重慶地區(qū)石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土用水量的量化調(diào)整

陳富山，王思謙，楊俊飛，艾永忠

（1. 中鐵十五局集團(tuán)第三工程有限公司，重慶 402282；2. 河南四通工程檢測(cè)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471002；3. 陜西基業(yè)長(zhǎng)青新材料有限公司，陜西 西安 712000；4. 榆林市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督中心站，陜西 榆林 719000）

0 前言

隨著我國(guó)的鐵路、公路、市政等基建項(xiàng)目的大量開工，混凝土用量也快速增長(zhǎng)，砂作為混凝土的重要原材料之一，其需求量越來越大。天然砂具有短期不可再生的特點(diǎn)，過量開采會(huì)破壞河道，危及生態(tài)環(huán)境，很多地區(qū)已經(jīng)限制或直接禁止了天然砂的開采。在我國(guó)西部貴州、重慶、四川等省份，受地理?xiàng)l件限制，天然砂資源極度匱乏。這使得建設(shè)用砂的供需矛盾日益突出。

機(jī)制砂的使用，可以避免河砂濫開濫采，保護(hù)河道，減少運(yùn)輸成本，在混凝土中用機(jī)制砂替代天然砂是一個(gè)必然的趨勢(shì)。開展機(jī)制砂混凝土配合比研究工作，對(duì)混凝土質(zhì)量控制具有重要的指導(dǎo)意義。

機(jī)制砂也叫人工砂，是通過制砂機(jī)、除塵設(shè)備等將巖石經(jīng)逐級(jí)破碎、篩分、除塵加工成的粒徑不大于4.75mm 的顆粒，用于替代混凝土中天然砂的材料。石粉是指機(jī)制砂中粒徑小于 75μm 的顆粒，其成分與母巖一致。許德興[1]等人認(rèn)為，石粉對(duì)混凝土的影響較大，適量的石粉可以改善混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性，石粉含量過大和過小都會(huì)顯著影響混凝土的工作性。

由于生產(chǎn)企業(yè)選用的制砂機(jī)和生產(chǎn)工藝不同，市場(chǎng)上機(jī)制砂的質(zhì)量差異較大。優(yōu)秀的生產(chǎn)廠家，可以做到對(duì)機(jī)制砂的級(jí)配、粒型、石粉含量、MB 值進(jìn)行精準(zhǔn)地控制，并保持穩(wěn)定。但受各方面因素制約，這種機(jī)制砂短期內(nèi)難以普及。目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)的機(jī)制砂都存在顆粒級(jí)配、粒型、石粉含量波動(dòng)范圍較大的缺陷，這就給機(jī)制砂混凝土的質(zhì)量控制帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

本文在保證混凝土的強(qiáng)度、耐久性滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，根據(jù)機(jī)制砂石粉含量的多少，對(duì)混凝土的單方用水量進(jìn)行了量化調(diào)整，以供大家參考。

1 混凝土用原材料

（1）水泥：重慶華新地維水泥有限公司采用新型干法旋窯工藝生產(chǎn)的 P·O42.5，其主要指標(biāo)見表1。

表1 水泥性能指標(biāo)

（2）粉煤灰：重慶華珞粉煤灰有限公司 F 類Ⅱ級(jí)，45μm 方孔篩余量 22.1%，燒失量 3.10%，需水量比 98%，28d 強(qiáng)度活性指數(shù) 76%。

（3）機(jī)制砂 1：重慶喆松鑫磊建材有限公司，石灰?guī)r質(zhì)，符合Ⅰ區(qū)粗砂級(jí)配范圍，細(xì)度模數(shù) 3.2，MB值 0.8g/kg，石粉含量 7.0%，壓碎值 22%。

機(jī)制砂 2：重慶渝勝礦業(yè)有限公司，石灰?guī)r質(zhì)，符合Ⅰ區(qū)粗砂級(jí)配范圍，細(xì)度模數(shù) 3.1，MB 值 1.0g/kg，石粉含量 14.9%，壓碎值 21%。

機(jī)制砂 3：重慶渝勝礦業(yè)有限公司，石灰?guī)r質(zhì)，符合Ⅰ區(qū)粗砂級(jí)配范圍，細(xì)度模數(shù) 3.1，MB 值 1.0g/kg，石粉含量 17.1%，壓碎值 22%。

機(jī)制砂 4：重慶喆松鑫磊建材有限公司，石灰?guī)r質(zhì)，符合Ⅰ區(qū)粗砂級(jí)配范圍，細(xì)度模數(shù) 3.2，MB 值0.8g/kg，石粉含量 5.0%，壓碎值 21%。

（4）河砂：湖南洞庭湖天然砂，屬于Ⅰ區(qū)粗砂級(jí)配范圍，細(xì)度模數(shù) 3.1，表觀密度 2670kg/m3，含泥量2.1%。

（5）碎石：重慶市長(zhǎng)壽區(qū)生產(chǎn)的石灰?guī)r質(zhì) 5～25mm 連續(xù)級(jí)配碎石，含泥量 0.8%，壓碎值 8%。

（6）石粉：重慶渝勝礦業(yè)有限公司，45μm 方孔篩余量 12.6%，碳酸鈣含量 83%，MB 值 0.9g/kg，流動(dòng)度比 102%，28d 抗壓強(qiáng)度比 71%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量28.0%，比表面積 358m2/kg。

（7）減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司，PCA-I 聚羧酸緩凝型高性能減水劑，與水泥、粉煤灰之間具有良好的相容性，減水率 26%，含氣量 2.5%，坍落度 1h 經(jīng)時(shí)變化量 20mm。

（8）拌合水：可飲用地下水。

2 配合比設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 石粉含量對(duì)混凝土工作性的影響

選用 C35 配合比來進(jìn)行不同機(jī)制砂石粉含量的混凝土性能試驗(yàn)，分析不同石粉含量對(duì)混凝土工作性能的影響。配制機(jī)制砂混凝土?xí)r，砂率在河砂配合比基礎(chǔ)上提高 2%，使混凝土拌合物的性能基本保持一致。試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2 可以看出，當(dāng)機(jī)制砂石粉含量在 7.0%以內(nèi)、水膠比在 0.38 時(shí)，同工作性混凝土的單方用水量與河砂基本一致，此時(shí)，河砂的砂率可作為機(jī)制砂的等效砂率；等效砂率可以將石粉從砂中區(qū)別開來，不將石粉做為機(jī)制砂的全部，以區(qū)別通常意義上的砂率。石粉含量對(duì)混凝土工作性的影響，可以通過等效砂率來體現(xiàn)，在一定含量石粉時(shí)混凝土已具有良好工作性的情況下，隨著石粉含量的增加，坍落度因混凝土拌合物稠度的增加而減小，故在調(diào)整配合比選取砂率或等效砂率時(shí)，需要兼顧石粉含量。

當(dāng)石粉含量繼續(xù)增大，石粉含量分別在 8%、10%時(shí)，混凝土的流動(dòng)性隨之變差，要達(dá)到相同工作性，混凝土的用水量或減水劑用量將相應(yīng)增大。因此將機(jī)制砂石粉含量 7.0% 作為一個(gè)界限，對(duì)超過該界限部分的石粉進(jìn)行量化計(jì)算，采用同水膠比來進(jìn)行混凝土單方用水量補(bǔ)充，從而使混凝土的工作性滿足要求。選用目前普遍使用的 C40、C35、C30 配合比來進(jìn)行試配。試配過程及混凝土工作性能詳見表3。

表2 石粉含量對(duì) C35 混凝土工作性的影響

表3 混凝土配合比設(shè)計(jì)與調(diào)整

由表3 可以看出，機(jī)制砂石粉含量超過 7.0% 時(shí)，通過計(jì)算機(jī)制砂中石粉含量超過 7.0% 的含量，采用同水膠比對(duì)該部分石粉進(jìn)行用水量補(bǔ)充，調(diào)整后的混凝土性能能夠滿足工作性要求，其坍落度實(shí)測(cè)值略大于石粉含量 7.0% 的配合比，由于該石粉的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量與水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量基本一致，混凝土的粘聚性無(wú)太大差異。同理，隨著粉體材料總量的增加，要達(dá)到同樣工作性的混凝土，就應(yīng)該增加同樣水膠比所對(duì)應(yīng)粉體的用水量。

2.2 硬化混凝土抗壓強(qiáng)度及電通量

試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 混凝土抗壓強(qiáng)度及電通量

機(jī)制砂 1、機(jī)制砂 2、機(jī)制砂 3 石粉含量分別在7.0%、14.9%、17.1%，通過表4 對(duì)比，機(jī)制砂石粉含量在 7.0% 時(shí)，各齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度值最高、電通量最小，且優(yōu)于河砂混凝土。主要原因是適量的石粉具有良好的微集料填充效應(yīng)，石灰石粉使砂漿連通孔變少，降低了混凝土內(nèi)部的孔隙，提高了混凝土的密實(shí)性，從而提高了其強(qiáng)度及耐久性能。石粉顆粒具有改善膠凝材料級(jí)配的作用，通過減小空隙率來減小用水量的需求。

隨著機(jī)制砂石粉含量的進(jìn)一步增大，混凝土的早期強(qiáng)度增長(zhǎng)逐漸放緩。石粉含量為 17.1% 時(shí)，混凝土 7d抗壓強(qiáng)度只達(dá)到同齡期河砂強(qiáng)度的 70% 左右。后期隨著齡期的增長(zhǎng)，該影響逐步縮小，至 120d 齡期時(shí)，抗壓強(qiáng)度趨于一致。56d 與 120d 齡期的混凝土電通量隨著石粉含量的增大有微增，但增幅不大，處于同一水平。主要為大粉煤灰摻量的混凝土，漿體中過量的石粉在混凝土結(jié)構(gòu)中造成過度填充，增大了水泥顆粒間的距離，影響水泥水化膠結(jié)后的交聯(lián)，混凝土的早期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。隨著齡期的增長(zhǎng)，膠凝材料會(huì)充分水化與石粉一起形成致密結(jié)構(gòu)，后期強(qiáng)度與耐久性有快速增長(zhǎng)。

3 結(jié)論

（1）通過計(jì)算混凝土中機(jī)制砂石粉含量超過 7.0%的部分，采用同水膠比來對(duì)混凝土的單方用水量進(jìn)行補(bǔ)充的調(diào)整方法，使混凝土工作性差的問題得到了解決，對(duì)混凝土的最終強(qiáng)度和耐久性影響很小。

（2）采用大石粉含量的機(jī)制砂進(jìn)行混凝土配制時(shí)，建議混凝土抗壓強(qiáng)度的驗(yàn)收齡期宜為 56d 以上。

（3）對(duì)早期強(qiáng)度增長(zhǎng)要求較高的混凝土，機(jī)制砂石粉含量控制不宜過大。