浅谈机制砂混凝土配合比优化设计

摘要：随着我国高速公路建设迅速发展，大跨度高墩混凝土连续刚构桥已得到广泛应用。高性能混凝土在耐久性、工作性和体积稳定性方面具有良好性能，在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出独特的优越性，在工程技术经济性、环境适应性等方面产生明显效果。因此，机制砂混凝土已被各国建设者们所接受和推广，也是今后混凝土技术研究和发展方向。因此探讨机制砂混凝土配合比的优化设计具有重要的意义。本文首先对机制砂进行了概述，然后分析了机制砂混凝土配置对原材料的要求，并详细探讨了其配合比优化设计中的要点，最后对机制砂混凝土配合比优化设计过程的工艺要求做了说明。

关键词：机制砂；混凝土；配合比；水灰比；砂率

Abstract: along with the rapid development of our country highway construction, long-span concrete continuous rigid frame bridge with high-rise piers has been widely used. In durability, workability, and high performance concrete volume stability, good performance, on the Bridges, high-rise building, port construction and other engineering shows that the unique superiority, in engineering economy, environmental adaptability, etc have obvious effect. As a result, the mechanism of sand concrete has been accepted by builders from all over the world and the promotion, is also a concrete technology research and development direction in the future. So an exploratory examination of the optimization design of mechanism sand concrete mixture ratio has the vital significance. This article first has carried on the outline of mechanism sand, and then analyzes the mechanism of sand concrete configuration requirements for raw materials, and its key points in the design of mix proportion optimization is discussed in detail, finally, the mechanism of sand concrete mix proportion optimal design process of the technological requirements.

Key words: the mechanism of sand; Concrete; Mixture ratio; Water cement ratio; Sand ratio

中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

机制砂概述

（一）机制砂的特性

1、机制砂是采用硬质岩石经机械破碎制得，加工后有较尖锐的棱角，针片状颗粒及软弱颗粒含量大，硬度比河砂小。

2、机制砂级配较集中。试验测得：1.25 mm以上颗粒占总重45％左右(河砂约20％一30％)，0.315-0.160mm范围内的颗粒仅占10％左右(河砂约20％左右)。

3、机制砂的空隙率在40％左右，略小于河砂。

（二）机制砂的质量标准

1、级配范围：累积筛余量符合混凝土用砂级配要求。

2、云母含量、含泥量及其他杂质含量应满足施工技术规范的要求。

3、对C30以上的混凝土和要求抗冻、抗渗的混凝土，砂的压碎指标不应大于35％；对C30以下的混凝土，砂的压碎指标不应大于50％。

4、石粉含量：小于0.08min的颗粒含量不大于10％。

机制砂混凝土配制对原材料的要求

（一）水泥

配制机制砂混凝土，在选用水泥时，要综合考虑水泥的各项性能和成本，应选择流变性好、碱含量低、氯离子含量低、早期反应性能低的水泥，热料中C3A含量不超过8%，且与多数高效减水剂有较好的适应性，较容易控制坍落度损失。实际应用时，经过搅拌，仅需结合少量水，形成钙矾石少，这时水泥浆体具有良好的流变性，与减水剂相容性良好，混凝土经时损失小。相关研究表明，配制高强度混凝土不一定必须使用高强度水泥，化学减水剂和矿物减水剂的使用，仍可能用较低强度等级水泥配制高强度混凝土。机制砂混凝土通常使用高效减水剂将水胶比降低后获得较高强度和较好流动性。

（二）细集料

细集料混凝土易采用级配良好的中砂，小于0.315颗粒含量需不小于15%，否则易发生堵管。

（三）粗集料

粗集料强度、颗粒形状、表面特征、级配、杂质含量、吸水率等对高性能混凝土性能影响较大，因此，配制高性能混凝土对粗集料选取十分重要。粗集料应采用5－25mm的连续级配，要求具有颗粒级配合理、针片状少、空隙率小等特性。控制好粗集料比例将会有效获得混凝土的最小空隙率，从而获得较好的工作性、较高的强度及良好的耐久性。同时，对相同水胶比而言，粗集料在最佳堆积下总浆体用量也会减少，相对拌和水用量也会减少，因而可减少混凝土中弱界面形成几率及浆体本身产生收缩裂缝的可能，从而提高混凝土的耐久性。

（四）减水剂

减水剂掺量宜控制在胶凝材料的0.5%－1.6%，具体用量应根据与水泥的相容性试验选定，不能盲目认为减水剂掺量越高减水效果越好。掺入适量减水剂可满足混凝土工作性能，降低水泥用量，减少工程成本。选用减水剂应着重从以下几个方面考虑：

降低水胶比，提高早期强度，增加后期强度，减少混凝土坍落度损失，满足工作性能要求。

在试验中发现：同一种减水剂对不同品牌水泥的减水效果有很大差异，在施工中需要考虑减水剂与水泥的相容性，不能随意更换减水剂类别。此外，还需要考虑减水剂对温度的敏感性，减少因温度造成坍落度偏小的影响。

（五）矿物掺合料

混凝土掺入粉煤灰因早期强度偏低，其掺量应根据水泥实际强度和施工季节的温湿度条件进行调整，以适应预应力张拉要求，改善混凝土工作性和水化热。磨细矿粉或硅粉掺量则根据耐久性、强度及施工要求选择，若混凝土粘度过大、拌和物流动性损失过快而影响混凝土可泵性时则应适当减少用量。优质粉煤灰掺量宜选择10－20%，磨细矿粉掺量宜选择10－30%，硅粉最佳掺量为3－10%，具体根据所用外掺料、水泥种类、减水剂种类、骨料性质及材料价格，通过试验及经济比较后综合选定。

机制砂混凝土配合比优化设计中的要点

（一）严格控制大颗粒含量

要求机制砂中大于5mm颗粒含量不超过10％。当5mm以上颗粒含量过多时，会影响粗骨料级配，使混凝土拌和物易出现泌水、离析现象，造成混凝土强度不均匀；泵送时易产生卡管堵塞。

（二）选择合理的砂率

选择合理的砂率能使混凝土具有较大的流动性，保持良好的粘聚性、保水性和可泵性，砂率还影响混凝土的强度。由于机制砂在加工过程中大于5mm的颗粒含量较高，因此在进行混凝土配合比设计时，应适当提高砂率，可取45％-55％。砂率偏低易造成混凝土粗糙，坍落度小，不易拌和、浇注和振捣；在运输过程中易产生泌水、离析，影响正常泵送；混凝土易产生蜂窝、麻面且外观质量差。砂率偏高，会造成混凝土拌和物坍落度大，水泥用量多，混凝土收缩徐变大，使混凝土强度不均匀，易产生表面裂缝。因此应根据混凝土强度、施工工艺和外观质量要求，选择合理的砂率。

（三）水灰比范围

水胶比对混凝土强度等性能的影响非常明显。通过研究w/c=0.41时，水胶比的抗压强度处于C50 混凝土配置强度边缘，如水泥胶砂强度富余系数较低、水泥混合材比例从15%提高到20%等因素变化，混凝土抗压强度不易满足，甚至达不到要求；尤其是较高的水胶比会使收缩和徐变增大，这对于机制砂混凝土是一个非常值得重视的问题。因此，控制机制砂高强混凝土水胶比范围为0.32～0.38。这个水胶比范围不仅涵盖了JGJ55公式计算范围，而且包括了掺粉煤灰、水灰比小于0.4 的混凝土，同时，有利于保证混凝土的强度、长期性能和耐久性能，也比较符合工程实际情况。

（三）石粉含量

石粉含量按规定不应超过10％。在施工过程中通过反复试验，适当提高石粉含量对混凝土强度无显著影响，但能有效提高混凝土的和易性、粘聚性、保水性和流动性，这样可改善混凝土的工作性能，易于混凝土的运输、浇注和振捣，同时保证混凝土外观质量。石粉含量最高不宜超过12％，否则混凝土和易性大，易产生表面收缩裂缝，强度低，弹性模量亦减小。

（四）用水量

混凝土具有良好的和易性是保证混凝土正常浇注和强度的基本要求。通过试验得出对于相同强度等级混凝土，在水泥用量、水灰比、砂率相同的条件下，用机制砂比用河砂和易性差，混凝土拌和物坍落度小、流动性差、易离析。为了保证混凝土拌和物具有较好的和易性，在掺入必要外加剂的同时，混凝土拌和用水量比使用河砂时增加8％左右。

（五）含气量

选择适宜的含气量，可以提高混凝土抗冻性能，改善混凝土拌和物性能和施工性能，提高混凝土匀质性和稳定性。从施工性能和冻融耐久性两方面考虑，通常应保证混凝土含气量2%－4%。

机制砂混凝土配合比优化设计过程的工艺要求

在试验室配制符合要求的机制砂混凝土，在施工过程中如何保证混凝土质量稳定较为困难。一些不太敏感的因素，在低水胶比情况下会变得相当敏感，这就要求在整个施工过程中必须注意各种条件、因素变化，随时合理调整施工配合比和各种工艺参数。现场施工需要做好以下几项工作：

严格控制水胶比；

骨料含水量应在用水量中扣除；

探测混凝土拌和物温度，必要时测定混凝土水化热，控制温升，保证工作时间；

合理安排投料顺序；如机制砂中含有一定石粉，石粉对高效减水剂的吸附作用十分明显，避免减水剂投入拌和机直接被石粉吸附而失去功效；

合理安排施工工序，计算各阶段所需时间，缩短混凝土从搅拌到浇捣完毕时间；

加强对混凝土施工人员技术培训，使混凝土施工各个环节正常运行。

结语

综上，采用机制砂加特细砂优化组配成级配良好的中砂代替河沙配制混凝土既节约了成本又改善了混凝土的和易性，泵送过程中很少出现堵管现象。若要拌制出合格的机制砂混凝土，除对原材料进场把好关外，在做好配合比设计同时，还要做好施工过程工艺控制。当然，在诸多控制细节中，有些是技术问题，更多是现场管理问题，这就要求在施工过程中，必须以规范、规程为标准，不断总结，科学管理，规范作业，认真做好每个细节，使用各个环节真正处于受控状态，才能保证配制出合格的机制砂混凝土。

参考文献

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