混合砂混凝土配合比优化设计

＊杨胜飞

（中铁二十五局集团第二工程有限公司 江苏 210000）

细集料是配制混凝土不可或缺的原材料之一，其自身品质的优劣对混凝土的工作性能、力学性能以及耐久性能具有重要影响。天然砂是不可再生资源，过度开采会造成严重环境问题，机制砂取代天然砂已成必然，机制砂中的石粉在一定程度上会改善拌合物的粘聚性和保水性，但机制砂细度模数较大，颗粒表面较粗糙、棱角多，配制混凝土时需水量增加，导致混凝土内部孔隙增多、强度下降、和易性差[1]。当胶凝材料用量较大时，过多的石粉还会增大混凝土拌合物的粘性，降低拌合物的工作性能，故用机制砂配制高性能混凝土具有一定难度[2]。近来有学者研究发现，将机制砂和天然砂各按50%混合和6:4混合后，配制的混凝土抗压强度比只用天然砂配制的混凝土抗压强度高[3-4]。将特细砂与机制砂合理搭配用于配制混合砂混凝土，有利于缓解天然砂资源短缺的现状，削弱机制砂配制混凝土带来的不利影响，是可持续发展战略的积极响应。

本研究以某T梁结构工程为基础，从满足设计要求的角度出发，同时兼顾经济性，采用普通硅酸盐水泥+粉煤灰+矿渣粉+特细砂+机制砂+优质粗骨料+高性能外加剂作为工程用C55混合砂混凝土的配制途径。在遵循混凝土配合比设计原则的基础上，通过探究胶凝材料用量及组分、砂率、碎石相对比例等参数对混合砂混凝土工作性能和抗压强度的影响，对混合砂配合比进行优化。

1.原材料与试验方法

(1)原材料

①水泥

采用重庆西南P·O42.5R水泥，其比表面积340 m2/kg、氯离子含量0.05%、初凝时间138min、终凝时间220min、28d抗压强度46.0MPa。

②粉煤灰

采用重庆白鹤Ⅱ级粉煤灰，其细度（45μm方孔筛余）14.3%、需水量比104%、烧失量2.5%、三氧化硫1.3%、氯离子含量0.003%、碱含量2.22%。

③矿渣

采用重庆钰宏S95级矿渣粉，其比表面积430m2/kg、密度2.9g/cm3、流动度比100%、7d活性指数75%、28d活性指数96%。

④细集料

机制砂：产地在重庆万州，Mx=3.2，含粉量7.0%；

特细砂：产地在湖北枝江，Mx=1.1，含泥量1.9%。

根据两种细骨料的级配情况及细度模数，混合砂的搭配比例为35%特细砂+65%机制砂。

⑤粗集料。采用（5～16）mm连续粒级碎石和（10～20）mm单粒级碎石搭配使用。

⑥减水剂。使用重庆迪翔建材有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，减水率为29.0%，推荐掺量为2.0%。

⑦混凝土用水。检验合格的自来水。

(2)试验方法

①混凝土工作性能。混凝土拌合物的工作性能通过坍落度和扩展度进行评价，其试验方法按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080—2016进行。

②混凝土基本力学性能试验。硬化混凝土基本力学性能通过立方体抗压强度进行表征，其试验方法按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081—2019进行。

③胶凝材料水化热试验。胶凝材料水化热通过在恒定的温度环境中，热量计内胶凝材料的温度变化来表征，其试验方法按照《水泥水化热测定方法》GB/T 12959—2008进行。

④混凝土内部绝热温升计算。混凝土在水化硬化过程中由于放热会使内部温度升高，其计算方法按照《大体积混凝土施工标准》GB 50496—2018进行。

2.试验结果与讨论

(1)砂率对混合砂混凝土工作性能与抗压强度的影响

表1给出了砂率在35%～41%范围内变化时，砂率对混合砂混凝土工作性能与抗压强度的影响。数据显示，砂率提高，坍落度略微增大，但整体数值相差不大，扩展度也呈现增大趋势。其中，砂率为41%，拌合物的坍落度和扩展度最大，即流动性最好。砂率提高后，细骨料的比表面积增大，会导致浆体无法完全包裹集料，造成混凝土界面过渡区的密实程度降低，进而强度下降[5-6]。因此，配合比的合理砂率宜在39%～41%。

表1 砂率对C55混合砂混凝土性能的影响

(2)粗骨料级配对混合砂混凝土工作性能与抗压强度的影响

通过改变两种碎石的比例调整粗骨料级配，表2反映了不同级配的粗骨料对混合砂混凝土工作性能及抗压强度的影响规律。当两种碎石比例为4:6时，混凝土的工作性能达到最佳，当增加或减小碎石中（5～16）mm碎石的比例时，混凝土的坍落度及扩展度均有不同程度的减小。当两种碎石比例由7:3变化至2.5:7.5时，混凝土抗压强度的变化并不显著，当（10～20）mm碎石比例达70%及以上时，混凝土28d抗压强度均保持在70MPa以上。

表2 粗骨料级配对C55混合砂混凝土性能的影响

因此，为确保混凝土的工作性能和强度性能均能满足要求，优化配合比宜选择（5～16）mm碎石与（10～20）mm碎石的比例为3:7或2.5:7.5的粗骨料搭配方式，必要时可再适当增大（10～20）mm碎石的比例。

(3)胶凝材料用量对混合砂混凝土工作性能和抗压强度的影响

在配合比参数合理，且工作性能和强度满足设计要求的条件下，降低胶凝材料用量不仅可以发挥配合比良好的经济性，还可以通过控制混凝土体系的总放热量而达到降低由温度应力导致的箱体开裂风险。

控制胶凝材料用量和单位立方混凝土中水泥用量，合理提高矿物掺和料的用量是配合比优化设计的基本思路之一[7]。试验组设计的胶凝材料分别为510kg/m3、495kg/m3以及480kg/m3，配制的混凝土均满足设计强度等级要求，此时需观察胶凝材料各组分的搭配。当胶凝材料用量降低时，混凝土的流动性和抗压强度呈下降趋势，且当胶凝材料用量降至最低时（480kg/m3），新拌混凝土的坍落度和扩展度大幅降低，流动性较差，不利于施工浇筑，因此胶凝材料合理用量应大于495kg/m3，这也符合近来对混合砂抗压强度的研究规律。

(4)混合砂混凝土胶凝材料水化热和绝热温升

优化混凝土配合比的同时，探究了设计配合比的胶凝材料体系的水化放热行为，并计算混凝土绝热温升理论值以作参考。实验结果表明，当胶凝材料用量一定时，增大矿物掺合料（粉煤灰、矿渣粉）掺量，胶凝材料的水化热显著降低。其中，当粉煤灰掺量为15%，矿渣粉掺量为20%时，3d水化热仅为181.6J/g，7d水化热仅为235.0J/g。此时水化放热速率较为缓慢。绝热升温的实验结果表明，当掺合料种类一定时，胶凝材料用量的提高直接导致绝热温升的升高。当胶凝材料总量为510kg/m3、水泥用量为410kg/m3时，混凝土内部绝热升温最大，10d达到75.1℃。因此，在满足工作性和强度的条件下，选择胶凝材料用量最小且水化热最低的配合比作为最优配合比。

(5)混合砂混凝土配合比优化

总结砂率、粗骨料级配、胶凝材料用量对混合砂的影响试验结果，得出优化配合比的参数推荐范围。由表3可知，根据优化约束条件设计的6组配合比均能满足C55混合砂混凝土的性能要求，从兼顾优良的和易性、较高的抗压强度和经济性考虑，推荐第C-1组配合比作为C55混合砂混凝土的施工配合比。当前工程中混合砂使用的比例最多是天然砂占60%，机制砂占40%，而本文C-1组配合比使用了更少的天然砂，通过调整矿物掺合料掺量、砂率来满足施工需求，每吨混凝土成本约降低8.8元，工程应用难度低，可行性强。

表3 混合砂混凝土配合比优化验证试验结果

3.结论

（1）砂率的提高明显改善混合砂混凝土的工作性能，但不利于混凝土强度的发展，骨料级配对混合砂混凝土的工作性有显著影响，但对抗压强度发展的敏感度较小，合理砂率宜选择39%～41%。

（2）系列配合比实验证明，拟定的混凝土配合比优化技术路线合理，得出了恰当的优化约束范围。

（3）以P·O42.5R级普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰、S95级矿粉、特细砂与机制砂搭配使用的混合砂、（5～20）mm碎石为主要配制材料，可配制出初始坍落度达220mm、扩展度在550以上、配制强度超过70MPa的C55混合砂混凝土。该混凝土的水泥用量为370kg/m3，粉煤灰用量为45kg/m3，矿粉用量为80kg/m3，砂率为40%。