基于最佳級配曲線下機制砂與天然砂混合級配的研究

王琴，劉軍，朱炎寧，羅志明

（中建西部建設股份有限公司，新疆　烏魯木齊　830000）

基于最佳級配曲線下機制砂與天然砂混合級配的研究

王琴，劉軍，朱炎寧，羅志明

（中建西部建設股份有限公司，新疆烏魯木齊830000）

本文采用新疆的水泥、天然砂、機制砂為原材料，使用一般的技術手段研究在最佳級配曲線下的機制砂與天然砂混合，混合后的砂滿足 JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》。將得到的最佳級配的混合砂與一定數(shù)量的活性礦物摻合料、外加劑共同使用，進行大量配合比試驗，取得試驗數(shù)據(jù)，在混凝土抗壓強度及耐久性方面得出一定的結(jié)論，制備的混凝土擁有良好的工作性和操作性，且各項技術指標滿足 GB 14902-2003《預拌混凝土》的要求。

機制砂；天然砂；混合級配

1　試驗原材料與方法

1.1原材料

考慮到現(xiàn)實生產(chǎn)中的原材料選擇、運輸?shù)葐栴}，本試驗采用的天然砂、機制砂均來自烏魯木齊周邊砂場。

水泥： P?O 42.5R 水泥，其具體性能見表 1。

表1　水泥的主要性能

粉煤灰（FA）：Ⅲ 級干排原狀粉煤灰，細度 31.0%，需水量比 94%，燒失量 5.4%，SO3含量 0.9%。

粒化高爐礦渣（K）：比表面積 389m2/kg，7d 抗壓強度比為 76%，28d 為 114%。

天然砂（S）：烏魯木齊市地產(chǎn)各項技術指標符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》規(guī)定。其具體性能見表 2。

表2　天然砂的性能指標

卵石（G）：顆粒級配 5～20mm，針片顆粒含量 6%，壓碎指標 9%。顆粒級配 5～40mm，針片顆粒含量 5%，壓碎指標 6%。

外加劑：減水率 18%。

機制砂：烏魯木齊市周邊，其具體性能見表 3。

表3　機制砂的性能指標

1.2試驗方法

將天然砂與機制砂進行混合，按照一定的比例，得到級配良好的符合國家標準的混合砂。利用混合砂進行混凝土試驗，主要以C30泵送混凝土為主。并針對機制砂中的石粉，研究其對混凝土耐久性的影響。

2　最佳混合比例的確定

機制砂細度模數(shù)偏大，不宜單獨使用配置混凝土，而天然砂細度模數(shù)為 2.5，與泵送的最佳細度模數(shù) 2.6～2.9 相差不遠，所以采用機制砂取代天然砂的方法進行混合。GB/T 14684-2011 中細度模數(shù)計算公式如下：

混合砂的細度模數(shù)計算公式可以按下式確定：

其中：

MX——細度模數(shù)；

A1、、A2、A、3、A4A5A6——分別為天然砂在 4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.600mm、0.300mm、0.15mm 篩上的累積篩余百分比；

A'、、A'、A、'、A'A'A'——分別為機制砂在4.75mm、

123456 2.36mm、1.18mm、0.600mm、0.300mm、0.15mm 篩上的累積篩余百分比；

a——天然砂所占混合砂百分比。

根據(jù)多年的施工經(jīng)驗，高強高性能混凝土細度模數(shù)為2.6～2.9 時最適合，即：

代入數(shù)據(jù)可以得到：0.37≤a≤0.75

即機制砂的取代率在 0.25 到 0.63 之間時混合砂的系度模數(shù)在 2.6 到 2.9 之間。

3　最佳混合配比確定

將機制砂與天然砂的比例關系進行合理調(diào)配，使混合砂的顆粒級配在 Ⅱ 區(qū)范圍內(nèi)。

通過分級篩余的結(jié)果可以分別得出天然砂、機制砂最為集中的粒徑，設為 i、u。設混合砂中天然砂含量為 x，則機制砂含量為 1-x。設混合砂中粒徑i要求的分級篩余量為 am(i)，天然砂、機制砂在該粒徑的分級篩余量分別為 aA(i)、 aB(i)，則：

對結(jié)果取平均值，得到的即為大致滿足混合砂級配要求的機制砂含量。

采用按分級篩余級配中值。am(i) 可根據(jù) JGJ/T 10-95《混凝土泵送施工技術規(guī)程》中提供的最佳級配曲線（圖 1）來選取，使混合砂顆粒級配在泵送區(qū)內(nèi)，接近最佳級配線。

圖1　細骨料最佳級配曲線

表4　骨料的分級篩余和混合砂要求的級配范圍

由表 4 可以看出，機制砂占優(yōu)勢粒徑為 y=1.18mm，天然砂占優(yōu)勢粒徑為 i=0.3mm。將相應的 aA(i)，aB(i)，aA(y)，aB(y) 按分級篩余級配范圍中值即 am(i)，am(y) 帶入式（1）、（2），得到：

aA(0.3)X+ aB(0.3)(1-X)= am(0.3)

aA(1.18)X’+ aB(1.18)(1-X’)= am(1.18)

0.315X+0.114(1-X)=0.255求得 X= 0.70

0.12X’+0.304(1- X’)=0.175求得 X’=0.73

求 X 和 X’的平均值，(0.70+0.73)/2=0.72 即當天然砂占混合砂比例為 72% 時，混合砂的級配良好，理論上級配曲線可處于 Ⅱ 區(qū)范圍內(nèi)，且曲線最接近于中線。而0.37≤0.72≤0.75 在計算的取代范圍之內(nèi)。

4　混合砂檢測及性能試驗

4.1混合砂級配曲線

將天然砂與機制砂按 72:28 的比例混合，可以得到所需要的機制砂，對混合砂進行篩分試驗得到 Mx=2.6?；旌仙昂Y分試驗結(jié)果見表 5。

表5　混合砂篩分試驗結(jié)果

將混合砂的級配與最佳級配曲線進行對比，如下表 6。

表6　混合砂級配與最佳級配曲線對比

通過數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)混合砂的級配曲線與泵送混凝土細骨料最佳級配曲線基本吻合，因此可以斷定試驗得到了具有最佳級配曲線的混合砂。

4.2工作性能試驗及分析

分別用機制砂、天然砂、混合砂進行配合比試驗，以泵送 C30 混凝土為例。配合比見表 7，不同細骨料對混凝土性能的影響見表 8。

表7　C30 混凝土配合比

表8　不同細骨料對混凝土性能的影響

分析表 8 數(shù)據(jù)可知，在同樣的條件下進行混凝土拌制，混合砂坍落度介于天然砂與機制砂之間，這是由于機制砂級配不理想，顆粒相對集中，用其拌制的混凝土流動性不好；機制砂表面粗糙、棱角分明，不像天然砂表面那樣圓滑，因此流動性不及天然砂；機制砂與天然砂混合，有效的改善了細骨料的顆粒級配，補充了 0.315mm 以下的顆粒，較大的改善了混凝土的流動性。

在同一條件下拌制的三類混凝土，28d 強度均達到要求，混合砂混凝土強度及強度增長速度介于天然砂與機制砂之間。這是由于機制砂表面粗糙且多棱角，與水泥之間的粘結(jié)性能好，界面作用力大，故水灰比相同的情況下，由機制砂配制的混凝土強度略高；機制砂中含有一部分石粉，可以填充空隙，提高混凝土致密性，對外加劑吸附作用小，可以在一定程度上提高混凝土工作性能及強度。

4.3耐久性能試驗及分析

（1）抗碳化性能

按照同一配合比，使用三種不同砂配置混凝土，28d 自然養(yǎng)護后，比較碳化深度。碳化深度見表 9。

表9　天然砂、混合砂、機制砂的碳化深度

由此結(jié)果可見，混凝土抗碳化能力依次為：混合砂＞天然砂＞機制砂。

影響混凝土結(jié)構中混凝土碳化的因素有材料因素、施工因素、環(huán)境因素三大類。材料因素包括：水泥種類、水灰比、外加劑、骨料品種與級配等。機制砂混凝土抗碳化能力較弱，是由于級配不好，孔隙率大，雖然機制砂中的石粉能夠在一定程度填充混凝土的空隙，但在相同配合比的試驗中，相對于其他砂配制的混凝土孔隙率仍然較大，密實度不佳，從而其抗碳化能力較弱。

（2）三類砂對混凝土抗?jié)B性能的影響

按照同一配合比，使用三種不同砂配置混凝土，研究養(yǎng)護 28d 后，測量三者在 1.0MPa 水壓時的滲水高度。結(jié)果表明，三者滲水高度相差不大，均在 70～80mm，表明機制砂混凝土和混合砂混凝土雖然在孔隙率、級配以及密實度等方面不及天然砂，但均沒對混凝土的抗?jié)B性造成較大影響。

5　石粉含量對混凝土性能的影響

眾所周知機制砂是通過機械破碎后的產(chǎn)品，因此石粉含量較高，為了研究石粉含量對混凝土性能的影響，采用C30配合比對混合砂進行混凝土試驗。

5.1石粉含量對拌合物泌水率的影響

按照同一配合比，摻入不同含量的石粉，得到石粉含量對混凝土拌合物泌水率的影響見表 10。

表10　石粉含量對混凝土拌合物泌水率的影響

從表 10 可以看出，當其他條件相同時，當石粉含量較低時，很難配制出工作性很好的混凝土，混合砂雖然級配良好，但是由于顆粒形貌不良，導致其配制出來的混凝土工作性能較差，泌水率較高。但當機制砂中摻入一定量的石粉時，混凝土工作性得到明顯提高，同時降低了泌水率。

5.2石粉含量對混凝土抗壓強度的影響

混凝土抗壓強度是混凝土性能中最重要的參數(shù)之一?；炷恋拇蠖鄶?shù)重要性能都直接影響著混凝土抗壓強度。表 11為石粉含量對混凝土抗壓強度的影響。

從表 11 可以看出：C30 混凝土中，混合砂中石粉含量在20% 以下時，以及 C60 混凝土中，石粉含量在 15% 以下時，石粉對混凝土強度有一定的提高作用。就強度而言，C30 與C60 混凝土的最佳石粉含量分別為 15%、10%。

6　結(jié)果與討論

（1）機制砂的取代率在 0.25 到 0.63 之間時混合砂的細度模數(shù)在 2.6 到 2.9 之間；當機制砂占混合砂比例為 28%時，混合砂的級配良好，理論上級配曲線可處于 Ⅱ 區(qū)范圍內(nèi)，且曲線最接近于中線，中線即為細骨料的最佳級配曲線；

（2）在同樣的條件下進行混凝土拌制，混合砂的坍落度介于天然砂與機制砂之間，同樣養(yǎng)護條件下，28d 強度均達到要求，混合砂混凝土強度及強度增長速度介于天然砂與機制砂之間；

（3）混凝土抗碳化能力依次為混合砂較好，天然砂次之，機制砂最弱，混凝土抗?jié)B性無明顯差別；

（4）混合砂中石粉的含量對混凝土工作性能有一定影響，當石粉含量為 5% 時，混凝土工作性能達到最佳；當石粉含量增加時，混凝土保水性能越好，泌水率減??；對于C30、C60 混凝土，當混合砂中石粉含量分別在 20%、15%以下時，石粉對混凝土強度有提高作用，最佳石粉含量分別為 15%、10%。

[1] 機制砂特性及其在混凝土中應用的相關問題研究[J]．新型建筑材料，2010(11)：1-4．

[2] 黃志福．論機制砂在泗許高速公路中應用的質(zhì)量控制[J]．工程與建設，2009(2)：256-257．

[3] 蔣正武，黃青云，肖鑫，等．機制砂特性及其在高性能混凝土中的應用[J]．混凝土世界， 2013(1)：35-44.

[4] 胡曉曼，董獻國．機制砂和細砂在 C60 高性能混凝土中的研究[J]．混凝土，2012(1)：91-93．

［通訊地址］新疆烏魯木齊雅山中路 418 號（830000）

王琴（1988—），女，碩士研究生，主要從事混凝土減水劑及混凝土新技術、新產(chǎn)品的開發(fā)與應用。