粗细砂混合级配调整及在混凝土中的应用

时间：2024-10-01

江坚

（台州飞龙商品混凝土有限公司，浙江台州 317000）

0 前言

国民基础设施建设的快速推进，混凝土作为重要的建筑结构材料需求量巨大，混凝土供应质量的好坏直接关乎工程结构荷载安全和服役寿命。混凝土质量的影响因素较多，原材料质量波动、生产管理乃至施工水平都会影响混凝土工程质量[1]，砂率作为混凝土的重要指标，对砂浆填充性和拌合物和易性等有重要影响，合理的砂率能够提高混凝土和易性，提高混凝土强度，也会降低胶凝材料用量，节省生产成本。

本文根据现有集料情况，根据粗砂和细砂细度模数调整掺比，通过调整砂率来考察混凝土拌合物出机和易性，并关注混凝土强度发展情况，以期为公司生产提供技术参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）胶凝材料

水泥采用海螺水泥有限公司生产的 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，水泥的性能指标见表1。

表1 水泥的性能指标

粉煤灰：Ⅱ级，市售，45μm 方孔筛筛余 22.4%，需水比 99%，烧失量 4.0%。

矿粉：S95 级，比表面积 415m2/kg，流动度比为100%。

（2）集料

细集料有卵石制细砂和卵石制粗砂两种，细砂细度模数为 1.9，粗砂细度模数为 3.2，混合砂为两种不同细度模数的天然砂按一定比例混合而成。表2 为混合砂筛分结果。

表2 粗砂和细砂混合后的筛分结果

粗集料为 5～25mm 碎石，连续级配，针片状含量在 10% 以下，压碎值 10%。

（3）外加剂

缓凝型聚羧酸减水剂，淡黄色液体，含固量 12%，推荐掺量 1.0%～3.0%。

1.2 试验方法

（1）砂的细度模数参照 GB/T 14684—2011《建设用砂》进行测试。

（2）混凝土坍落度和扩展度等工作性能指标按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。

（3）混凝土力学性能试验按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，成型 100mm×100mm×100mm 混凝土试件，测定混凝土 3d、7d 和 28d 的抗压强度。

1.3 混凝土配合比

以 C30 为例，所设计的 C30 混凝土配合见表3。

表3 C30 基础配合比 kg/m3

2 试验结果与讨论

2.1 细砂和粗砂比例的确定

在实际生产中，采用细砂和粗砂混合搭配的形式，以满足颗粒级配要求，但细砂和粗砂混合比例也会影响混凝土的工作性能和力学性能，因此混合砂良好的级配对混凝土性能极为重要。将粗砂和细砂按比例进行均匀混合，以测试混合砂的细度模数，结果见图 1。

图1 结果显示粗砂比例降低，混合砂细度模数降低，说明砂的粗颗粒对于混合砂细度模数影响较大，粗砂在混合砂中的比例从 50% 减少至 20%，混合砂的细度模数相应从 2.5 下降至 2.2，说明采用合适的粗砂和细砂比例对于细集料的颗粒级配较为重要。

图1 粗砂和细砂比例对混合砂细度模数的影响

为了选择合适的粗砂和细砂比例，对混合砂配制的混凝土工作性能和强度进行测试，结果见表4。

表4 细砂和粗砂混合比例对混凝土性能影响

表4 结果显示，当粗砂比例为 50% 时，混凝土和易性较好，初始坍落度和扩展度最好，7d 和 28d 强度发展良好，这说明此时细砂能够有效填充粗砂和骨料孔隙，浆体得到丰富[2]，相应拌合物的匀质性也得到提高，对混凝土工作性能和强度有利，故采用粗砂和细砂比例为 1:1。

2.2 砂率对混凝土工作性能的影响

参考前述试验结果，按照粗砂和细砂比例 1:1，所得的细度模数为 2.5，所得的混凝土配合比见表5。

表5 调整砂率后的混凝土配合比 kg/m3

采用表5 所示混凝土配合比，研究砂率调整对混凝土的工作性能的影响，结果见表6。

表6 砂率对混凝土工作性能的影响

从混凝土拌合物工作性能测试结果分析，砂率增加，混凝土坍落度和扩展度呈现先增加后降低的趋势，当砂率在 43% 时，混凝土坍落度为 230mm，扩展度为 570mm，混凝土流动性较好，此时混凝土 1h 坍落度损失也最低。这说明合理的砂率对于混凝土工作性能的发挥影响较大。砂率不足时，浆体量不足以形成对骨料的有效包裹，空隙率增大，混凝土易出现石子堆积、泌水等问题；砂率过高，有效需水量和外加剂掺量增加，浆体较粘，流动性降低[3]。

2.3 砂率对混凝土力学性能的影响

混凝土作为建筑结构材料，要有效承重并维持结构安全和耐久，保证混凝土必要的强度极为重要。砂率的改变会影响混凝土的工作性能，对混凝土的力学性能也会造成一定的影响[4]。研究了不同砂率对混凝土不同龄期抗压强度的影响，结果见表7 和图 2。

表7 砂率对混凝土抗压强度影响

图2 不同砂率对混凝土强度的影响

砂率的改变能够影响混凝土的颗粒级配，粗砂填充骨料堆积空隙，细砂又能够进一步降低空隙率，使得混凝土浆骨比处在合理的区间，此时混凝土拌合物和易性优良，硬化后的混凝土密实度较高，对混凝土强度发展有利[5]。

当混凝土砂率从 39% 提高至 47% 时，混凝土 3d、7d 和 28d 抗压强度先增加后降低，当混凝土砂率在 43% 时，混凝土各龄期强度最高。砂率过高或过低都会对混凝土的和易性造成不良影响，进而影响混凝土强度的发挥。

2.4 砂率对混凝土电通量的影响

混凝土电通量作为混凝土抵抗外界氯离子侵蚀的重要指标，一定程度上也反映了混凝土密实程度。测试了不同砂率对混凝土电通量的影响，结果见表8 和图 3。

表8 不同砂率混凝土电通量

图3 砂率对混凝土电通量的影响

表8 和图 3 结果显示，混合砂砂率的改变对混凝土电通量影响较大，当混凝土砂率在 39% 时，由于混凝土包裹性不良，无法形成对混凝土骨料的有效粘接，使得混凝土微裂纹较多，氯离子和硫酸根离子等通过溶液通过能力较强[6]，混凝土电通量较高。当混凝土砂率过高时，由于混凝土流动性减弱，硬化后的混凝土匀质性降低，内部空隙增多，混凝土抵抗外界侵蚀的能力减弱。因此适宜的砂率（43%）能够改善混凝土工作性能和强度，从而对混凝土耐久性有利。