纯机制砂混凝土配合比的设计及优化_张兴.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年3月第30卷 第3期MAR 2023Vol.30 No.3DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.03.026作者简介：张兴（1980-），男，大学本科，工程师，主要从事工程质量管理、试验检测等工作。E-mail：纯机制砂混凝土配合比的设计及优化张兴，苏志焕（中交四航局第二工程有限公司广州510230）摘要：近年来我国基建工程发展突飞猛进，河砂资源越来越紧缺，机制砂代替河砂已成为了目前最佳替代方案。机制砂在配合比设计及施工性能上与传统河砂有所差别。通过分析机制砂的技术参数，基于沉箱施工工艺要求进行纯机制砂配合比设计，通过对原材料的质量控制，配合比用水量、骨料比例、砂率、外加剂复配等技术措施，从而设计出纯机制砂的配合比，并在使用过程中不断优化总结，优化后的混凝土工作性能、强度、耐久性等指标均满足要求。关键词：机制砂；配合比；试拌；调整优化中图分类号：TV332.9文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）03-112-04Design and Optimization of Mix Proportion of Pure Machine-made Sand ConcreteDesign and Optimization of Mix Proportion of Pure Machine-made Sand ConcreteZHANG Xing，SU Zhihuan（The Second Engineering Company of CCCC Fourth Habor Engineering Co.，Ltd.Guangzhou 510230，China）AbstractAbstract：In recent years，with the rapid development of infrastructure projects in China，river sand resources are becoming increasinglyscarce.Machine made sand has become the best alternative to river sand.Machine made sand is different from traditional river sand in mixdesign and construction performance.Through the analysis of technical parameters of machine-made sand，the mix proportion of pure machine-made sand is designed based on the requirements of caisson construction technology.Through the quality control of raw materials，thetechnical measures such as mix proportion water consumption，aggregate proportion，sand ratio，admixture compounding，etc.，the mix proportion of pure machine-made sand is designed.It is constantly optimized and summarized in the use process，and the optimized concreteperformance，strength，durability and other indicators meet the requirements.Key wordsKey words：machine-made sand；mix proportion；trial mixing，adjustment and optimization0前言国家对环保的要求越来越严格，河砂作为短期难再生的资源，近年来，机制砂替代河砂在传统混凝土中的地位已逐渐形成趋势1。在以往的机制砂使用方案中，一般以大部分的机制砂里掺配一定比例的河砂来改善混凝土的工作性能及力学性能。而香港工程的技术规范规定严禁在混凝土施工中使用河砂，这对机制砂的使用提出了新的挑战。结合香港某项目的情况，从机制砂的选材及检测、配合比的设计及优化，实际施工中的优化调整等措施，确保纯机制砂混凝土的工作性能、力学性能及耐久性。1工程概况香港某项目采用集中预制，预制场位于常年高温地区，蒸发量大，项目施工工期短，预制构件总共多达4 516件，混凝土总方量达13.3万m3。预制场地小，模板、台座周转周期短，对混凝土的工作性能要求非常严格。预制构件安装于香港石鼓洲附近海床之上，常年浸泡于海水中，对混凝土性能及施工工艺方面要求极高。本文以预制沉箱为例，分析纯机制砂混凝土在施工的应用。典型沉箱剖面如图1所示。2混凝土及原材料的技术要求2.1混凝土要求混凝土标号为 C50/20D，设计强度为 50 MPa，设计坍落度为17545 mm，集料最大粒径为20 mm，要求采用510 mm、1020 mm两种级配的碎石组合而成。细集料采用机制砂，水灰比小于0.45，耐久性要求28 d电通量小于1 000 C。现场沉箱施工一次性浇筑方量较大，而且由于沉箱结构混凝土施工较为缓慢，对于混凝土的坍落度的损失要求为1 h内无损失，2 h内小于40 mm2。2.2机制砂的选择及检测3经过前期的实地调研及试验检测，选用了江门某石场生产的机制砂作为混凝土用砂，砂的主要技术指标如表1所示。机制砂的特点：试验结果表明，砂为区中砂，但级配与河砂相比较，存在两头多，中间少的现象，筛分结果表明0.6 mm以上的累计筛余达到68%，石粉含量在5%10%之间，中间呈现断层情况。棱角较多，石粉含量不稳定，这种情况所导致的结果是混凝土的和易性能极不稳定，呈现粘聚性差、流动性差、坍落度损失大等特点。112张兴，等：纯机制砂混凝土配合比的设计及优化MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期3混凝土配合比设计由于机制砂自身石粉的存在，导致单位用水量比河砂的要大，并且级配合成不理想，拌和物的和易性较差。除了普通混凝土配合比设计里的主要参数条件：例如水胶比、用水量、砂率等，还应考虑更多的技术参数来对配合比的设计进行优化。参考普通混凝土配合比设计，项目的 C50/20D混凝土基准配合比，双掺粉煤灰及硅粉，粗骨料采用 510 mm 及 1020 mm 两种级配，细集料采用纯机制砂，掺苏博特PCA-I型高性能减水剂4。初步的基准混凝土配合比为水胶比水水泥粉煤灰硅粉（510 mm）碎石（1020 mm）碎石 机制砂 外加剂=0.35 150 295 107 26 267 801 774 6。经过试配后发现混凝土的流动性一般，粘聚性较差，坍落度损失过大，在振动台上振动后会出现轻微的泌水现象，针对基准配合比出现的情况，从以下几方面进行配合比的优化调整。3.1方案1：单位用水量的调整5机制砂最大的特点是砂中的石粉含量，石粉具有吸水性，单位用水量要比河砂的高，但同时由于机制砂是坚硬的母岩磨碎而成，其配制的混凝土强度比河砂的高，所以在满足了力学性能及耐久性能的情况下可适当增加单位用水量，加大少许的水胶比，具体的方案实施及效果如表2所示。对比试验数据，适当增加用水量后，混凝土的流动性及和易性能有所改善，而从坍落度的变化及 28 d 的力学性能上都没有发生较大的变化，检验结果也表明满足技术要求。故方案1计划在原基准配合比的用水量上增加 7 kg 的用水量，用于改善由于机制砂中的石粉吸水性特径所造成的混凝土流动性的流失。3.2方案2：大小石比例的调整香港工程粗集料一般采用1020 mm及510 mm两种碎石组成，普遍采用的比例是75%：25%6。由于机制砂的级配没有河砂般均匀，筛分结果表明 0.6 mm 以上的累计筛余达到68%，中间颗粒少，粗颗粒偏多，由于510 mm的级配组成中，也有相当一部分为4.75以下，造成1.154.75之间的细集料偏多，从而造成了混凝土的流动性差，混凝土板结、粘底的情况出现。经过研究分析后，得出方案 2适当减少 510 mm在原配合比中 25%的比例，从而减少1.154.75之间的细集料的累积影响，具体的方案实施及效果如表3所示。从表3试验结果看，通过调整大小石的比例来改善混凝土的和易性能是可行的，效果最佳的是小石比例为15%，综合混凝土的各项目性能都能满足施工现场的要求。3.3方案3：砂率的调整7普通配合比设计中河砂的砂率一般在32%38%之间变动，具体根据原材料的实际情况及试配情况而定。而机制砂由于棱角较多，粗颗粒比河砂偏多，故砂率一般要比河砂要高，这才能确保混凝土的施工性能。配合比存在最佳砂率，当砂率偏小时，混凝土的流动性差，粘聚性差，坍落度及扩展度小，保水性也差，容易离析，所需的胶凝材料也多。当砂率偏大时，混凝土的流动性也随之减少，空隙率增大，水泥浆在混凝土中的润滑作用会衰减。为此，对不同砂率的配合比进行了试配试验，具体结果如表4所示。从表 4 的试配结果分析，配合比的最佳砂率在42%，当砂率小于42%时，混凝土粘聚性较差，并且容表1机制砂检测结果Tab.1Test Results of Manufactured Sand主要检测项目细度模数表观密度/kgm-3堆积密度/kgm-3检测结果3.02 6301 640主要检测项目亚甲蓝值/%石粉含量/%-检测结果0.47-标号C50水胶比0.330.350.37原用水量141150158后用水量148157167用水量变化+7+7+9水胶比变化0.346/+0.0160.367/+0.0170.390/+0.020坍落度/mm加前180195195加后190200210变化+10+5+1528 d抗压强度/MPa加前68.364.458.3加后66.163.155.8变化2.21.32.5表2用水量变化的试验结果Tab.2Test Results of Water Consumption Change图1沉箱剖面Fig.1Caisson Section（mm）300B600排水渠预制面板现浇混凝土路面1 100226000场地边界线燃料沟+5.400mPD+5.500mPD橡胶护舷+3.500 1 100 YRSMHHW+2.000mPDMLLW+0.400mPD钢封门54001254003005400450540045030023550混凝土大板现浇混凝土路面回填料-7.000mPD储油罐储油罐周围填充沙子-1.250mPD+3.000mPDCJ顶盖线113广东土木与建筑MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期易泌水。当大于42%时，混凝土过于粘稠，并且坍落度损失过大，工作性能难以得到保障。综合考虑选择采用42%的砂率。但综合分析，坍落度损失无法达到预计1 h内无损失，2 h内小于40 mm的效果，关于保坍的措施只能通过外加剂的调整加以解决。3.4方案4：外加剂的调整现代混凝土的配置已离不开外加剂的影响，用量虽少作用极大。掺入适量的外加剂，可减少单位用水量，节省水泥用量，改善混凝土的和易性能及力学性能等。在前期的基准配合比的试拌过程中发现，在混凝土的水胶比、浆骨比、单位用水量及砂率确定的情况下，混凝土的1 h坍落度损失无法满足施工现场的要求，特别是在夏季高温时段。对外加剂进行复配，使混凝土的初凝时间放长，坍落度损失值等工作性能满足施工要求。项目采用的是苏博特聚羧酸PCA-I型高性能减水剂掺量在1.01.5之间，外加剂的复配方案是在原母剂的情况下加入适量的缓凝剂及引气剂，缓凝剂的作用，是使混凝土的初凝时间变长，降低早期的水化热，但如果掺入过高会影响混凝