机制砂高性能混凝土的设计参数选择

机制砂高性能混凝土的设计参数选择

设计机制砂高性能混凝土时，为使设计出的混凝土满足强度、和易性、耐久性以及经济性等方面的要求，设计前应充分了解其用途及使用条件，包括工程规定的设计强度，结构配筋情况、施工条件以及构件和工程的使用条件，原材料的性能、价格等。在此基础上，根据需要选取设计参数。

设计参数包括试配强度、水泥品种、强度等级及水泥用量、用水量、砂率、骨料性能、矿物掺合料及外加剂等。设计参数的选择是轻骨料混凝土配合比设计的关键环节，参数选择得当，可配制出符合设计性能指标要求的混凝土，同时可降低成本。

一、试配强度

机制砂高性能混凝土的强度受很多因素的影响，每种组成材料的性能及搅拌、运输、成型和养护工艺等施工条件的变化都可能引起其强度的波动。从统计学观点来说，混凝土强度是一个随机变量，即使同一批材料，按同一种配合比，采用同一种施工工艺的混凝土也会因其他可变因素的影响使其强度产生一定的波动。所以，在设计机制砂高性能混凝土配合比时，必须考虑可能产生的误差，使混凝土的适配强度具有一定的保证率。

二、水泥品种、强度等级及水泥用量

配制机制砂高性能混凝土所用水泥应符合国家标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007）和《矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥》(GB 1344-1999)的要求。若采用其他品种的水泥时，其性能指标必须符合相应标准的要求。

机制砂高性能混凝土的配制，一般选用普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，强度等级一般小于52.5或42.5，具体根据实际工程需要进行选择。在机制砂高性能混凝土中，选择需水量较小的水泥可以实现混凝土水灰比的降低，有利于强度的提高，较高的水泥强度也有利于形成较高的混凝土强度。如对于大体积施工的机制砂超高泵送混凝土，应采用中、低热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥机制砂自密实混凝土一般优选稳定性好、需水性低、并与高效减水剂相容的水泥，优先选择C3A和碱含量小、标准稠度需水量低的水泥。

水泥用量是影响机制砂高性能混凝土强度与密度的主要因素之一，合理的水泥用量在使混凝土达到设计性能要求的同时，还能节约水泥、降低成本。配制机制砂高性能混凝土的水泥用量与普通高性能混凝土相当。配制C50和C60高性能混凝土所用的水泥量不宜大于450kg/m³，配制C70和C80高性能混凝土所用的水泥量不宜大于500kg/m³。

此外，机制砂高性能混凝土的水泥用量还与机制砂的表面形状、颗粒级配、石粉含量、含泥量等有关。由于机制砂为机械破碎而成，其颗粒多棱角，表面粗糙，因此相对于天然砂而言，机制砂颗粒需要更多的浆体包裹，即达到相同的工作性能时，机制砂混凝土需要更多的胶条材料用量，因此在选择水泥用量时要根据所用机制砂的特点进行适当调整。

三、用水量

机制砂高性能混凝土的用水量应符合《混凝土用水标准》（JGJ 63—2006）的要求。

天然砂经长期的水流搬运与磨蚀，表面光滑、圆润，配制出的混凝土工作性能优良，但机制砂为机械破碎而成，其颗粒多棱角，表面粗糙，因此一般来讲，达到同样坍落度的前提下，机制砂混凝土需要更多的用水量。在相同条件下，配制相同坍落度的混凝土，机制砂比天然河砂需水量增加5～10kg/m³。配制机制砂高性能混凝土时所需用水量较普通高性能混凝土高，用水量增大将导致混凝土极易发生泌水现象，因此在保证混凝土工作性能的前提下，要适当控制混凝土的拌合用水量。

四、砂率

砂率是混凝土中砂的质量与砂和石的总质量之比。由于混凝土的密度取决于骨料的含量，因此砂率的大小影响混凝土的密度。砂率的变动，也会使骨料的总表面积有显著改变，从而对混凝土拌合物的和易性有较大影响。

砂率的变动，会影响新拌混凝土中骨料的级配，使骨料的空隙率和总表面积有很大变化，对新拌混凝土的和易性产生显著影响。在水泥浆数量一定时，砂率过大，骨料的总表面积增大，需较多水泥浆填充和包裹骨料，使起润滑作用的水泥浆减少，新拌混凝土的流动性减小；砂率过小，骨料的空隙率显著增加，不能保证在粗骨料之间有足够的砂浆层，会严重影响混凝土的黏聚性和保水性，容易造成离析、流浆等现象。

砂率有一个合理范围，处于这一范围的砂率叫合理砂率。当采用合理砂率时，在用水量和水泥用量一定的情况下，能使混凝土拌合物获得最大的流动性且能保持良好的黏聚性和保水性。合理砂率随粗骨料种类、最大粒径和级配，砂子的粗细程度和级配，混凝土的水灰比和施工要求的流动性而变化，需要根据实际施工条件，通过试验来选择。

随着机制砂中石粉含量的增加，砂率相应地需要降低，也就是说采用机制砂配制混凝土时，其砂率的选择不仅要考虑机制砂细度模数的大小，还要充分注意其石粉含量的影响。

五、机制砂性能要求及用量

机制砂的含泥量大，其针片状颗粒含量高，使混凝土的需水量增大。这些均会对机制砂高性能混凝土的工作性、强度和耐久性产生不良影响。

配制机制砂自密实混凝土用机制砂须用质地坚硬、母材强度＞80MPa，且不含对混凝土有害的化学成分的岩石，经制砂机制备而成。

机制砂颗粒粗糙，石粉含量高，这势必减弱混凝土的流动性，增加需水量。在相同条件下，配制相同坍落度的混凝土，机制砂比天然河砂需水量增加5～10kg/m³。机制砂的石粉含量应控制在8%～10%之间，超过10%应在混凝土配合比设计中作为惰性矿物掺合料使用。

六、粗骨料用量

配制机制砂高性能混凝土所用粗骨料应符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52-2006)的要求。

粗骨料应采用碎石，不得采用具有碱活性或潜在碱活性的粗骨料。骨料应为连续级配，宜采用两个或三个粒级的粗骨料配制连续级配粗骨料。选择用于制作粗骨料的岩石时，应进行岩石强度的检验，该岩石强度应比机制砂高性能混凝土强度等级高50%以上。工程中，可采用压碎值指标进行粗骨料强度的质量控制，压碎值指标不应大于12%。粗骨料中含泥量不应大于1%，泥块含量不应大于0.5%。用于水泥混凝土路面的机制砂高强混凝土的粗骨料应符合《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTG F30）中的规定。

七、矿物掺和料

矿物掺合料在混凝土中的广泛应用表明，其不仅能改善混凝土的相关性能，而且还能带来显著的经济效益。同时由于机制砂混凝土中骨料的特殊性，要求水泥用量较同等强度的普通混凝土多。因此，为了改善机制砂混凝土的和易性，同时降低成本，需要掺加适量的活性矿物掺和料。

在当前常用的矿物掺合料中，粉煤灰、磨细矿渣、硅灰在机制砂混凝土中的应用最为普遍。如在机制砂自密实混凝土的配制中，优质的粉煤灰（细度约4000㎡/g）是机制砂自密实混凝土最常用的活性掺合料，可有效改善机制砂自密实混凝土的流动性；磨细矿渣（粒径小于0.125mm）用于改善和保持机制砂自密实混凝土的工作性，提高机制砂自密实混凝土硬化后的强度；硅灰用于改善机制砂自密实混凝土的流变性能和抗离析能力。

不同类型的机制砂高性能混凝土对所用矿物掺合料的类型也有要求。如在配制机制砂超高泵送混凝土时，为控制混凝土的良好性能及成本，应合理使用不同品种的矿物掺合料。一般机制砂超高泵送混凝土优选性能良好的I级粉煤灰、准I级粉煤灰或矿渣微粉，对于高强混凝土，应考虑复掺硅灰。配制机制砂高强混凝土时，粉煤灰宜选用I级灰，若无I级粉煤灰，也可选用II级粉煤灰；但II级粉煤灰的需水量、细度、烧失量三项技术指标中应只有一项达不到I级指标要求。

矿物掺合料掺量也随着机制砂混凝土的应用领域及具体要求不同而不同，粉煤灰掺量、粉煤灰取代水泥的百分数及超量取代系数等一系列参数的选择，应参照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596)的有关规定执行；磨细矿渣的使用应参照《用于水泥和混凝土硅灰的使用应参照《砂浆和混凝土用硅灰》(GB/T 27690-2011)的有关规定执行。

八、外加剂

由于机制砂颗粒粗糙，石粉含量高，这势必减弱混凝土的流动性，增加需水量。如果按天然砂的规律进行混凝土配比设计，机制砂的需水量大，和易性稍差，易产生泌水，特别是在水泥用量少的低强度等级混凝土中表现明显。因此在配制机制砂高性能混凝土时，可以根据需要掺入一定的外加剂，调整混凝土的工作性能，使混凝土达到设计要求。如配制机制砂自密实混凝土时，为保持混凝土具有大流动度，需要选用优质高效减水剂，宜选用减水率大于30%的聚羧酸系高效减水剂。使用外加剂时要注意以下几方面：

（1）注意外加剂与水泥/掺合料的适应性，并通过试验验证减水剂的适用性。

（2）验证试验必须采用工地现场原材料，当原材料发生变化时，必须再次进行验证试验。

（3）对每个批次的外加剂进场时进行抽样检测，此外对于存放时间较长的外加剂，每个月要进行抽样检测，测试固含量，必要时试配混凝土，对比减水率的差别如有异常，及时处理。

（4）外加剂性能应符合《混凝土外加剂》(GB 8076)的要求，同时还应符合《混凝土外加剂应用技术规范》(GB 50119)中的有关规定。

在实际工程中，为达到所需状态和性能的混凝土，在配制机制砂高性能混凝土时需要几种外加剂进行复掺，或选择具有多重作用的高效外加剂，以满足实际工程对混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能的要求。

在大粒径骨料机制砂自密实混凝土施工中，为了保障混凝土的工作性，混凝土中常使用的外加剂主要有聚羧酸高效减水剂、引气剂、增稠剂以及缓凝剂等。配制机制砂钢管拱自密实混凝土时需要掺加复合膨胀剂，复合膨胀剂不仅要含有膨胀组分，还应掺有高效减水剂、保坍剂等。它除应具有适宜的微膨胀性外，还应具有很高的减水率（大于20%），并应有较高的流化作用和保坍效果，使拌合物具有低水灰比、高流动度和保坍效果好的特性。同时，这种复合膨胀剂还应与所用水泥有良好的相容性。

使用外加剂时，应根据混凝土强度、使用要求及施工环境选择适宜的外加剂掺量。不同种类的外加剂复掺时要根据实际工程需要和各种外加剂之间的相容性等进行掺加。

砂超高泵送混凝土用外加剂主要包括减水剂、引气剂、缓凝剂、泵送剂等，优选高效聚羧酸减水剂。外加剂各种类的品种、掺量应根据环境温度、泵送距离、泵送高度等进行调整，使用过程中需严格注意外加剂与水泥/掺合料的适应性，并通过相关试验验证。

来源：严科工程检测