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机制砂混凝土配合比设计及其性能分析
熊康平

从20 世纪90 年代初期到末期，机制砂混凝土的研究工作主要针对低等级普通混凝土开展，对高等级特种混凝土的研究很少。近几年一些科研工作者在机制砂高性能混凝土研究方面做了一些研究工作，但试验室内研究居多，对工程试验研究较少；宏观研究居多，微观分析较少；机制砂与河砂混合配制高性能混凝土居多，单用机制砂配制较少，尤其是对桥梁高标号梁板砼，目前尚未见到单用机制砂配制混凝土的报道；对强度、工作性、抗渗性等性能的研究较多，对机制砂混凝土收缩、 碳化、钢筋锈蚀等性能的研究较少。
本实验针对人工砂的特点，将黄氏致密级配混凝土配合比设计思想应用到人工砂混凝土中去，克服人工砂粗糙度大、含粉量高、级配不良等缺点，配制出高性能混凝土，应用到工程实际，提出人工砂在高性能混凝土中应用的技术指标和应用建议。
1 准备工作
(1)掌握设计图纸对水泥混凝土结构的要求，重点是各种强度和耐久性要求、构件截面的尺寸、钢筋布置的疏密等，以便合理采用水泥品种及石子的粒径；
(2)了解施工工艺，如输送、浇筑的措施、使用机械化的程度等，便于选用外加剂及其掺量；
(3)了解所能采购到的材料品种、质量和供应能力，以便确定备用配合比。
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选择材料
2.1 粗集料
优先选择强度高、密度大、针片状少、含泥量小、级配良好的粗集料 级配是集料的一项重要的技术指标,对混凝土的和易性及强度有着很大的影响，掺配时要在符合级配要求的范围内，尽可能在二种或三种掺配方案中，选取其中体积密度较大者使用。
2.2细集料
砂对混凝土的拌和物和易性的影响比粗集料要大，要选取级配良好的机制砂，机制砂过粗容易引起离析且保水性能差，从而影响混凝土的内在质量及外观质量。
2.3水泥
应根据工程特点或所处环境条件选取水泥优先选取质量稳定,强度波动小的水泥，对未用过的水泥品种或水泥厂家要进行认真调研。
设粉煤灰取代砂的最大单位重比例为α: 收集水泥、骨材与掺料的物化性质，以供配比计算参考时使用。并求出最小空隙(最大单位重)，最小空隙的原理，基本上是探讨颗粒材料最大堆积密度即最佳条件下的空隙，其推演方法如下:利用四分法取样将砂和粉煤灰混合, 以粉煤灰取代砂子的方式，求出混合料的最大单位重，即是粉煤灰取代砂子和石屑的最佳比例。固定砂和粉煤灰的最佳比例，重复上述步骤，找出砂子与粉煤灰及混合粗骨材的最大单位重比例，这就是HPC骨材组成的最佳配比，当在进行上述的步骤时，若感觉只要给予少许的振动能量，即能使混合料达密实壮况，已接近HPC的最佳化点的比例。
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确定强度和坍落度
依据施工规范及施工条件的要求, 选定混凝土强度及坍落度。当混凝土强度等级 ƒ'c = 56 MPa时,且无工地经验资料可循时, 配比的设计强度 ƒcr可由方程式(1)求得:
ƒcr=(ƒ'c +9.6)/0.9 (kg/m3 )
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求骨材最大单位用量
根据求出的骨材最大单位重求出最小空隙VV。
α=Wfly/(Wfly+Wcs)×100%
(砂子+粉煤灰)在混合骨材中所占的最大单位比例为β：
β=(Wcs+Wfly)/(Wcs+Wfly+Wca)×100%
VV=1−(Wfly /γfly +Wca/γca+Wcs/γcs)
式中：Wfly ，γfly 分别表示单位粉煤灰用量(kg/ m3)，粉煤灰表观密度(kg/ m3)；Wca，γca分别表示粗骨料重(kg/ m3)，粗骨料比重(kg/ m3)；Wcs，γcs分别表示细骨材重(kg/ m3)，细骨材比重(kg/ m3)。
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计算用浆量及骨材体积
骨材的用量:
水泥浆体Vp 由下式求得：
Vp =n×VV
水泥及水的用量：
Vp =WF/γW+C/γC+Wsl/γsl
假设设计强度所需之水胶比为λ:
W/B=W/(c+p)=λ
其中P=Wfly+Wsl
W=λC+λWsl+λWfly
因为石屑粉取代水泥之比率为：
ξ=Wsl/(Wsl+C)
Wsl=ξ/(1−ξ)∙C
C=(VP−λWfly/γW)/[λ/γW+1/νC+ξ∙(λ/γW+1/γsl)/(1−ξ)]
W=(c+p)∙λ
式中: W为水重；γ为水之比重；Wsl为粉煤灰单位重；γsl为粉煤灰比重。
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配合比计算
6.1
选择材料，确定特细砂和机制砂混合比例及取代参数α，β
6.2
确定粉煤灰取代混合砂的最佳比例α

表1 人工砂高密实

利用四分法取样将砂和粉煤灰混合，以粉煤灰取代砂的方式，求出混合料的最大单位重，此就是粉煤灰取代砂的最佳比例( 如图1所示)。

图1 粉煤灰填充砂曲线
在下图中粉煤灰取代砂13%时，单位重最大在固定砂和粉煤灰的最佳比例情况下，重新用四分法混合，找出砂与粉煤灰及石的最大单位重,在本次实验中，砂与粉煤灰所占骨材总量的比例为50% (图2所示)。

图2 粉煤灰与砂填充碎石曲线
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实际试验配合比设计
7.1
试验方法
本试验主要研究变化4种水胶比，同时配合4种不同的浆体用量共 12 组试验来研究人工砂在高性能混凝土的工作性，同时通过对人工砂与天然砂之间的工作性和强度对比，从而确定人工砂对高性能混凝土的工作性和强度的影响。
表2 1号机制砂高密实配合比设计表
7.2
试验结果

表3 天然砂高密实对比配合比设计

依据表2和表3配合比, 严格按照标准试验方法进行拌和物性能和混凝土强度测试, 所得试验结果如表4。

表4 人工砂与天然砂数据对比
7.3
混凝土新拌性能分析
通过试验结果对比, 我们发现在n= 1.3人工砂这一组, 它的坍落度和坍落扩展度表现最佳。在与天然砂混凝土对比时, 前两组人工砂混凝土的坍落度比天然砂混凝土低。后两组要比天然砂混凝土高。人工砂混凝土在 n= 1.2这一组我们发现在坍落度和坍落扩展度和n= 1.3相差不大，但由于骨料含量相对较多，水泥浆量较少，整体内聚力较高，所以和易性不如n=1.3。如果n值小于n = 1.2，混凝土的工作性较差。在 n= 1.4时，它与n=1.3比较差不多，但当大于n=1.4，因为水泥用量增大，所以不经济。在与天然砂对比时，由于掺的减水剂多, 所
以天然砂的和易性有时不如人工砂，但天然砂的和易性和坍落度、坍落扩展度基本比人工砂好， 从泵送要求来看，天然砂要比人工砂适合。
7.4
混凝土抗压强度分析
通过试验结果发现，在同一水胶比情况下，混凝土的强度随浆体用量增加而增大。在与天然砂对比时，人工砂的早期强度普遍比天然砂要高。
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结
论
通过以上试验可以得出以下结论：
1) 使用压碎指标为 9.1%的碎石，细度模数为2.9的中粗砂和二级粉煤灰进行密实堆积试验，获得最佳密实堆积效果的堆积系数α=1.2，β=0.55。
2) 随着水胶比的降低，在掺高效减水剂基本相同的情况下，天然砂的塌落度和和易性比人工砂要差,但从总体比较，天然砂的和易性要比人工砂要好，但早期强度没有人工砂高。
3) 与条件相同天然砂相比，在配比设计、其它材料、成型养护条件都相同的情况下；用人工砂配置出混凝土的特点是：塌落度减小, 混凝土28天标准强度提高；如保持塌落度不变，则需水量增加；但在不增加水泥的前提下水灰比变大后，一般情况下，混凝土实测强度并不降低。
4) 按天然砂的规律，混凝土配比设计，人工砂的需水量大，和易性稍差，易产生泌水，特别在水泥用量少的低强度等级混凝土中表现明显。