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机制砂混凝土配合比优化设计任飞跃

发表时间：2021/6/17 来源：《基层建设》2021年第6期作者：任飞跃

[导读] 摘要：由于机制砂较河砂粒径偏粗，且石粉含量高，极容易早成混凝土离析、开裂，在施工过程中，经常造成混凝土施工困难、凝结硬化后外观质量差等施工难题。

        新昌县越信路桥建筑工程试验检测有限公司浙江省绍兴市 312500
        摘要：由于机制砂较河砂粒径偏粗，且石粉含量高，极容易早成混凝土离析、开裂，在施工过程中，经常造成混凝土施工困难、凝结硬化后外观质量差等施工难题。本文结合当地实际材料情况，提出机制砂混凝土配合比优化理论，分析各参数对混凝土相关指标的影响。
        关键词：机制砂机制砂混凝土；配合比优化
        随着我国各类建设项目与日俱增，天然砂资源的不断枯竭，人工砂逐渐作为天然砂的替代，广泛应用于大量生产实践中。人工砂包含机制砂与混合砂，机制砂是指“由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质页岩、风化岩颗粒”。以机制砂为细集料配制成的混凝土称为机制砂混凝土。
        1机制砂的特点及质量标准
        特点有：（1）机制砂是硬质性砂石经过机械模式粉碎后得到的，在经过加工后，机制砂的棱角呈尖状，在其中，软弱型颗粒和针片型颗粒含量比较多，其硬度相比于河砂相对较小；（2）机制砂级配相对于河砂比较集中。经过测试后得到，河砂中的1.200mm以上的颗粒约为（20.00%－30.00%左右），机制砂颗粒约为40.00%左右。河砂中的0.300－0.150mm范围内的颗粒约占25.00%左右，机制砂颗粒仅仅为9.50%左右；（3）机制砂的的孔隙率相比于河砂比较低，约在43.50%左右。机制砂质量标准：（1）石粉含量。石粉含量应小于7%；（2）级配范围。机制砂的累积筛余量必须满足混凝土砂级使用要求；（3）机制砂内的泥块量、云母量以及轻物质的含量均应达到技术施工的要求；（4）对于C30以上的混凝土的机制砂压碎指标应该不超过25%。
        2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，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。在机制砂实际应用中，基本都以机制砂搭配天然细砂，进行混凝土生产。粗砂搭配细砂，对混凝土质量的稳定性也容易控制，也保证机制砂混凝土的和易性指标。
        3机制砂混凝土配合比优化理论研究
        （1）由于石粉的存在，使得混凝土中粉状材料的总量，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。（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。

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        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：石粉含量、水灰比、砂率、外加剂参量。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。
        4机砂混凝土配合比优化设计要点
        4.1石粉含量
        通过反复试验，我们得出，适当的石粉含量对混凝土强度没有显着影响，且能有效提高混凝土的和易性，有利于混凝土运输、振捣和成型，同时混凝土的强度没有降低。通过长期对比原材料数据我们得出，石粉含量在7%-10％时，混凝土强度没有明显下降，且混凝土没有出现质量问题，不难得出，在混凝土凝结硬化过程中，部分石粉在水泥水化过程中，填充了混凝土结构的孔隙，提高了混凝土的密实度，同时降低了水泥水化热，即防止了混凝土内部开裂，又提高了混凝土的强度。但随着石粉含量的增加，混凝土需水量增大，则会加剧混凝土干缩，造成干缩开裂，同时混凝土强度、弹性模量降低。
        4.2水灰比范围
        由于机制砂中石粉含量高，相同条件下混凝土需水量也因此增加，通过反复比较得出，在同条件下，相比较天然砂配合比，机制砂配合比水灰比可以在天然砂配合比基础上增加0.03左右，以保证机制砂混凝土拌合物和易性和强度指标。
        4.3选择合理的砂率
        选择合理的砂率可使混凝土具有更大的流动性，保持良好的粘结性、保水性和可泵性。由于机械砂颗粒较粗，通常细度模数在2.7-3.3范围内，因此在设计混凝土配合比时应适当增加砂率，并且可以为42％-48％。低砂率易造成混凝土粗糙，坍落度小，难以拌合、浇筑和振捣密实；运输过程中容易产生离析，影响正常施工，且成型后混凝土外观质量差。高砂率会导致混凝土混合物坍落度大，水泥用量大，混凝土收缩变大，容易产生混凝土内部开裂和表面裂缝，为了保证混凝土具有良好的和易性同时兼顾外观质量，通常参入10%-15%的细沙取代等量机制砂，细沙的细度模数为1.5-1.7，以增加细骨料中细颗粒含量，弥补机制砂颗粒分布偏粗的缺陷，以保证混凝土具有良好和易性的同时，具有良好的外观质量。因此，应根据混凝土强度，施工工艺和外观质量要求选择适当的砂率，若机制砂偏粗和易性达不到要求，应选择适当的细沙用量取代机制砂，确保和易性指标满足施工要求的同时，验证强度指标，确保符合规范、设计要求。
        4.4外加剂
        混凝土的良好的和易性是确保混凝土正常浇筑施工和强度指标的基本要求。通过试验得出，对于相同强度等级的混凝土，在相同水泥用量，水灰比和砂率的条件下，参入与机制砂相容性良好的引气性高性能减水剂，会大大降低水灰比，改善混凝土拌合物和易性。相比较天然砂配合比而言，机制砂混凝土配合比外加剂用量应适当提高0.3%-0.5%，且应通过机制砂混凝土外加剂相容性快速试验进行验证。
        结束语
        在进行机制砂混凝土配合比设计时，应该合理的选择水灰比、砂率、外加剂用量等参数，控制机制砂石粉含量，在确保耐久性、和易性、强度的前提下，通过混凝土拌合物实际效果和强度指标验证设计方案，从而在保证质量的前提下生产出更加经济的混凝土，为企业在节约能耗、降低成本方面做出成绩。
        参考文献：
        [1]蒋正武.机制砂特性及其在混凝土中应用的相关问题研究.新型建筑材料2017，（11）.
        [2]蒋符发.高性能机制砂水泥混凝土性能的试验研究[D].重庆交通大学，2017（04）