高品质机制砂在高性能混凝土中的应用分析及配比设计

本文选自《商品混凝土》杂志2022年第3期

作者：代志涛，巩繁龙，邱润泽

［摘 要］本文介绍在实际生产过程中，利用高品质机制砂制备混凝土，通过对混凝土配比的优化，提高混凝土拌合物的状态和硬化混凝土的力学性能，并且有效地降低了混凝土的成本。

1 背景描述

在混凝土企业的发展过程中，原材料的稳定性一直在生产过程中产生着重要的影响。其中，砂率是决定混凝土性能的一项重要指标，砂子的使用在混凝土中需要精准地把控。同时，作为主要原材料之一，砂子的成本也对混凝土的成本有着关键的影响。另外，为了保护生态平衡，天然砂限采限挖，以天然砂为主的商砼企业正一步步走向被动。因此，拥有完整制砂生产线的商砼企业将会在未来的生产过程中占据主导地位。近年来，建筑市场的需求巨大，促进了砂石市场的快速发展，机制砂已逐渐占据市场，成为建筑材料的最好来源之一。目前已有不少的混凝土、砂浆企业开始在生产中用机制砂代替天然砂，并且取得了较好的经济效益。本地区大部分企业使用郏县水洗石屑砂为主，在一定程度上降低了混凝土生产成本。但是郏县水洗砂还存在颗粒级配不均匀，含泥量以及砂子总体性能不稳定等问题，混凝土在生产过程中容易出现工作性能不稳定、和易性较差等情况，导致工地工人施工不顺利，产生质量隐患。因此，我司在建立初期就设立了一条配套混凝土生产的独立制砂线，通过冲击式破碎机，经多次试验，将10～30mm石子和 0～5mm 石子以一定比例，制成机制砂。并基于高品质的机制砂，合理管控原材料，设计优化混凝土配比，从而达到对混凝土工作性和经济性的改善。

2 机制砂级配设计

基于吴中伟院士提出的砂子自密实理论，砂子连续粒径分布的紧密堆积模型，计算出砂子紧密堆积时各粒径范围内的质量百分比（见图 1）。通过混料试验修正理论计算值，得出砂子作紧密堆积时的最优级配。^[1]

细度模数是砂的最重要特性之一，其对混凝土性能有较大的影响。相同水胶比、相同外加剂用量下，细度模数越小拌合物越干稠，流动性越差。细度模数过大，保水性较差，容易出现泌水现象。但仅考察细度模数这单一因素，会造成级配差异过大，因此要通过图1 中不同细度模数砂的级配区间数据，配制机制砂基本符合Ⅱ区砂的级配要求。混凝土用砂的细度模数应该控制在2.8～3.2。

自制机制砂筛分数据见表 1。

3 其他原材料的合理控制

混凝土是当今建筑行业中用途最广、用量最大的建筑材料之一，随着材料科学的不断发展，混凝土的组分与制备技术也发生着变化，除水泥、砂、石传统基材外，粉煤灰、矿粉、硅灰、石粉等矿物掺合料及化学外加剂的使用使混凝土技术不断进步。高性能混凝土不仅要求机制砂的合理细度模数及连续优良级配，更需要严格把控其他原材料进场质量。基于此，我司明确规定了原材料进场标准。

3.1 胶凝材料控制指标

（1）水泥：对于 P·O42.5 水泥的品控标准见表 2。

（2）粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，要求进场取样颜色比水泥浅。其品控标准见表 3。

（3）矿粉：S95 矿粉的品控标准见表 4。

3.2 粗细骨料

选材料原则：竭尽所能降低骨料含泥量。

（1）机制砂：进仓砂子要求色泽一致性。其品控标准见表 5。

（2）河砂：使用开封细砂，品控标准见表 6。

（3）石子：5～10mm 小石的品控标准见表 7，10～20mm 大石的品控标准见表 8。

3.3 外加剂

选用品质稳定优越的脂类聚羧酸外加剂，品控标准见表 9。

4 基于自制机制砂的配合比设计

高品质原材料是配制高性能混凝土的基础，要想配制最实用的高性能混凝土，需要最科学的配比设计方案，基于自制机制砂级配设计，原材料合理控制及脂类外加剂相配合，在配比设计中，我们摒弃了《普通混凝土配合比设计规程》中假定质量法的传统配比设计方案，配合比设计的指导思想应从强度设计向多种性能设计转化，从可行性设计向优化设计转化。合理的材料配合比设计应该在符合相关规范给出的包括强度、耐久性、均匀性、和易性、渗透性和经济性等要求的前提下，确定各种成份的用量，获得最经济和适用的混凝土。

针对自制机制砂紧密堆积原理，并在苏博特新材料有限公司协助下，改善了绝对体积法。利用浆骨比法，对混凝土材料组成进行以下论证：（1）混凝土组成材料（包括固液气三相）具有体积加和性；（2）石子的空隙率由砂浆来填充；（3）砂浆的空隙率由水泥浆来填充；（4）水泥浆由水泥、矿物掺合料和空气组成。现代混凝土要达到最佳工作性能和力学性能，水泥浆与骨料的体积比应为35:65；水泥与细粉料的体积比应为75:25。最后，通过推导，得出基于浆骨比的混凝土配合比设计计算式。^[2]

基于浆骨比的现代混凝土配合比设计步骤主要有以下几步：

（1）根据设计的混凝土强度等级，设定浆骨比，混凝土浆骨比范围宜取 0.33～0.35∶0.67～0.65。

（2）根据各材料的表观密度，确定浆体组成。

（3）根据混凝土强度、掺合料掺入情况、目标含气量，以及水泥强度情况，设定水胶比。

（4）计算浆体部分各材料体积，求得实际浆体组成各原材料质量。

（5）设定砂率，计算骨料部分各材料体积，求得骨料组成各原材料质量。

（6）得出计算配合比。

（7）和易性、强度试配，特殊性能校核。

C30 泵送混凝土计算配合比及性能见表 10 和表 11。

基于以上浆骨比设计思路，我司结合自身原材料情况，加入面砂及石粉做为填充，设计配合比优化（以 C30 为例），优化前后配合比见表 12。

5 生产应用分析

在混凝土实际生产过程中，我司基于高品质原材料及科学配比设计的基础下，引入开封面砂及石粉做为集料填充，更加完善砂的自密实体系，改善混凝土整体和易性及稳定性。同时使混凝土以混凝土强度等级线性设计变量，以混凝土价格为目标函数，展示机制砂对不同强度等级混凝土成本的影响，在混凝土的性能符合用户需要的前提下，使成本最低。各强度等级混凝土的配合比及材料成本详见表 13 和图 1。

6 实际应用案例

自制机制砂实际应用状态展示见图 2。

实际应用过程中，混凝土和易性得到根本性改善，出入泵状态稳定，施工性能良好，极大提高生产及施工效率。在改善混凝土状态前提下，节约生产成本，提高公司口碑及竞争力。

7 质量检验及力学性能

在自制机制砂混凝土的试配过程中，混凝土和易性好、抗压强度离散性小（表 14、15）。

自制机制砂混凝土浇筑到施工部位，工作性好、自身密实度高，28 天回弹值高、离散性小，碳化值有改善（表 16～19）。

8 结论

（1）自制高品质机制砂和高质量原材料控制可在低胶材用量情况下制备高性能混凝土，降低混凝土综合成本，提高竞争力。

（2）自制高品质机制砂宜控制细度模数为 2.8～ 3.2。

（3）采用基于浆骨比的现代混凝土配合比设计方法成功实现了混凝土和易性、工作性能及力学性能的改善。

（4）引入石粉及细砂，能有效改善混凝土状态，进一步优化成本及混凝土稳定性。

（5）采用自制机制砂的浆骨比配比设计方案，可有效提高混凝土回弹强度，降低混凝土离散性及碳化值。