机制砂混凝土配合比优化设计

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2018-06-01

随着建筑工程的日益增多,建筑用砂量呈现逐年递增趋势。天然砂,作为建筑用砂中比例最大的砂材,却具有短时间内不可再生资源的属性,很多地区如今已经面临天然砂匮乏的问题,砂荒现象时有发生。在建筑行业的飞速发展,天然砂急剧匮乏的情况下,机制砂在许多地域开始大量推广。然而,当机制砂代替天然砂成为常用细骨料材料后,混凝土出现了有许多天然砂混凝土不曾有过的性能特性,按照天然砂的使用方法应用机制砂,会使混凝土出现诸多不良现象,从而使得混凝土在生产施工过程中饱受批评,由此引发的各种工程事故,也让大多数混凝土供应商对机制砂产生了抵触心理。根据调查,在一些天然砂资源目前尚可的地方,混凝土商们完全拒绝使用机制砂。而对于天然砂匮乏的地方,混凝土商们也努力向周边还有天然砂的地区采购,即使运输价格昂贵,也在所不惜。


由此可见,机制砂的推广仍然受到严重阻碍。究其根源,还是机制砂混凝土性能受影响的问题没有得到解决。因此,如何设计出合理的配合比,从而获得性能理想的机制砂混凝土,是解决问题的关键。

1 机制砂对混凝土性能影响


机制砂主要来源于碎石生产,是石块经数次破碎、分筛、冲洗,分离出各粒径的成品碎石后的下脚料。机制砂由机械加工而来,相比而言,天然河砂由于常年的摩擦腐蚀使得它的表面十分光滑棱角少,而机制砂则由于机械外力作用使得它的表面粗糙棱角较多,其粗糙的表面有利于机制砂相互之间的咬合,但是由于机制砂棱角较多也会大大的增加机制砂之间空隙,降低了机制砂的密实程度,这些性能会直接影响到机制砂混凝土的和易性和强度。


机制砂在生产过程中会产生一定量的石粉,这便是机制砂与天然砂的不同点之一[1],石粉含量的高低,可以影响机制砂的物理性能,例如机制砂的细度模数、堆积密度、比表面积。适量的石粉对机制砂混凝土是有益的,可以改善混凝土的和易性,通过提高混凝土密实度从而提高混凝土强度及耐久性。但石粉含量并不是越高越好,石粉过量会使得混凝土需水量增加,整体工作性能变差,进而会使得机制砂混凝土整体强度的降低,耐久性能变差。


根据笔者调查,在商品混凝土搅拌站的实际生产中,纯机制砂混凝土往往因为性能不理想而很少使用。又因为机制砂生产厂家生产工艺、设备、技术水平等的参差不齐,使得机制砂在材料进场检测中,常出现石粉含量、细度模数等指标的较大波动,在这些情况下,如果仅仅把机制砂作为全部的细骨料去使用,很容易导致混凝土状态偏差严重,影响混凝土质量。


因此,在机制砂实际应用中,基本都以机制砂搭配天然细砂,形成混合细骨料后再进行生产。这种混合细骨料的生产模式,能得到级配合理的砂材,操作也比较灵活简单,对混凝土质量的稳定性也容易控制,从而保证机制砂混凝土的有序生产。


2 机制砂混凝土配合比优化理论研究


由JGJ55-2011普通混凝土配合比设计规程中可以看出,普通混凝土设计中,最主要的三个参数为:水胶比,用水量,砂率。这三个参数与混凝土的性能密切相关。例如:水胶比与混凝土强度、耐久性有关,用水量与混凝土的流动性相关,砂率则与混凝土粘聚性保水性密切相关。


机制砂作为一种比较特殊的砂材,具备类似胶材颗粒级别的石粉,又同时具有远高于普通天然砂的细度模数,正是因为这种两头粒径极端的现象,使得机制砂的性能能同时影响到配合比中水灰比、用水量、砂率这三个主要参数的设定,同时,由于机制砂及机制砂混凝土的特殊性,仅仅通过三个普通配合比中的参数来控制,明显有些不够,还应该设立更多的参数来合理优化机制砂混凝土配合比。因此,机制砂混凝土配合比优化理论的研究中,主要从以下几点探索:


(1)由于石粉的存在,使得混凝土中粉状级别的材料总量,从常规的水泥+矿粉+粉煤灰,演变成了水泥+矿粉+粉煤灰+石粉,在这种情况下,由于粉料群的比表面积的扩大,使得粉料相应的需水量大大提高,进而影响混凝土整体用水量,影响水灰比。


(2)由于机制砂的强度效果高于天然砂,同等水灰比下,机制砂混凝土强度具有明显富余,因此,在不影响设计强度的情况下,适当提高水灰比,可以通过提高用水量,或者减少胶凝材料用量,来达到目的。


(3)由于机制砂细度模数较高,且粒径较大的部分占比多,作为细集料的级配上,缺陷比较明显,但是,机制砂的大粒径颗粒,可以近似看作,给碎石骨料增加了一级较小碎石的级配,使得碎石的级配层次更加完美。因此,砂率的优化调整也是整个混凝土和易性好的关键。


(4)鉴于机制砂的特性可知,机制砂的自身物理性能指标,能对混凝土产生较大的影响,与水灰比、胶凝材料用量、砂率三者息息相关,因此,机制砂物理特性也是优化混凝土配合比的重要参数之一。


(5)外加剂作为混凝土中的重要组成部分,对混凝土的和易性、强度等方面有直接的影响,因为,机制砂混凝土的外加剂性能参数,也是优化配合比的一个重要方面。


2.1 用水量参数的优化研究


相比天然砂混凝土,机制砂混凝土最大的优势是强度,绝大多数情况下,机制砂混凝土的强度都能超出天然砂混凝土强度,且高出混凝土设计强度许多,因此,笔者认为可以适当“牺牲”掉机制砂混凝土的这部分富余强度。


提升混凝土用水量,提高混凝土水灰比,虽然使得强度下降,但可以增强拌合物的和易性,使其工作性能提高。


在此思路下,设计配合比调整方案见表1。机制砂混凝土配合比中用水量调整后,混凝土性能结果对比见表1与图1,图2。


从表1、图1与图2中可以看出,对于C20~C40机制砂混凝土,增加5~8kg的用水量后,混凝土坍落度均有明显增加,从试验现场看,混凝土的流动性得到明显提高,具有较好的泵送性能。加水后,抗压强度确实均有下降,但只是造成了约1.5MPa左右的强度下降幅度,笔者认为在满足设计强度要求的前提下,这点强度的牺牲是可以接受的。由上述效果可知,机制砂混凝土配合比设计时,与普通混凝土相比,在保持胶凝材料不变的情况下,每方机制砂混凝土可以提高5~8kg的用水量,相对应的水灰比约增加0.01~0.03,强度约下降1.2~1.6MPa。


2.2 胶凝材料用量参数的优化研究


石粉因其粒径细度近似胶凝材料,且部分石粉(石灰石石粉)具有一定活性,再加上石粉对混凝土结构起到填充密实效果,所以可以考虑用石粉来替代一部分胶凝材料。在试验中,因为考虑到矿粉和煤灰的早期强度不高,以及活性可能略低于水泥,故而在石粉替代胶材的时候,尽量替代矿粉和粉煤灰数量,保持水泥用量不变。具体方法为:在石粉添加之后,逐步减少粉煤灰和矿粉的用量,最后达到石粉等量取代粉煤灰和矿粉的用量。调整后配比见表2。


上述试验中,水粉比=水/(水泥+FA+SL+石粉),通过试验可以看出,水粉比对混凝土强度的影响,明显不同于水灰比的线性影响规律,水灰比对强度的影响显得杂乱无章,其主要原因是,由石粉增加而导致的粉料总量增加,其对强度的增加效果,不如胶凝材料总量那么明显。因此,从上述试验可以看出,尽管石粉具有诸多有利于强度的优点,但实际中并不能起到大量替代胶凝材料的效果,根据试验效果,机制砂中石粉,能取代5~15kg的胶凝材料用量,其取代的极限数据是15kg。


从试验中坍落度可看出,由于石粉的需水量低于胶凝材料,且在混凝土中具有一定滚珠效应,使得石粉在替代部分胶凝材料后,混凝土坍落度得略微到提升。


2.3 砂率参数的优化研究


配合比设计中的砂率,是影响混凝土工作性能的重要参数,由于砂率的变化,直接导致混凝土需水量的变化,对混凝土强度也有很大程度的影响。


本节对比了机制砂混凝土和天然中砂混凝土,在达到相同和易性的前提下,混凝土砂率的变化,如表3和表4。


通过表3和表4可以得出结论,为达到相同和易性,机制砂混凝土相比天然砂混凝土要高出2%~3%的砂率。分析其主要原因,应该是由于机制砂在颗粒形貌上包含大量不规则棱角,影响了水泥浆体对粗细骨料的包裹效果。又因为机制砂细度模数偏大且级配较差,混凝土层次感比较差,使得浆骨分离等现象容易发生。


2.4 机制砂物理性能参数的优化研究


在实验室情况下,尤其是在一段时间范围内,机制砂作为试验材料,必然是相对恒定且稳定的,把机制砂性能作为混凝土配合比设计中的一个参数,似乎显得不重要。然而,面对实际生产来说,机制砂性能很容易出现不稳定的情况。在笔者调查研究的许多商品混凝土搅拌站,机制砂进场时的性能指标,尤其是石粉含量和细度模数这两个指标,经常出现较大波动,这给机制砂混凝土性能带来很大差异。因此,笔者认为,机制砂物理性能参数的实际情况,是配合比在设计时,需要优化调整的一个重要的参数。


2.4.1 石粉含量变化时配合比优化方法研究 


由于生产厂家工艺、设备、控制等方面的差异不同,机制砂在生产过程中石粉含量难免不稳定,致使商品混凝土搅拌站很难用上长期稳定石粉含量的机制砂,而石粉含量对混凝土的性能有至关重要的作用,所以,需要商品混凝土搅拌站在使用机制砂时,时刻监控石粉含量,当机制砂中石粉含量发生变化时,灵活对配合比相关参数进行优化。经本试验研究,配合比参数优化方法和试验效果见表5。


从表5可看出,对于C30机制砂混凝土,当石粉的含量发生变化时,通过调整细骨料中机制砂与天然细砂的比例,可以达到优化混凝土的效果,具体为:当石粉含量在3%~9%范围内变化时,石粉含量每增加1%,细骨料中机制砂的比例提高约7%~8%。


2.4.2 机制砂细度模数变化时配合比优化方法研究 


砂的细度模数是影响混凝土和易性的重要指标,相比于天然砂,机制砂的细度模数偏高,且级配较差,当机制砂和天然砂混合后,更增加了细骨料细度模数的复杂变化,故而当机制砂材料进场的时候,细度模数也成为严格检验的指标之一,由于机制砂细度模数发生变化,引起细骨料整体细度模数变化,则混凝土配合比需要进行调整优化才可应对。经本试验研究,配合比参数优化方法和试验效果见表6。


由试验结果看出,对于C30机制砂混凝土,机制砂细度模数在3.0~3.8范围内时,细度模数每增加0.2,配合比中的砂率应提高1%~2%,从而使机制砂混凝土满足设计要求。


2.5 机制砂混凝土专用外加剂参数的优化


外加剂作为混凝土中重要的添加材料,对混凝土的性能往往起着关键性的作用,外加剂能有效影响混凝土的和易性、强度等方面的性能,对改善优化机制砂混凝土的性能可以起到一定的效果。


在混凝土所有材料中,砂石、胶凝材料相对而言基本难以变化,而外加剂是具有可灵活调整的特性,因此,在单方混凝土中,外加剂用量不变的情况下,如果能通过改善外加剂的性能,使得外加剂更加适应机制砂混凝土,虽然看起来整体配合比在数据上没有发生变化,但混凝土实际上性能得到了优化。


设立机制砂混凝土专用外加剂,通过合理的复配,使该外加剂专门针对机制砂混凝土的性能做出相应的优化,满足机制砂混凝土在实际生产中的应用。


机制砂混凝土专用外加剂研发思路:


思路一:超临界值引气型混凝土外加剂


该外加剂通过复配引气成分,使得混凝土的含气量提升,由于气泡的存在,混凝土在和易性方面有较好的改善,流动性、坍落度有明显提升。但是,超量的引气,又会导致混凝土强度下降,因此,该引气型外加剂,必须结合机制砂给混凝土强度带来一定富余值的基础上,适当添加引气而降低这部分强度的富余,换取混凝土和易性的改善。


思路二:增强型减水剂


该外加剂通过常规减水剂和减胶剂复配而成。由于减胶剂具备一定增强混凝土强度的效果,减胶剂引入混凝土中的原本目的是为了节省胶凝材料用量,作为机制砂混凝土专用外加剂,在减水剂中引入减胶剂成分,同配比下,可以增加混凝土的强度。然后,用为改善机制砂混凝土和易性而不得提高的用水量,来“牺牲”掉这部分强度,进而使得机制砂混凝土在保证强度的同时,提高了工作性能。


思路三:聚羧酸外加剂与调节剂小料的复配型外加剂


总所周知的,聚羧酸外加剂作为新型第三代外加剂,有着萘系等第二代外加剂不可比拟的减水、保坍等效果优势,但聚羧酸外加剂在复配上,往往没有很好的可与之匹配的复配材料。通过对一些复配小料的研究,能够使得聚羧酸在机制砂中发挥出1加1大于2的更好效果,这种外加剂,必将使得聚羧酸在机制砂混凝土中的应用范围更广。


2.6 机制砂混凝土配合比优化设计理论小结


通过上述研究,可以看出,机制砂混凝土配合比的优化,需要在普通配合比设计的基础上,提出以下5个参数:用水量、胶凝材料用量、砂率、机制砂物理性能、机制砂专用外加剂性能。通过对这


5个参数的优化,综合搭配,才能完成对机制砂混凝土配合比的合理优化。


3 机制砂混凝土配合比优化设计方法验证


根据上节优化理论的研究,对中低强度(C20-C40)机制砂混凝土进行配合比优化,设计出实用配合比后进行试验验证。


3.1 试验材料


水泥:江西万年青42.5普通硅酸盐水泥;粉煤灰:F类Ⅱ级粉煤灰;矿粉:S95级矿渣粉;机制砂:细度模数3.4,石粉含量6%;天然细砂:赣昌河砂,细度模数1.6;碎石:江西高安某矿山所产碎石;外加剂:ZX-101J型高效减水剂,南昌卓鑫实业有限公司生产。


3.2C20-C40机制砂混凝土配合比


试验中混合细骨料中机制砂掺量设定为70%~80%,其中C20~C30为70%,C35~C40为80%,混凝土设计坍落值为(160±30)mm。设计后配合比如表7。


3.3 试验结果


C20-C40混凝土和易性及抗压强度试验结果如8。


通过表8可以看出,按照优化后的配合比进行试验,各组混凝土和易性良好,试验中目测基本没有泌水、离析、骨料分离等不良现象出现,混凝土在坍落度和扩展度方面均达到理想设计,流动性能良好,适宜泵送,混凝土工作性能验证合格。各标号的混凝土抗压强度均满足设计要求,强度验证合格。试验结果基本可以验证上述配合比优化设计理论的成功。


4 小 结


通过对机制砂和机制砂砼的性能研究,结合普通混凝土设计规程,提出机制砂混凝土配合比优化理论中的5项参数:用水量、胶凝材料用量、砂率、机制砂物理性能、机制砂专用外加剂,重点研究了各参数的优化方式,得出了详细调整的数据,设计出了C20~C40标号的机制砂混凝土,经过试验验证,证明了机制砂混凝土配合比优化设计理论的可行性。

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