机制砂混凝土配合比研究进展

2023-08-02刘培忠刘平云陈茂恒张凤宸闫沛宇胡文军

中国水运 2023年6期

刘培忠 ,刘平云 ,陈茂恒 ,张凤宸 ,闫沛宇 ,胡文军

（1.山东省路桥集团有限公司，山东济南 250100；2.山东建筑大学交通工程学院，山东济南 250101）

近年来，在我国经济快速发展的背景下，工程建设的需求也在不断增大。砂作为施工中最基本、最常用的原材料，却存在一系列的问题：天然砂不可再生且资源分配不平衡，目前消费规模大于生产规模[1]。开采天然砂造成的环境破坏日益严重，政府对天然砂开采的管控力度也逐年加大，使用天然砂的成本逐渐攀升。在这种情况下，机制砂逐渐登上历史舞台，其来源更丰富，成本更低，广泛应用已经成为全球趋势。在2014 年，韩继先推算砂石的年产销量在100 亿吨以上，其中机制砂产量达到一半以上，为60 亿吨[2]。

天然砂由于长期的自然变化，易污染，有害物质和轻物质含量比机制砂多。在自然变化过程中，天然砂长期滚磨，棱角磨圆；机制砂是由岩石等用机械直接破碎而成，棱角新鲜尖锐。由于二者形状存在差异，机制砂砂子间的咬合度高于天然砂[3]，这就导致机制砂混凝土的配合比设计与天然砂混凝土存在差异，二者的强度和耐久性也有所区别。本文综述了近十年来国内外有关机制砂混凝土配合比的设计研究情况，调查并总结了砂率、水灰比以及用水量对机制砂混凝土工作性能和力学性能的影响，分析出适合机制砂混凝土的配合比，指出目前国内对于机制砂混凝土的研究难点，并对未来机制砂混凝土的发展做出展望。

1 砂率对机制砂混凝土的影响

砂率是指单位混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率，是混凝土配合比设计中的三个重要参数之一。砂率会显著改变骨料的总表面积，直接影响到机制砂混凝土的工作性能。适宜的砂率能在提高机制砂混凝土的和易性与密实度，这样不仅能保证硬化后的机制砂混凝土有足够的强度，还能在减少胶凝材料用量的同时拥有良好的工作性能，从而降低了生产成本。

丘海哩[4]研究砂率对机制砂混凝土抗压强度的影响，采用的方法是先确定水胶比，然后将砂率的选取范围固定在42%～47%。研究结果表明，在水胶比相同、外加剂掺量相同，砂率不同的几组混凝土中，砂率影响最大的是拌合物的扩展度：随着砂率的增加，扩展度呈现先增大后减小的变化趋势。混凝土拌合物扩展度最大时，28d 抗压强度也最高。此时的砂率为机制砂混凝土工作性能最好、28d 抗压强度最高的最佳砂率。

曹盛明[5]研究砂率对混凝土工作性能的影响，在水胶比恒定的前提下，将砂率选取范围定位为35%～43%，试验结果表明：随着砂率的提高，机制砂混凝土拌合物的坍落度和扩展度总体呈现下降趋势，砂率为37%时，混凝土的工作性能最佳。昌孝云等[6]在针对贵州地区工程中常用的C30 机制砂混凝土进行配合比设计优化时，发现机制砂砂率会影响混凝土的密实度，当砂率为44%时混凝土密度最大，相应的抗压强度最高。

机制砂的来源较为广泛，不仅来源于岩石，也会来源于卵石。毛帅[7]等采用路用卵石机制砂混凝土制作试块进行试验，弥补了路用卵石机制砂混凝土相关特性的研究空缺。其研究结果表明：卵石机制砂的砂率也会影响到混凝土的坍落度，砂率为38%时，混凝土的坍落度和弯拉强度最高。

砂率也会影响混凝土的抗滑性能。朱文平[8]设计混凝土的水灰比为0.39，固定机制砂石粉含量为7.0%，分别改变砂率为30%、34%、38%、42%。实验结果显示砂率的增加会同时使混凝土表面砂浆层的石粉含量增多，造成的后果就是粘着摩擦系数减小、抗滑性能变差。

为了探讨不同机制砂混凝土强度等级下的最优砂率，葛黎明[9]对不同强度等级的混凝土砂率选取范围不同，设计机制砂C30 混凝土砂率为40%～48%，C40混凝土为38%～46%，C50 混凝土为36%～44%，并与天然砂混凝土进行比较。得出的结论是：机制砂C30 混凝土最优砂率是46%，C40 最优砂率为44%～46%，C50 则为42%～44%，均高于天然砂混凝土的最佳砂率。提高砂率是改善机制砂混凝土拌合物和易性的有效措施。

徐鑫等[10]对T 梁C55 混凝土进行了机制砂和天然砂在耐久性方面的对比研究，结果表明，砂率为40%～44%时机制砂混凝土的工作性能更好，但是在耐久性方面两者相差不大。

2 水灰比对机制砂混凝土的影响

水灰比也叫水灰比率，是指混凝土配合比设计中水的质量比水泥的质量。水灰比对混凝土的流动性能、水泥浆的凝聚结以及水泥混凝土硬化后的密实度有显著影响。所以在同样的材料组成情况下，水灰比是决定混凝土强度、耐久性以及其他物理和力学性能的主要参数。水灰比也是混凝土进行配合比设计的重要参数之一。

Haach V G 等[11]根据不同的水灰比和颗粒级配制备了18 种组合，通过流动台试验、抗压和抗折强度试验对试件进行对比分析。可以得到：增加水灰比会提高机制砂混凝土的工作性能，但是降低了其硬化后的力学性能。

卢自立等[12]在机制砂混凝土的配合比设计中，研究了在已知最优砂率的情况下，水灰比对不同强度机制砂混凝土特性的影响。当水灰比提高时，不同强度等级的机制砂混凝土拌合物，其坍落度都增加；不同强度的机制砂混凝土在7d 和28d 时抗压强度也有不同程度的提高，其中C30 混凝土在水灰比为0.44 时强度最高，C40在水灰比为0.36 时强度最高，C50 在水灰比为0.32 时强度最高。分析可知，当水灰比较小时，水太少导致水泥水化不充分，此时机制砂混凝土内部的流动浆体较少，不能很好地填充砂石空隙，内部不密实导致硬化后混凝土强度较低；当水灰比提高时，混凝土拌合物内部流动浆体增多，能够充分填充混凝土内部砂石空隙，密实度提高，强度也随之提高；但当水灰比过大时，多余的水分会在混凝土内部形成孔隙，降低了混凝土的密实度，使得机制砂混凝土强度降低。

魏于量[13]考虑到水泥用量的变化对混凝土力学性能的影响，固定水泥用量，变化水灰比进行正交试验研究。从正交试验结果的均值看，随着水灰比增加，坍落度增大，泌水率增大，抗渗性下降，混凝土抗压强度下降；在适宜范围内水灰比减少则会让坍落度降低，同时初凝和终凝时间缩短，混凝土变得较黏稠并无泌水现象，抗压强度也随之提高。董瑞等[14]通过研究C30 和C40 机制砂混凝土在不同水灰比下的工作性能及抗压强度，并同时对机制砂混凝土的各项性能进行比选，最后提出当采用P·O42.5 水泥时，C30 机制砂泵送混凝土的最佳水灰比可选取为0.46 或0.48，C40 机制砂泵送混凝土最佳的水灰比可选取为0.36。

水灰比对机制砂混凝土耐久性的影响方面，刘桂凤等[15]对水灰比为0.4、0.45、0.5、0.55 的四种机制砂混凝土开展了冻融循环试验，来研究水灰比对机制砂混凝土抗冻性能的影响。结果显示：普通机制砂混凝土的抗冻等级较低，水灰比对其抗冻性影响显著，随着水灰比的增大，水的用量增多，机制砂混凝土的抗冻性越来越差。并且在结束冻融循环后，机制砂混凝土的相对动弹性模量以及28d 抗压强度均呈现下降趋势。

评价混凝土耐久性的另一个参数是抗氯离子渗透性能，杨春常[16]采用ASTMC1202 方法，分别研究机制砂混凝土和天然砂混凝土，在不同水灰比下砂浆相的氯离子扩散系数。从研究的结论看出，用机制砂混凝土砂浆相和天然砂混凝土砂浆相的氯离子渗透性能基本在同一级别，即机制砂并不会影响混凝土砂浆相的氯离子渗透性能。但是机制砂和天然砂的氯离子扩散系数均会随水灰比提高而增大；在相同的水灰比下，机制砂混凝土砂浆相的氯离子扩散系数比天然砂的稍高，但随着水灰比的增大，两者之间的差距逐渐减小。

3 用水量对机制砂混凝土的影响

机制砂颗粒表面粗糙、棱角较多，可以更好地嵌入混凝土的粗集料中，所以机制砂混凝土在强度方面比天然河砂混凝土高出许多。但是也由于机制砂同时含有一定量的石粉，导致机制砂混凝土拌合物较天然砂混凝土更加黏稠，在工作性能方面给实际施工带来不便。因此可以适当提高单位用水量，在稍微降低强度的同时可以极大地改善机制砂混凝土的工作性能。尹亚柳[17]在研究机制砂混凝土的配合比设计时，建议机制砂混凝土的用水量可选取天然砂混凝土用水量的上限值。

李艳芳等[18]参照《普通混凝土配合比设计规程》研究机制砂混凝土各方面的性能，改变了水灰比、用水量、砂率等参数，对混凝土的和易性和抗压强度进行试验。试验结果显示：其他条件不变的情况下，由于单位用水量的增大，混凝土的和易性得到改善，但抗压强度不断下降。用水量增加到185 kg/m3时混凝土开始出现轻微泌水的现象，当用水量控制在175 kg/m3时，混凝土的工作性能最佳，抗压强度降低较少。

单位用水量会受到胶凝材料的影响，张瑜[19]研究粉煤灰和矿粉对单位用水量的影响，观察其规律并对单位用水量公式进行修正。修正后的试验结果表明，掺入粉煤灰和矿粉后的用水量基本满足规范要求的单位用水量，更适合机制砂混凝土的配合比设计。

韩富庆等[20]在机制砂混凝土配合比设计研究中，在胶凝材料用量不变的情况下增加用水量，研究不同用水量对机制砂混凝土工作性和强度的影响，并与天然砂进行对比。得到的结论是：在相同水胶比条件下，机制砂混凝土强度明显高于天然河砂混凝土。因此设计机制砂混凝土配合比时，在保持胶凝材料不变的情况下，适当提高7～15 kg/m3的用水量，能让混凝土拌合物达到较好的工作性能，其强度仍能满足原设计要求。

近年来，有不少专家学者提出并采用数字量化混凝土配合比设计的方法配置机制砂混凝土。在单位体积用水量的确定方面，翟文静等[21]采用数字量化法计算时将用水量分为胶凝材料用水量和骨料用水量。结果表明，采用数字量化法配制的机制砂混凝土具有稳定性强、不离析、不泌水、不扒底等优点。该技术特别适用于劣质机制砂配制中低强度等级的大流态混凝土。