)上，提出以下5 個參數(shù)：用水量、膠凝材料用量、砂率、機制砂物理性能、機制砂專用外加劑性能。通過對這5 個參數(shù)的優(yōu)化

18、，綜合搭配，才能完成對機制砂混凝土配合比的合理優(yōu)化。機制砂混凝土配合比優(yōu)化設計方法驗證根據(jù)上節(jié)優(yōu)化理論的研究，對中低強度（C20-C40）機制砂混凝土進行配合比優(yōu)化，設計出實用配合比后進行試驗驗證。試驗材料水泥： 江西萬年青 42.5 普通硅酸鹽水泥； 粉煤灰： F 類級粉煤灰；礦粉： S95 級礦渣粉；機制砂：細度模數(shù)3.4，石粉含量 6%；天然細砂：贛昌河砂，細度模數(shù)1.6；碎石：江西高安某礦山所產(chǎn)碎石； 外加劑： ZX-101J 型高效減水劑，南昌卓鑫實業(yè)有限公司生產(chǎn)。C20-C40 機制砂混凝土配合比3.3試驗結(jié)果C20-C40 混凝土和易性及抗壓強度試驗結(jié)果如8。試驗中混合細骨料中機制砂摻量設定為70%80%，其中 C20 C30 為 70%，C35C40 為 80%，混凝土設計坍落值為 （ 16030）mm。設計后配合比如表7。通過表 8 可以看出， 按照優(yōu)化后的配合比進行試驗，各組混凝土和易性良好，試驗中