机制砂在混凝土配合比中最佳砂率用量分析
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作者:康太源
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发布时间: 228天前
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新建铁路贵阳枢纽白云至龙里北联络线是贵阳枢纽东北环线的重要组成部分，位于贵州省贵阳市境内，起于贵阳市白云区，经云岩区偏坡村、乌当区东风镇和南明区龙洞堡片区，终于龙洞堡国际机场。
新建铁路贵阳枢纽白云至龙里北联络线是贵阳枢纽东北环线的重要组成部分，位于贵州省贵阳市境内，起于贵阳市白云区，经云岩区偏坡村、乌当区东风镇和南明区龙洞堡片区，终于龙洞堡国际机场。起讫里程DI2K0+000～DI3K31+700（白云至龙洞堡，不含贵阳东站），线路全长29.937km。混凝土工程量有一百多万方，由于贵州省本地河砂缺乏，笔者合理利用当地石材丰富的地理优势用当地机制砂成功地配制了C15、C20、C25、C30、C35、C40、C50不同强度等级、不同施工工艺的二百多个机制砂配合比，掌握了机制砂混凝土配合比最佳砂率确定方法，供大家参考。
混凝土配合比设计的主要任务就是要确定水泥、水、砂与石子这四项基本组成材料用量之间的三个比例关系，并进而求得四项基本组成材料的实际用量。这三个比例关系：一是水与水泥之间的比例关系，用水灰比(W/C)表示；二是砂与石子之间的比例关系，用砂率βS=×100·表示；三是水泥浆与骨料之间的比例关系，常用单位用水量(W，即1m3混凝土拌合物的用水量)来表示。因为这三个参数与混凝土的性能及经济性有着密切的关系，所以它们是混凝土配合比设计中的三个重要参数。混凝土配合比设计就是要正确地确定三个参数，以满足混凝土的各项性能要求，并且达到经济节约的目的。而砂率这一主要参数只有选定的合理，才能获得需要的流动性且节约水泥，因此砂率参数的选定在三个主要参数中是最为重要的。 砂率就是指在混凝土配合比当中每方混凝土中砂子的用量占砂子和碎石（集料）总数的百分比。每个配比只有在合适的砂率下，混凝土才能达到理想的性能。
砂率大，则骨料的孔隙率和总表面积增大，如果浆体不变，那么就不会有足够的浆体包裹沙粒形成润滑作用，以至于影响混凝土的流动性。同理，砂率小，则不会有足够的砂浆填充在粗骨料间，从而影响混凝土的和易性。砂率对混凝土的和易性、强度和耐久性影响很大，也直接影响水泥用量，故应尽可能选用最优砂率。因此，在其他材料用量不变的情况下，最佳砂率的确定在配合比中尤其重要。笔者从试工程试验多年，认为合理砂率的确定原则为：砂子的用量填满石子的空隙略有富余，在此基础上总结出砂率在配合比选定当中确定主要有这么几种方法就是在配合比设计中，参考《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011中P15页表5.4.2。 中根据配合比设计的水胶比及选用的骨料粒径大小选用砂率。此表一般是针对河砂，而且是颗料级配良好的中砂，对于河砂级配不良的粗砂，砂率一般比此表数值偏大3～5，对于机制砂来说砂率要比此表数值要大于10；此法是大多数初学试验工作者常采用的一种方法，虽然比较直观，但是砂率选取不准确，还需要多次试拌调整，才能确定最佳砂率，比较费时费力，有经验的的大多数试验工作者一般不会采用此种方法。密度法就是利用混凝土粗骨料的表观密度和紧密密度关系求出集料的孔隙率，利用孔隙率来求砂率。此种方法也是建立在经验基础上，笔者从事试验多年发现，利用密度法求砂率对于河砂来说一般是在计算孔隙率上浮1～2个砂率，对于机制砂一般上浮5～8个砂率。在贵州地区机制砂混凝土砂率一般都要在45%以上，对于较粗的砂子，砂率都在50%以上，但是不要大于55%，对混凝土各项性能指标没有影响。此种方法对于刚从事试验工作者来说也不适用，但是对于经验丰富的试验人员来说用此种方法较多，但也必须要经过混凝土试拌，才能确定，只不过不需要多次试拌，1～2次基本能准确找到最佳砂率。此种方法是根据混凝土所用的不同规格的粗细骨料分别做筛分级配试验，根据矿料的级配理论求得最佳中值通过率，利用绘图得到砂子掺配比例即砂率的一种方法。笔者利用贵阳枢纽2号拌合站所用粗细骨料为例： 机制砂、机制碎石（碎石用二级配）筛分试验结果如表。连续级配各级粒径矿料数量的计算大多采用最大密度曲线理论：当矿料的颗粒级配曲线越接近抛物线，则其密度越大。利用这一理论，得到任何一级颗粒粒径d的通过量P的关系：同理求得各料径筛孔通过率p，如表0.075mm～31.5mm各筛孔料径最佳中值通过率表。（1）在米格纸上绘一矩形图，通常纵坐标为通过质量百分率取250px，横坐标为筛孔尺寸取375px，连对角线OO`作为要求级配曲线中值。（如图1）（2）纵坐标按算术标尺标出通过质量百分率（0～100%），根据要求级配中值的各筛孔通过百分率标在纵坐标，则由纵坐标引水平线与对角线相交，由交点与横坐标相交，其交点为各相应筛孔尺寸的位置。（如图1）（3）依据0～4.75mm机制砂，5～16mm米石，16～31.5mm碎石三种集料筛分通过量绘出筛分曲线。（如图2）（4）在5～16mm米石、16～31.5mm级配曲线相重叠部分做一垂线BB、，使垂线截取此两种级配曲线的纵坐标值相等（即b=b、），与对角线有一交点M，由M点引水平线与纵坐标交于E点，OE的长度Y=38.6%，即为碎石的掺量。同理求出5～16mm米石的掺量Z=20.9%，0～4.75mm机制砂的掺量X=40.4%。（如图2） 此种方法简单、直观明了，容易操作，砂率选取准确，且把碎石掺配比例也一同找出。适合初学试验人员实用，适合任何集料，并且只验证一次基本就能找到最佳砂率。不过需注意的是，在确定混凝土配合比砂率时，必须要考虑砂子的用量填满石子的空隙略有富余，即求的掺量后，在数值上河砂配合比上浮1～3个砂率，机制砂配合比上浮3～5个砂率。此种方法是在干净的平整地面或铁皮上，用容积升测出混凝土配合比所用粗细骨料堆积密度和紧密密度，通过简单计算得到砂率。2.4.1所用仪器：电子磅称(100kg)，标准容积升（20升）2.4.2用电子磅称称取标准容积升（30升）的重量M0。2.4.3用四分法缩取80kg粗骨料，取试样一份置于平整洁净的场地上或铁皮上，用平头铁锹铲起粗骨料距离容积升约125px高处自由落入容积升中，装满后除去表面凸出的的颗料，使表面平整，应使表面凸出的部分与凹陷部分体积基本相等，然后称得总重量M1。2.4.4用四分法缩取80kg粗骨料，取试样一份分多批（不少于三次）装入容积升中，边装边振动，直到装满为止，用直尺刮平。称取总质量M2。砂率BS=（M2－M1）/（M1－M0+M2－M1）=（M2－M1）/（M2－M0）×100% 以贵阳枢纽2号拌合站缝文料场砂石料现场试验，所得数据如下M2=60.36，则BS=(60.36-36.66)/(60.36-2.56)×100%=41%此种方法不考虑粗骨料品种及最大粒径，也不用考虑细集料细度模数大小及级配如何，适合任何集料，实用性较强。在最终确定配合比砂率时同绘图法一样也要上浮砂率。一般说来对于通过机械轧制破碎的粗骨料由于表面比较粗糙，骨料表面之间摩擦力较大，为了保持混凝土良好的流动性就要克服碎石之间的阻力砂率必然选取较大。总的来说混凝土配合比中采用碎石的砂率比采用卵石的砂率选取偏大。细骨料由于细粒较多如果级配再良好，则混凝土凝土拌合物的粘聚性及保水性就能容易得到保证，故采用细砂时砂率选取相对来说要较小。粗骨粒径越大，骨料表比面积越小，空隙率也越小，因此砂率选取也较小。当混凝土配合比选用水灰比较小时，水泥用量较多，就有足够的水泥浆体保证混凝土粘聚性及保水性，此时砂率选取就要较小。当干硬性混凝土施工时由于不需要混凝土有良好的流动性故配合比选取的砂率相对较小；当采用泵送或大流动性混凝土时，为了保证混凝土的工作性能就必须要加大流动性就要采取较大的砂率来保证。此在设计配合比上为了保证混凝土工作性能及各项性能指标，在砂率选取上比河砂有着很大的不同，一般要考虑以下几个方面：机制砂由于是破碎而成，是由非常多的表面粗糙的颗料组成，颗料表面之间摩擦力较大，流动性不好，为了保证混凝土流动性就必须要提供大量的砂浆来保证混凝土骨料之间的流动。因此相对河砂来说就必须加大砂率。因为机制砂砂率加大，再加上机制砂本身石粉偏多，颗料表面开口孔隙增多，导致了比河砂吸水量大，因此配合比选取用水量一般要比河砂要多出5～10kg。为了节约水泥，一般选取相对较大的水灰比。在混凝土试拌及生产过程中首先保证混凝土的搅拌时间避免坍落度损失过大。因为机制砂是由岩石通过破碎生产出来的，把岩石内部好多闭口孔隙因破碎变成开口孔隙。如果混凝土在搅拌过程中不充分搅拌，混凝土在运输过程中或等待过程中，混凝土中的拌合用水会浸入机制砂外露开口孔隙内，造成混凝土内部润滑浆液损失，造成混凝土流动性变差，导致坍落度损失。 目前，混凝土配合比三个参数中，由于最佳砂率最为重要，确定方法会越来越多，本人体会也很多，尤其是机制砂配合比，只是由于文笔所限不能很好的表达出自己观点体会，拙笔不妥之处请同行们指正。
