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

朱延斌

陕西建工集团混凝土有限公司710077

摘要：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，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。

关键词：机制砂；混凝土配合比；混凝土性能；设计

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胶比、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，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）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。

通过上述研究，可以看出，机制砂混凝土配合比的优化，需要在普通配合比设计的基础上，提出以下4个参数：胶凝材料用量、用水量、砂率、机制砂专用外加剂性能。通过对这4个参数的优化，综合搭配，才能完成对机制砂混凝土配合比的合理优化。

3机制砂混凝土配合比优化设计方法验证

根据上节优化理论的研究，对中低强度（C30～C40）机制砂混凝土进行配合比优化，设计出实用配合比后进行试验验证。

3.1试验材料

水泥：陕西声威P·O42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰：陕西正元F类Ⅰ级超细粉煤灰；机制砂：瑞得堡尔，细度模数3.1，石粉含量10%；天然中砂：黑河河砂，细度模数2.6，含泥量3-5%；天然细砂：渭河河砂，细度模数2.0，含泥量5-8%；碎石：户县5-25碎石；外加剂：DZ-BS型高效聚羧酸泵送剂，陕西友绑新材料科技有限公司生产。

3.2C30～C40机制砂混凝土配合比

试验中混合细骨料中机制砂掺量设定为20%-40%，混凝土设计坍落值为（180±20）mm。设计后配合比如表1。

通过表2可以看出，按照优化后的配合比进行试验，各组混凝土和易性良好，试验中目测基本没有泌水、离析、骨料分离等不良现象出现，混凝土坍落度和1小时损失均达到理想设计，流动性能良好，适宜泵送，混凝土工作性能验证合格。各标号的混凝土抗压强度均满足设计要求，强度验证合格。但我们也发现一些问题需要解决：

（1）当机制砂掺量加大时，在没有调整外加剂掺量时，混凝土虽然可以达到施工要求，但1小时混凝土还是有损失。需要通过增加外加剂掺量解决施工问题。

（2）当机制砂掺量加大时，必须按照天然砂试验指标调整掺量，防止出现机制砂掺量过大，出现泌水现象。本试验使用天然砂细度模数为2.6，掺量大于300Kg后，经常出现泌水。

（3）在天然砂细度模数为2.0时，机制砂掺量可以到达40%-60%，没有出现泌水，但是必须调整外加剂掺量或者配方，专门使用。

4机制砂的经济效益分析

（1）机制砂的使用，可以降低中砂的使用量。对于细度模数2.6的黑河中砂可以缓解现有采购困难的问题，对于细度模数2.0的中砂可以降低砂子中整体含泥量，防止混凝土裂缝的产生。

（2）机制砂的使用，可以提高生产效率。由于机制砂是人工机械破碎形成，基本没有含泥量和大块石头，不会出现堵仓现场。

（3）机制砂的使用，最高代替天然砂300Kg，直接降低混凝土单方成本2-5元，以年产50万方的搅拌站，可以最大节约成本约150万元。

5小结

通过对机制砂性能研究，结合普通混凝土设计规程，提出机制砂混凝土配合比优化理论中的4项参数：胶凝材料用量、用水量、砂率、机制砂专用外加剂，重点研究了各参数的优化方式，得出了详细调整的数据，设计出了C30～C40标号的机制砂混凝土，经过试验验证，证明了机制砂混凝土配合比优化设计理论的可行性。