机制砂混凝土配合比优化设计

机制砂混凝土配合比优化设计

随着建筑工程的日益增多，建筑用砂量呈现逐年递增趋势。天然砂，作为建筑用砂中比例最大的砂材，却具有短时间内不可再生资源的属性，很多地区如今已经面临天然砂匮乏的问题，砂荒现象时有发生。在建筑行业的飞速发展，天然砂急剧匮乏的情况下，机制砂在许多地域开始大量推广。然而，当机制砂代替天然砂成为常用细骨料材料后，混凝土出现了有许多天然砂混凝土不曾有过的性能特性，按照天然砂的使用方法应用机制砂，会使混凝土出现诸多不良现象，从而使得混凝土在生产施工过程中饱受批评，由此引发的各种工程事故，也让大多数混凝土供应商对机制砂产生了抵触心理。根据调查，在一些天然砂资源目前尚可的地方，混凝土商们完全拒绝使用机制砂。而对于天然砂匮乏的地方，混凝土商们也努力向周边还有天然砂的地区采购，即使运输价格昂贵，也在所不惜。

由此可见，机制砂的推广仍然受到严重阻碍。究其根源，还是机制砂混凝土性能受影响的问题没有得到解决。因此，如何设计出合理的配合比，从而获得性能理想的机制砂混凝土，是解决问题的关键。

1机制砂对混凝土性能影响

机制砂主要来源于碎石生产，是石块经数次破碎、分筛、冲洗，分离出各粒径的成品碎石后的下脚料。机制砂由机械加工而来，相比而言，天然河砂由于常年的摩擦腐蚀使得它的表面十分光滑棱角少，而机制砂则由于机械外力作用使得它的表面粗糙棱角较多，其粗糙的表面有利于机制砂相互之间的咬合，但是由于机制砂棱角较多也会大

大的增加机制砂之间空隙，降低了机制砂的密实程度，这些性能会直接影响到机制砂混凝土的和易性和强度。

机制砂在生产过程中会产生一定量的石粉，这便是机制砂与天然砂的不同点之一，石粉含量的高低，可以影响机制砂的物理性能，例如机制砂的细度模数、堆积密度、比表面积。适量的石粉对机制砂混凝土是有益的，可以改善混凝土的和易性，通过提高混凝土密实度从而提高混凝土强度及耐久性。但石粉含量并不是越高越好，石粉过量会使得混凝土需水量增加，整体工作性能变差，进而会使得机制砂混凝土整体强度的降低，耐久性能变差。

根据笔者调查，在商品混凝土搅拌站的实际生产中，纯机制砂混凝土往往因为性能不理想而很少使用。又因为机制砂生产厂家生产工艺、设备、技术水平等的参差不齐，使得机制砂在材料进场检测中，常出现石粉含量、细度模数等指标的较大波动，在这些情况下，如果仅仅把机制砂作为全部的细骨料去使用，很容易导致混凝土状态偏差严重，影响混凝土质量。

因此，在机制砂实际应用中，基本都以机制砂搭配天然细砂，形成混合细骨料后再进行生产。这种混合细骨料的生产模式，能得到级配合理的砂材，操作也比较灵活简单，对混凝土质量的稳定性也容易控制，从而保证机制砂混凝土的有序生产。

2机制砂混凝土配合比优化理论研究

由JGJ55-2011普通混凝土配合比设计规程中可以看出，普通混凝土设计中，最主要的三个参数为：水胶比，用水量，砂率。这三个

参数与混凝土的性能密切相关。例如：水胶比与混凝土强度、耐久性有关，用水量与混凝土的流动性相关，砂率则与混凝土粘聚性保水性密切相关。

机制砂作为一种比较特殊的砂材，具备类似胶材颗粒级别的石粉，又同时具有远高于普通天然砂的细度模数，正是因为这种两头粒径极端的现象，使得机制砂的性能能同时影响到配合比中水灰比、用水量、砂率这三个主要参数的设定，同时，由于机制砂及机制砂混凝土的特殊性，仅仅通过三个普通配合比中的参数来控制，明显有些不够，还应该设立更多的参数来合理优化机制砂混凝土配合比。因此，机制砂混凝土配合比优化理论的研究中，主要从以下几点探索：（1）由于石粉的存在，使得混凝土中粉状级别的材料总量，从常规的水泥+矿粉+粉煤灰，演变成了水泥+矿粉+粉煤灰+石粉，在这种情况下，由于粉料群的比表面积的扩大，使得粉料相应的需水量大大提高，进而影响混凝土整体用水量，影响水灰比。

（2）由于机制砂的强度效果高于天然砂，同等水灰比下，机制砂混凝土强度具有明显富余，因此，在不影响设计强度的情况下，适当提高水灰比，可以通过提高用水量，或者减少胶凝材料用量，来达到目的。

（3）由于机制砂细度模数较高，且粒径较大的部分占比多，作为细集料的级配上，缺陷比较明显，但是，机制砂的大粒径颗粒，可以近似看作，给碎石骨料增加了一级较小碎石的级配，使得碎石的级配层次更加完美。因此，砂率的优化调整也是整个混凝土和易性好的

关键。

（4）鉴于机制砂的特性可知，机制砂的自身物理性能指标，能对混凝土产生较大的影响，与水灰比、胶凝材料用量、砂率三者息息相关，因此，机制砂物理特性也是优化混凝土配合比的重要参数之一。

（5）外加剂作为混凝土中的重要组成部分，对混凝土的和易性、强度等方面有直接的影响，因为，机制砂混凝土的外加剂性能参数，也是优化配合比的一个重要方面。

2.1用水量参数的优化研究

相比天然砂混凝土，机制砂混凝土最大的优势是强度，绝大多数情况下，机制砂混凝土的强度都能超出天然砂混凝土强度，且高出混凝土设计强度许多，因此，笔者认为可以适当“牺牲”掉机制砂混凝土的这部分富余强度。

提升混凝土用水量，提高混凝土水灰比，虽然使得强度下降，但可以增强拌合物的和易性，使其工作性能提高。

在此思路下，设计配合比调整方案见表1。机制砂混凝土配合比中用水量调整后，混凝土性能结果对比见表1与图1，图2。

从表1、图1与图2中可以看出，对于C20～C40机制砂混凝土，增加5～8kg的用水量后，混凝土坍落度均有明显增加，从试验现场看，混凝土的流动性得到明显提高，具有较好的泵送性能。加水后，抗压强度确实均有下降，但只是造成了约1.5MPa左右的强度下降幅度，笔者认为在满足设计强度要求的前提下，这点强度的牺牲是可以接受的。由上述效果可知，机制砂混凝土配合比设计时，与普通混凝土相比，在保持胶凝材料不变的情况下，每方机制砂混凝土可以提高5～8kg的用水量，相对应的水灰比约增加0.01～0.03，强度约下降

1.2～1.6MPa。

2.2胶凝材料用量参数的优化研究

石粉因其粒径细度近似胶凝材料，且部分石粉（石灰石石粉）