西北地区机制砂混凝土的配合比设计及性能研究

孟刚 吴超 张凯峰 冯涛涛 欧阳孟学 王晓峰

（中建商品混凝土西安有限公司 陕西 710116）

摘  要：文章简述了西北地区机制砂性能特点，指出了机制砂混凝土配合比设计主要参考因素，确定了机制砂与天然砂最佳掺和比例，确定了C30-C50机制砂混凝土试验配合比，其各项性能良好，丰富了西北地区机制砂混凝土配合比设计数据库，具有重要意义。

关键词：机制砂，混凝土；配合比设计；性能

 

随着我国经济社会的快速发展，建筑工业工程建设日益增多，以西安为代表的西北地区呈现出天然砂石资源紧张甚至匮乏的局面，进而影响了区域工程建设的进度和发展。另一方面，由于天然砂资源短缺，其价格不断上涨，部分商户争抢开采并出现过度开采情况，破坏了整个生态产业链的发展，对周边环境造成了极大的破坏。在这种背景条件下，机制砂已经面世就被工程界广泛采用，用来制备砂浆、普通及特种混凝土在全国各个地区应用于公路、桥梁及建筑工程中[1-5]。为掌握西北地区机制砂特性，扩大其在混凝土工程中的应用，取样西安地区机制砂试样，检测其基本性能并制备了机制砂混凝土，研究为机制砂在西北地区的应用提供了数据，同时为后续研究打下了基础。

 

1 机制砂混凝土配合比设计要素探讨

1.1 机制砂混凝土配合比设计概述

机制砂因加工生产特点，其表面粗糙、棱角丰富、颗粒形状差、磨阻力大，制备的混凝土流动阻力大，新拌混凝土易离析。但是，机制砂的这些性能特点增加了集料与水泥浆之间的粘结力，制备的混凝土具有较好力学性能，被广泛应用在很多复杂的建筑工程中。综合考虑机制砂各项性能，机制砂混凝土一般将机制砂与天然河砂混合使用。在配合比设计时，首先，从机制砂的特性出发，应当适当提高砂率，使得混凝土达到良好的保水性。其次，机制砂中石粉含量较高，提高了外加剂掺量，这就要求综合考虑各种因素进行配合比设计。综上所述，机制砂混凝土应从原材料、强度等级设计、工作性能等方面入手，开展混凝土配制与配合比设计。

1.2 原材料的选择

机制砂混凝土使用的原材料除了应满足普通混凝土原材料的要求外, 应注意以下几点:

(1)水泥的选用要优先考虑保水性能良好的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥；

(2)机制砂的颗粒级配对混凝土的粘聚性有显著影响, 最好使用细度模数为2.3～3.7的中粗砂,且颗粒级配符合《建设用砂》（GB/T14684-2011）的要求；

(3)石子宜使用连续级配的骨料,最大粒径不宜大于31.5mm。

1.3 强度等级要求

机制砂混凝土因其生产特性的限制, 在混凝土生产、施工过程中容易出现离析泌水等现象, 其力学性能则会受到不同程度的损失。所以，在混凝土配合比设计中，因根据机制砂特性设计强度值富裕合适的配合比，以满足机制砂混凝土的强度等级要求。

1.4 工作性能要求

机制砂混凝土的工作性即和易性，是保证混凝土强度合格、施工泵送的必要条件。机制砂混凝土应是粘稠、保水、不离析、流动性强的混凝土。所以，和易性是其配合比设计的一个十分重要条件。

 

2 机制砂混凝土配合比设计

2.1 试验原材料

水泥：冀东牌P·O42.5普通硅酸盐水泥，各项性能指标检测合格；细骨料：西安渭河中砂，细度模数2.4，西安蓝田某厂机制砂，细度模数为3.2；粗骨料：5-31.5mm连续级配卵石；矿物掺合料：陕西渭南电厂II级粉煤灰，陕西韩城电厂德龙牌S95级矿渣粉；外加剂：西卡聚羧酸缓凝减水剂；拌合水：自来水。机制砂与普通河砂性能检测结果如表1所示。

表1 机制砂与普通河砂性能检测结果

 

砂的种类	细度模数	表观密度/kg/m3	松散堆积密度/kg/m3	紧密堆积密度/kg/m3
天然砂	2.4	2620	1630	1725
机制砂	3.2	2730	1680	1550

2.2 配合比设计

试验设计混凝土的强度等级为C30，考虑到机制砂不同取代比例对混凝土工作性能、强度等的影响，选取6个不同取代比例，验证最佳机制砂取代天然砂的比例。依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011），结合西安地区本地原材料性能特征，配合比设计如表2所示。

 

表2 试验配合比（kg/m3）

 

编号	胶材	天然砂	机制砂	石	水	外加剂
C3001	365	700	0	1190	160	6.60
C3002	365	560	140	1190	160	6.60
C3003	365	420	280	1190	160	6.60
C3004	365	280	420	1190	160	6.60
C3005	365	140	560	1190	160	6.60
C3006	365	0	700	1190	160	6.60

 

3 性能测试与分析

依据表2配合比制备混凝土，检测新拌混凝土及硬化后混凝土性能，检测结果如表3所示。

表3 混凝土性能检测结果

 

编号	工作性能（T/K，mm）		28d强度值(MPa)
	0h                      1h
C3001	230/600	220/580	40.6
C3002	220/580	210/560	41.8
C3003	220/560	210/540	43.7
C3004	210/560	200/520	45.6
C3005	200/540	180/470	48.0
C3006	200/480	160/390	43.6

 

从表3列述的测试结果可以看出，制备的机制砂混凝土性能能满足设计要求。制备的机制砂混凝土强度均能远满足C30的力学性能要求，但随着机制砂掺量的增加，新拌混凝土及1h经时混凝土的坍落度与扩展度等工作性能逐渐变差，综合工作性能与最大比例的应用机制砂等方面考虑，天然砂与机制砂的最佳掺和比例应为2:3。

 

4 C30及以上机制砂混凝土的配制

4.1 C30及以上机制砂混凝土的配合比

根据以上试验研究结论，以机制砂替代60%的天然砂制备了C30-C50强度等级的机制砂混凝土，其试验配合比如表4所示。

 

表4 C30-C50混凝土用试验配合比（kg/m3）

 

强度等级	胶材	天然砂	机制砂	石	水	外加剂
C30	365	280	420	1190	160	6.60
C35	380	270	405	1180	160	7.40
C40	420	256	384	1170	160	8.40
C45	440	250	375	1155	155	9.80
C50	460	244	366	1150	155	11.60

4.2 性能检测与分析

制备了C30-C50强度等级的机制砂混凝土其性能检测结果如表5所示。从表5可以看出，制备的机制砂混凝土其新拌混凝土及经时工作状态良好，28d强度值满足设计要求，且有一定富裕值。

表5 混凝土性能检测结果

 

强度等级	工作性能（T/K，mm）		28d强度值(MPa)
	0h                     1h
C30	210/560	200/520	45.6
C35	210/560	200/540	57.8
C40	210/580	210/540	51.7
C45	220/580	210/560	58.0
C50	220/600	220/560	63.6

 

5 结论

5.1 试验用机制砂表面粗糙，棱角丰富，细度模数大，进行配合比设计时，应综合考虑原材料、强度等级设计、工作性能等因素。在试验的基础上，文章给出了西北地区机制砂在一般设计时应注意的事项以及应选取的参考值。

5.2 通过配合比设计确定了机制砂与普通河砂的最佳掺加比例为2:3，给出了利用机制砂制备C30-C50混凝土的试验配合比，丰富了西北地区机制砂混凝土配合比设计数据库，为进一步的科研工作及工程施工提供了良好的思路，具有重要的参考价值。