混合砂混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計

＊楊勝飛

（中鐵二十五局集團(tuán)第二工程有限公司 江蘇 210000）

細(xì)集料是配制混凝土不可或缺的原材料之一，其自身品質(zhì)的優(yōu)劣對混凝土的工作性能、力學(xué)性能以及耐久性能具有重要影響。天然砂是不可再生資源，過度開采會造成嚴(yán)重環(huán)境問題，機(jī)制砂取代天然砂已成必然，機(jī)制砂中的石粉在一定程度上會改善拌合物的粘聚性和保水性，但機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)較大，顆粒表面較粗糙、棱角多，配制混凝土?xí)r需水量增加，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙增多、強(qiáng)度下降、和易性差[1]。當(dāng)膠凝材料用量較大時，過多的石粉還會增大混凝土拌合物的粘性，降低拌合物的工作性能，故用機(jī)制砂配制高性能混凝土具有一定難度[2]。近來有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，將機(jī)制砂和天然砂各按50%混合和6:4混合后，配制的混凝土抗壓強(qiáng)度比只用天然砂配制的混凝土抗壓強(qiáng)度高[3-4]。將特細(xì)砂與機(jī)制砂合理搭配用于配制混合砂混凝土，有利于緩解天然砂資源短缺的現(xiàn)狀，削弱機(jī)制砂配制混凝土帶來的不利影響，是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的積極響應(yīng)。

本研究以某T梁結(jié)構(gòu)工程為基礎(chǔ)，從滿足設(shè)計要求的角度出發(fā)，同時兼顧經(jīng)濟(jì)性，采用普通硅酸鹽水泥+粉煤灰+礦渣粉+特細(xì)砂+機(jī)制砂+優(yōu)質(zhì)粗骨料+高性能外加劑作為工程用C55混合砂混凝土的配制途徑。在遵循混凝土配合比設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，通過探究膠凝材料用量及組分、砂率、碎石相對比例等參數(shù)對混合砂混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響，對混合砂配合比進(jìn)行優(yōu)化。

1.原材料與試驗(yàn)方法

(1)原材料

①水泥

采用重慶西南P·O42.5R水泥，其比表面積340 m2/kg、氯離子含量0.05%、初凝時間138min、終凝時間220min、28d抗壓強(qiáng)度46.0MPa。

②粉煤灰

采用重慶白鶴Ⅱ級粉煤灰，其細(xì)度（45μm方孔篩余）14.3%、需水量比104%、燒失量2.5%、三氧化硫1.3%、氯離子含量0.003%、堿含量2.22%。

③礦渣

采用重慶鈺宏S95級礦渣粉，其比表面積430m2/kg、密度2.9g/cm3、流動度比100%、7d活性指數(shù)75%、28d活性指數(shù)96%。

④細(xì)集料

機(jī)制砂：產(chǎn)地在重慶萬州，Mx=3.2，含粉量7.0%；

特細(xì)砂：產(chǎn)地在湖北枝江，Mx=1.1，含泥量1.9%。

根據(jù)兩種細(xì)骨料的級配情況及細(xì)度模數(shù)，混合砂的搭配比例為35%特細(xì)砂+65%機(jī)制砂。

⑤粗集料。采用（5～16）mm連續(xù)粒級碎石和（10～20）mm單粒級碎石搭配使用。

⑥減水劑。使用重慶迪翔建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率為29.0%，推薦摻量為2.0%。

⑦混凝土用水。檢驗(yàn)合格的自來水。

(2)試驗(yàn)方法

①混凝土工作性能?；炷涟韬衔锏墓ぷ餍阅芡ㄟ^坍落度和擴(kuò)展度進(jìn)行評價，其試驗(yàn)方法按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50080—2016進(jìn)行。

②混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)。硬化混凝土基本力學(xué)性能通過立方體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行表征，其試驗(yàn)方法按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081—2019進(jìn)行。

③膠凝材料水化熱試驗(yàn)。膠凝材料水化熱通過在恒定的溫度環(huán)境中，熱量計內(nèi)膠凝材料的溫度變化來表征，其試驗(yàn)方法按照《水泥水化熱測定方法》GB/T 12959—2008進(jìn)行。

④混凝土內(nèi)部絕熱溫升計算。混凝土在水化硬化過程中由于放熱會使內(nèi)部溫度升高，其計算方法按照《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》GB 50496—2018進(jìn)行。

2.試驗(yàn)結(jié)果與討論

(1)砂率對混合砂混凝土工作性能與抗壓強(qiáng)度的影響

表1給出了砂率在35%～41%范圍內(nèi)變化時，砂率對混合砂混凝土工作性能與抗壓強(qiáng)度的影響。數(shù)據(jù)顯示，砂率提高，坍落度略微增大，但整體數(shù)值相差不大，擴(kuò)展度也呈現(xiàn)增大趨勢。其中，砂率為41%，拌合物的坍落度和擴(kuò)展度最大，即流動性最好。砂率提高后，細(xì)骨料的比表面積增大，會導(dǎo)致漿體無法完全包裹集料，造成混凝土界面過渡區(qū)的密實(shí)程度降低，進(jìn)而強(qiáng)度下降[5-6]。因此，配合比的合理砂率宜在39%～41%。

表1 砂率對C55混合砂混凝土性能的影響

(2)粗骨料級配對混合砂混凝土工作性能與抗壓強(qiáng)度的影響

通過改變兩種碎石的比例調(diào)整粗骨料級配，表2反映了不同級配的粗骨料對混合砂混凝土工作性能及抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。當(dāng)兩種碎石比例為4:6時，混凝土的工作性能達(dá)到最佳，當(dāng)增加或減小碎石中（5～16）mm碎石的比例時，混凝土的坍落度及擴(kuò)展度均有不同程度的減小。當(dāng)兩種碎石比例由7:3變化至2.5:7.5時，混凝土抗壓強(qiáng)度的變化并不顯著，當(dāng)（10～20）mm碎石比例達(dá)70%及以上時，混凝土28d抗壓強(qiáng)度均保持在70MPa以上。

表2 粗骨料級配對C55混合砂混凝土性能的影響

因此，為確?；炷恋墓ぷ餍阅芎蛷?qiáng)度性能均能滿足要求，優(yōu)化配合比宜選擇（5～16）mm碎石與（10～20）mm碎石的比例為3:7或2.5:7.5的粗骨料搭配方式，必要時可再適當(dāng)增大（10～20）mm碎石的比例。

(3)膠凝材料用量對混合砂混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響

在配合比參數(shù)合理，且工作性能和強(qiáng)度滿足設(shè)計要求的條件下，降低膠凝材料用量不僅可以發(fā)揮配合比良好的經(jīng)濟(jì)性，還可以通過控制混凝土體系的總放熱量而達(dá)到降低由溫度應(yīng)力導(dǎo)致的箱體開裂風(fēng)險。

控制膠凝材料用量和單位立方混凝土中水泥用量，合理提高礦物摻和料的用量是配合比優(yōu)化設(shè)計的基本思路之一[7]。試驗(yàn)組設(shè)計的膠凝材料分別為510kg/m3、495kg/m3以及480kg/m3，配制的混凝土均滿足設(shè)計強(qiáng)度等級要求，此時需觀察膠凝材料各組分的搭配。當(dāng)膠凝材料用量降低時，混凝土的流動性和抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢，且當(dāng)膠凝材料用量降至最低時（480kg/m3），新拌混凝土的坍落度和擴(kuò)展度大幅降低，流動性較差，不利于施工澆筑，因此膠凝材料合理用量應(yīng)大于495kg/m3，這也符合近來對混合砂抗壓強(qiáng)度的研究規(guī)律。

(4)混合砂混凝土膠凝材料水化熱和絕熱溫升

優(yōu)化混凝土配合比的同時，探究了設(shè)計配合比的膠凝材料體系的水化放熱行為，并計算混凝土絕熱溫升理論值以作參考。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)膠凝材料用量一定時，增大礦物摻合料（粉煤灰、礦渣粉）摻量，膠凝材料的水化熱顯著降低。其中，當(dāng)粉煤灰摻量為15%，礦渣粉摻量為20%時，3d水化熱僅為181.6J/g，7d水化熱僅為235.0J/g。此時水化放熱速率較為緩慢。絕熱升溫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)摻合料種類一定時，膠凝材料用量的提高直接導(dǎo)致絕熱溫升的升高。當(dāng)膠凝材料總量為510kg/m3、水泥用量為410kg/m3時，混凝土內(nèi)部絕熱升溫最大，10d達(dá)到75.1℃。因此，在滿足工作性和強(qiáng)度的條件下，選擇膠凝材料用量最小且水化熱最低的配合比作為最優(yōu)配合比。

(5)混合砂混凝土配合比優(yōu)化

總結(jié)砂率、粗骨料級配、膠凝材料用量對混合砂的影響試驗(yàn)結(jié)果，得出優(yōu)化配合比的參數(shù)推薦范圍。由表3可知，根據(jù)優(yōu)化約束條件設(shè)計的6組配合比均能滿足C55混合砂混凝土的性能要求，從兼顧優(yōu)良的和易性、較高的抗壓強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性考慮，推薦第C-1組配合比作為C55混合砂混凝土的施工配合比。當(dāng)前工程中混合砂使用的比例最多是天然砂占60%，機(jī)制砂占40%，而本文C-1組配合比使用了更少的天然砂，通過調(diào)整礦物摻合料摻量、砂率來滿足施工需求，每噸混凝土成本約降低8.8元，工程應(yīng)用難度低，可行性強(qiáng)。

表3 混合砂混凝土配合比優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

3.結(jié)論

（1）砂率的提高明顯改善混合砂混凝土的工作性能，但不利于混凝土強(qiáng)度的發(fā)展，骨料級配對混合砂混凝土的工作性有顯著影響，但對抗壓強(qiáng)度發(fā)展的敏感度較小，合理砂率宜選擇39%～41%。

（2）系列配合比實(shí)驗(yàn)證明，擬定的混凝土配合比優(yōu)化技術(shù)路線合理，得出了恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化約束范圍。

（3）以P·O42.5R級普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、S95級礦粉、特細(xì)砂與機(jī)制砂搭配使用的混合砂、（5～20）mm碎石為主要配制材料，可配制出初始坍落度達(dá)220mm、擴(kuò)展度在550以上、配制強(qiáng)度超過70MPa的C55混合砂混凝土。該混凝土的水泥用量為370kg/m3，粉煤灰用量為45kg/m3，礦粉用量為80kg/m3，砂率為40%。