粤西地区花岗岩机制砂细度模数及修正砂率研究

2020-08-19宋宏伟何磊王浩张雨雷

中国港湾建设 2020年8期

宋宏伟，何磊，王浩，张雨雷

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

颗粒级配对沥青混合料[1]、土、水泥[2]、砂浆[3]和混凝土[4]等性能的影响已有众多研究成果，但对于机制砂混凝土，规范中要求的仍有一定的局限性，并没有考虑诸如岩性、粒型等不同对颗粒级配[5-10]的影响，也没有给出明确的指示。而颗粒级配对混凝土的和易性、施工便利性以及最终强度等有重要的影响，仅仅按照规范要求去配制，混凝土的工作性[11]差强人意。

本文基于实体项目中使用到的花岗岩机制砂，参考GB/T 14684—2011《建设用砂》中对机制砂级配的要求，通过试验缩小其取值范围，确定合理的花岗岩机制砂级配区间。同时提出一种修正现有配合比的方法，来考虑细度模数[12]与石粉含量对花岗岩机制砂混凝土配合比的影响，其修正关系清晰。通过上面的研究并在室内及现场进行试验，以解决在实际生产过程中机制砂混凝土工作性能欠佳的问题，期望改善花岗岩机制砂混凝土的工作性能，为花岗岩机制砂混凝土的工程推广积累经验。

1 原材料特性

水泥：廉江市丰诚水泥有限公司的P.O42.5水泥。

粗集料：廉江市石岭采石场5～16 mm（含泥量0.4%）、16～31.5 mm（含泥量0.3%）碎石，掺配比例为各占50%。

减水剂：山西康特尔精细化工有限公司生产的KTPCA聚羧酸系高性能减水剂，减水率为27%。

细集料：廉江市石岭采石场机制砂，细度模数3.18～2.58，压碎值22.1%，MB值为0.6。廉江市青平砂场河砂，细度模数2.22～2.86，含泥量2.0%。

2 细度模数

2.1 级配的影响

通过对30组机制砂与15组河砂进行筛分试验，机制砂细度模数在2.58～3.18，主要集中在2.80左右，河砂细度模数在2.22～2.86，主要集中在2.40左右，依据《建设用砂》规范，河砂与机制砂定性为中砂（2.3～3.0）。

为了便于确定机制砂与河砂的级配是否良好，本次对于级配的分析从分计筛余百分率入手，通过几组机制砂与河砂代表组、规范中值的对比，来分析级配的状况（见图1）。

图1 分计筛余百分率曲线图Fig.1 The curve of percentage retained

通过图1中机制砂（6组）与河砂（5组）分计筛余百分率对比规范中值，可以看出机制砂存在明显的“两头大，中间小”的通病，机制砂的级配在1.18 mm以上颗粒含量比较高，0.075～0.60 mm档颗粒含量较少；河砂大部分级配在规范中值附近，0.075～0.30 mm档颗粒含量较少，有少部分河砂级配同机制砂类似，级配在1.18 mm以上颗粒含量比较高，0.075～0.60 mm档颗粒含量较少，经过追踪发现这些河砂一般含泥量比较高，采取水洗法降低含泥量，在水洗的过程中0.075～0.30 mm档颗粒含量减少，级配变差。

结合规范通过细度模数确定机制砂属于中砂，细度模数一般在2.8左右，根据以往河砂的使用经验，河砂细度模数在2.8左右时混凝土的状态一般偏好。但机制砂的使用却并不如想象中的乐观。通过分析下面各筛孔分计筛余与细度模数的关系，来解释可能出现这种状况的原因。

对于计算细度模数的各级筛孔分计筛余α，分别进行每级与细度模数的回归分析，回归公式：

式中：Mx为机制砂细度模数；α为各级筛分计筛余百分率，%；C1、C0为回归常数。

对试样细度模数与各筛孔分计筛余进行回归分析，相关系数R在0.80以上者有4个粒级，其中具有正相关关系的为2.36 mm与1.18 mm粒级的分计筛余，具有负相关关系的是0.30 mm和0.15 mm粒级。见表1。

表1 各级筛孔分计筛余与细度模数回归统计Table 1 Regression statistics of percentage retained and fineness modulus of sieve holes at all levels

通过调整某一档的筛余质量以增加60%、减少60%，其余档的筛余质量保持不变，研究细度模数的变化（见图2），发现4.75 mm档与0.60 mm档对细度模数影响很小，而2.36 mm、1.18 mm档筛余质量减少细度模数降低，增加则细度模数增大，与0.30 mm、0.15 mm档对应相反，这两档筛余质量减少细度模数增长，增加则对应细度模数减少；这与上面做的回归分析的结果是一致的。变化幅度为0.30 mm档小于0.15 mm档，2.36 mm档大于1.18 mm档，呈反对称的蝴蝶形，通过图2还可以发现2.36 mm档对减少比增加敏感。可以通过对2.36 mm、1.18 mm、0.30 mm和0.15 mm的筛余百分率进行调整来指导机制砂生产中细度模数的控制。

图2 机制砂细度模数与各粒径含量调整关系Fig.2 Adjustment relationship between FM of MMS and content of each particle size

2.2 石粉的影响

石粉是石头粉末的通称，本文定义为机制砂中粒径0.075 mm以下的成分。以规范中值作为基准，在保证石粉（0.075 mm）以上粒径比例保持不变的情况下，通过调整石粉在机制砂中的比例，可以明显发现石粉含量每增加10%，细度模数减少近0.3。

在机制砂生产工艺中，机制砂是从大颗粒逐步破碎、研磨成较小颗粒的，通过对2.36 mm、1.18 mm、0.30 mm和0.15 mm的这几个粒级筛余百分率及石粉含量的控制，使成品砂的细度模数不产生较大的偏差。

3 混凝土状态

根据《建设用砂》规范，机制砂中值计算得出1.18 mm以上颗粒占总体质量的30%，即粗细比3:7，根据不同粗细比设计试验，通过缩小花岗岩机制砂级配区间，使花岗岩机制砂混凝土有较好的工作性能。具体试验设计见表2。

表2 机制砂级配调整配合比Table 2 Mix proportion of MMS grading adjustment

通过表3可以发现，河砂配制的混凝土强度较机制砂配制的混凝土强度小5 MPa左右，同时其含气量要高于机制砂1%～2%，河砂中增加8%石粉可以增加强度，同时可略微提高混凝土坍落度减少泌水，也可能是8%石粉提高浆体的流动能力起到润滑的效果。通过对混凝土泌水性等工作性指标判断，细集料粗细比在3:7～5:5间的混凝土状态较好。粗细比大于5:5后混凝土泌水量增加，坍落度与扩展度降低明显，工作性较差，强度有下降。

表3 测量数据汇总表Table 3 Summary of measurement data

4 修正砂率

本体系配合比设计，仅对砂率进行修正，其余相关参数如水灰比、用水量和水泥用量等均参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》。

在确定机制砂混凝土砂率的过程中增加了对于机制砂岩性的考虑，当机制砂岩性波动比较大时，需重新调整配合比。本次根据机制砂细度模数、石粉含量给出调整方向。参照《普通混凝土配合比设计规程》，首先根据粗集料品种和粒径、水灰比以及对坍落度的要求，按常规方法确定砂率βs，然后再进行修正，按水灰比、细度模数和石粉含量的修正系数来修正。对于不同岩性的机制砂，应该根据试验作出修正，这里给出花岗岩的水灰比修正经验参数θw，c（见表4）。

表4 水灰比的修正参数Table 4 Correction parameters of water-cement ratio

本参数是根据经验确定的，在保证工作性能相近的前提下，机制砂要比河砂的砂率提高若干个百分点。

对于石粉含量的修正：用一个基准的石粉含量（根据岩性确定）减去当前机制砂的石粉含量，乘以石粉含量的修正系数θrd，花岗岩的修正经验系数为12。对于细度模数的修正：将生产的机制砂的细度模数除以机制砂规范中值计算的细度模数2.54，加上石粉的修正值，再乘以岩性修正系数θmx，花岗岩的修正经验系数为2.5。花岗岩机制砂混凝土使用砂率即：

式中：βs，new为机制砂混凝土修正砂率，%；βs为基准砂率，%，通过《普通混凝土配合比设计规程》确定；θw，c、θmx、θrd分别为水灰比、细度模数、石粉含量的修正参数，根据岩性确定；Mx为机制砂的细度模数；rd为石粉含量；2.54为规范中值计算的细度模数（其中0.075 mm分计筛余定为6%，以下为8%）；0.12为根据试验确定的分界石粉含量。

式（2）中的修正砂率，通过对水灰比、石粉含量、细度模数进行修正，修正关系清晰，修正砂率与水灰比、细度模数成正比，与石粉含量成反比，通过6组不同水灰比、石粉含量和细度模数（见表5）计算修正砂率，有较好的使用效果。同时对细度模数的修正里面可能包含对于岩性的修正，这里没有做进一步的研究，之后可以通过进一步的研究将公式使用范围扩大到不同岩性，来考虑不同岩性对配合比的影响。