机制砂混凝土配合比优化设计.docx
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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。
€20^040机制砂淤雑土训整眉水送试验
戎号
原用朋
1衣亦）
现用水
1（kgAn3）
增加水f
2Sd抗伍逻庾耐
水灰比憎加
加「前
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帥
加前28d抑后280
赢小
C20
172
180
B
175
185
10
31.7
30.4
1,3
0.03
C25
173
180
1
135
195
10
35.5
319
1.6
0.0?
C30
174
180
6
ieo
200
20
407
393
1.4
0.01
C35
173
178
5
175
m
15
444
432
1.2
001
C40
171
176
5
1G5
1B5
20
509
49.fi
1.3
ofi
图2用水呈调整后的28右强愷对比-i
巾冰的■山冰厂
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）具有一定活性，再加上石粉对混凝土结构起到填充密实效果，所以可以考虑用石粉来替代一部分胶凝材料。
在试验中，因为考虑到矿粉和煤灰的早期强度不高，以及活性可能略低于水泥，故而在石粉替代胶材的时候，尽量替代矿粉和粉煤灰数量，保持水泥用量不变。
具体方法为：
在石粉添加之后，逐步减少粉煤灰和矿粉的用量，最后达到石粉等量取代粉煤灰和矿粉的用量。
调整后配比见表2。
表2C30;S凝土石粉替代胶凝材料的试验
比
惊材料用呈f
坍落度抗压强ft/MPa
水泥
水
机制砂石粉FA
SL
减水剂
/mm
7d
28d
50
217
174
785
0
61
68
62
180
215
37.8
44
217
174
738
47
61
68
62
190
2九3
40.2
46
217
174
738
47
61
52
5.9
200
243
39.9
48
217
174
738
47
51
48
57
195
22.1
S5.8
50
217
174
738
47
41
41
53
190
19J
3G
上述试验中，水粉比二水/（水泥+FA+SL+石粉），通过试验可以看出，水粉比对混凝土强度的影响，明显不同于水灰比的线性影响规律，水灰比对强度的影响显得杂乱无章，其主要原因是，由石粉增加而导致的粉料总量增加，其对强度的增加效果，不如胶凝材料总量那么明显。
因此，从上述试验可以看出，尽管石粉具有诸多有利于强度的优点，但实际中并不能起到大量替代胶凝材料的效果，根据试验效
果，机制砂中石粉，能取代5〜15kg的胶凝材料用量，其取代的极限数据是15kg。
从试验中坍落度可看出，由于石粉的需水量低于胶凝材料，且在混凝土中具有一定滚珠效应，使得石粉在替代部分胶凝材料后，混凝土坍落度得略微到提升。
2.3砂率参数的优化研究
配合比设计中的砂率，是影响混凝土工作性能的重要参数，由于砂率的变化，直接导致混凝土需水量的变化，对混凝土强度也有很大程度的影响。
本节对比了机制砂混凝土和天然中砂混凝土，在达到相同和易性的前提下，混凝土砂率的变化，如表3和表4。
表3C25机制砂混凝土砂率对和易性的影响
编号
机制杪比例％
砂率/%
粘聚性
保水性
韶析情况
C25
70
38
差
差
离析
C25
70
40
较差
轻微
C25
70
42
_般
-ffi
无高析
C25
70
44
良好
良好
无离析
C25
中砂
41
罠好
良好
无篙析
表4C40机制砂混凝土砂率对和易性的影响
编号
机制砂比例
砂率/%
粘聚性
棵水性
壽折情况
C40
80
38
差
差
离折
80
39
较莠
轻微
C4D
80
40
_般
良好
无离析
C40
80
41
良好
良好
无爲析
C40
中砂
38
良好
良好
无离析巳
通过表3和表4可以得出结论，为达到相同和易性，机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，应该是由于机制砂在颗粒形貌上包含大量不规则棱角，影响了水泥浆体对粗细骨料的包裹效果。
又因为机制砂细度模数偏大且级配较差，混凝土层次感比较差，使得浆骨分离等现象容易发生。
2.4机制砂物理性能参数的优化研究
在实验室情况下，尤其是在一段时间范围内，机制砂作为试验材料，必然是相对恒定且稳定的，把机制砂性能作为混凝土配合比设计中的一个参数，似乎显得不重要。
然而，面对实际生产来说，机制砂性能很容易出现不稳定的情况。
在笔者调查研究的许多商品混凝土搅拌站，机制砂进场时的性能指标，尤其是石粉含量和细度模数这两个指标，经常出现较大波动，这给机制砂混凝土性能带来很大差异。
因此，笔者认为，机制砂物理性能参数的实际情况，是配合比在设计时,需要优化调整的一个重要的参数。
241石粉含量变化时配合比优化方法研究
由于生产厂家工艺、设备、控制等方面的差异不同，机制砂在生产过程中石粉含量难免不稳定，致使商品混凝土搅拌站很难用上长期稳定石粉含量的机制砂，而石粉含量对混凝土的性能有至关重要的作用，所以，需要商品混凝土搅拌站在使用机制砂时，时刻监控石粉含量，当机制砂中石粉含量发生变化时，灵活对配合比相关参数进行优化。
经本试验研究，配合比参数优化方法和试验效果见表5。
表5C30混凝土石粉含量娈化时配合比忧化试验
机制砂中
石粉含罩
机制砂/细骨料/%
坍落度
/mm
抗压强度加Pa
7d
28d
3
56
185
24.6
38.6
4
64
160
25.2
4口
5
70
175
25.2
40.5
6
77
1B5
25.5
41.8
7
84
170
25.8
39.7
8
93
180
26.1
g
100
175
26.9
40启
从表5可看出，对于C30机制砂混凝土，当石粉的含量发生变
化时，通过调整细骨料中机制砂与天然细砂的比例，可以达到优化混凝土的效果，具体为：
当石粉含量在3%~9%范围内变化时，石粉含量每增加1%,细骨料中机制砂的比例提高约7%〜8%。
242机制砂细度模数变化时配合比优化方法研究
砂的细度模数是影响混凝土和易性的重要指标，相比于天然砂，机制砂的细度模数偏高，且级配较差，当机制砂和天然砂混合后，更增加了细骨料细度模数的复杂变化，故而当机制砂材料进场的时候，细度模数也成为严格检验的指标之一，由于机制砂细度模数发生变化，引起细骨料整体细度模数变化，则混凝土配合比需要进行调整优化才可应对。
经本试验研究，配合比参数优化方法和试验效果见表6
表6C30混擬土细度楼数变化时配合比忧化试验
机制砂
细度楔數
细骨料砂率/%
坍落度
/mm
抗压强度/MPa
7d
2Bd
3.0
42
180
25.7
42.3
32
43
185
25.3
40.5
3.4
44
180
25.9
41.3
3,6
46
170
2S.1
40.2
3.8
48
175
24.8
39.7
由试验结果看出，对于C30机制砂混凝土，机制砂细度模数在3.0〜3.8范围内时，细度模数每增加0.2,配合比中的砂率应提高1%〜2%,从而使机制砂混凝土满足设计要求。
2.5机制砂混凝土专用外加剂参数的优化
外加剂作为混凝土中重要的添加材料，对混凝土的性能往往起着关键性的作用，外加剂能有效影响混凝土的和易性、强度等方面的性能，对改善优化机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、胶凝材料相对而言基本难以变化，而外加剂是具有可灵活调整的特性，因此，在单方混凝土中，外加剂用量不变的情况下，如果能通过改善外加剂的性能，使得外加剂更加适应机制砂混凝土，虽然看起来整体配合比在数据上没有发生变化，但混凝土实际上性能得到了优化。
设立机制砂混凝土专用外加剂，通过合理的复配，使该外加剂专门针对机制砂混凝土的性能做出相应的优化，满足机制砂混凝土在实际生产中的应用。
机制砂混凝土专用外加剂研发思路：
思路一：
超临界值引气型混凝土外加剂
该外加剂通过复配引气成分，使得混凝土的含气量提升，由于气泡的存在，混凝土在和易性方面有较好的改善，流动性、坍落度有明显提升。
但是，超量的引气，又会导致混凝土强度下降，因此，该引气型外加剂，必须结合机制砂给混凝土强度带来一定富余值的基础上，适当添加引气而降低这部分强度的富余，换取混凝土和易性的改善。
思路二：
增强型减水剂
该外加剂通过常规减水剂和减胶剂复配而成。
由于减胶剂具备一定增强混凝土强度的效果，减胶剂引入混凝土中的原本目的是为了节省胶凝材料用量，作为机制砂混凝土专用外加剂，在减水剂中引入减胶剂成分，同配比下，可以增加混凝土的强度。
然后，用为改善机制砂混凝土和易性而不得提高的用水量，来牺牲”掉这部分强度，进而
使得机制砂混凝土在保证强度的同时，提高了工作性能
思路三：
聚羧酸外加剂与调节剂小料的复配型外加剂
总所周知的，聚羧酸外加剂作为新型第三代外加剂，有着萘系等第二代外加剂不可比拟的减水、保坍等效果优势，但聚羧酸外加剂在复配上，往往没有很好的可与之匹配的复配材料。
通过对一些复配小料的研究，能够使得聚羧酸在机制砂中发挥出1加1大于2的更好效果，这种外加剂，必将使得聚羧酸在机制砂混凝土中的应用范围更广。
2.6机制砂混凝土配合比优化设计理论小结
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5个参数：
用水量、胶凝材料用量、砂率、机制砂物理性能、机制砂专用外加剂性能。
通过对这
5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（C20-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：
江西万年青42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰：
F类H级粉煤灰；矿粉：
S95级矿渣粉；机制砂：
细度模数3.4,石粉含量6%;天然细砂：
赣昌河砂，细度模数1.6;碎石：
江西高安某矿山所产碎石；外加剂：
ZX-101J型高效减水剂，南昌卓鑫实业有限公司生产。
3.2C20-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70%〜80%,其中C20〜
C30为70%,C35〜C40为80%,混凝土设计坍落值为（160出0）mm。
设计后配合比如表7。
表7C20-C40机制砂（机制砂石粉含量6%）混凝土配合比
编号
砂率
/%
原材料用圧1（kg/m3）
水泥
水
机制砂
细砂
FA
SL
减水剂
C20
45
165
173
5B8
252
49
70
4.97
C25
44
195
171
574
2斗6
54
61
5.58
C30
43
215
172
552
237
61
68
636
C35
42
230
170
616
155
64
75
7,01
C40
41
257
169
587
147
66
81
7.8b'
3.3试验结果
C20-C40混凝土和易性及抗压强度试验结果如8
S8C20~C40机制砂（机制砂石粉含＞6%）
混凝土强度及和易性
编号-
抗压强度NPa
坍落度
/mm
粘聚性
保水性
离析情况
7d
28d
C20
16.9
30.6
175
良好
良好
无离析
C25
23.4
35.2
1B0
良好
良好
无离析
C30
27.1
40.5
180
良好
良好
无离析
C35
30.1
44.7
170
良好
良好
无离析
C40
40.5
51.0
170
良好
良好
无离赫-
通过表8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，混凝土在坍落度和扩展度方面均达到理想设计，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。
试验结果基本可以验证上述配合比优化设计理论的成功。
4小结
通过对机制砂和机制砂砼的性能研究，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5项参数：
用水量、胶凝材料用量、砂率、机制砂物理性能、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C20〜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。
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