高标号机制砂混凝土的优化设计及试验

文摘 2024-09-19 07:02 河南

0引言

随着建筑行业的快速发展，消耗的原材料也在不断增加，而天然中存在的砂材料已经逐渐短缺，无法满足现阶段工程需求。对于山区高速公路来讲，需要大量的砂材料，这推动了机制砂的发展。但是，由于机制砂颗粒大，拌和后的混凝土性能差，无法满足工程施工需求。因此，为了有效地解决岳圩口岸联线公路高标号混凝土施工问题，在混凝土中加入适量的粉煤灰能够改善混凝土的性能。同时，采用正交试验得出混凝土的最佳配比，并对其进行试验，试验结果显示混凝土的耐久性和强度显著提高。

1工程概况

岳圩口岸联线公路位于广西百色市，总长度8.9km，改路长度512m。混凝土、钢筋、钢箱梁、水泥稳定碎石、沥青混合材料等为该公路建设所需要的主要材料。

2试验

2.1原材料

2.1.1水泥

岳圩口岸联线公路工程所使用的水泥为P.O42.5级普通硅酸盐水泥，该水泥主要用于各类混凝土的配制。

2.1.2机制砂

岳圩口岸联线公路工程所使用的机制砂为石场生产的石灰岩。表1所示为石灰岩质机制砂的筛分结果。

通过表1数据可知，该石场产的石灰岩质机制砂在1.18mm筛孔筛余量明显高出规定上限，而其余孔目的筛余量均符合要求。由此可知，该石场产的石灰岩质机制砂中中砂含量较高，可以将其用作对混凝土强度有要求的混凝土拌和中。但是，由于石粉含量高，需要严格控制机制砂混凝土的拌和比例，保证混凝土的性能符合设计要求"。

2.1.3粗集料

岳圩口岸联线公路工程选择粒径5～31.5mm（由5～10mm、10～20mm、16～1.5mm规格的粗集料混合而成）的石灰岩碎石作为粗集料。不同规格的粗集料所具备的性能如表2所示。

通过表2的数据可以看出，不同规格的粗集料其物理力学性能符合设计要求，可以将其用在混凝土强度为C30～C50的混凝土拌和中。

通过对不同规格粗集料性能进行分析，以工程实际工程经验和行业标准为基础，得出最佳的配比，即：粗集料直径为5～10mm:10～20mm:16～31.5mm=15:55:30。

2.1.4水与减水剂

岳圩口岸联线公路工程所使用的生活用水符合国家标准，因此，该工程选择生活用水来进行混凝土拌和和后期混凝土养护用水。

2.2机制砂混凝土配比正交试验

2.2.1正交试验设计方案计划

通过对机制混凝土材料所具备的特点进行分析，并以设计要求为基础，试验选择机制砂混凝土配比设计参数中4个关键因素作为正交试验的定量（水泥用量、水胶比、砂率、减水剂掺量)进行试验研究，并且以机制砂混凝土的落度和抗压强度为参考，得出在不同混凝土强度下，各类参数的取值范围，具体参数如表3所示。

2.2.2正交试验方案各材料用量的计算

混凝土是将各种物料充分拌和的一种混合物。以该工程为例，机制砂混凝土主要材料为水泥、高性能减水剂、粗集料和细集料。通过对表3数据进行分析，各组的固定量是水泥用量、水胶比和减水剂量，以固定量计算出需要加人其他物料的用量。

在《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2021）中，存在两种计算1m²混凝土内粗集料和细集料用量的方法，即体积法和质量法。体积法是指假设1m³混凝土拌和完成后混合物的体积是各个材料体积和混凝土中空气体积的总和。在已知材料表观密度的基础上，采用体积法来对各个材料的具体使用量进行计算。质量法是指以试验选取的混凝土拌和物的质量基础来计算出各个材料的质量。混凝土的表观密度等于各个单一材料单位质量的总和。质量法计算简单，计算所得到的结果较为粗略。

2.3机制砂混凝土配合比设计正交试验结果

各个试验组所需要的机制砂混凝土按照要求配比完成后，选择落度仪法和立方体抗压强度试验法来对其所拌和的混凝土的落度、抗压强度进行测试，并做好数据记录。

为更好地得出机制砂混凝土抗压强度与龄期的关系，本试验设计4种龄期，分别为3、7、14、28d，共需要180个立方体试件，分9组，每组各需20个。抗压强度试验测试时，选择混凝土养护龄期相应的试件，3个为1组，求平均值。最大数值、最小数值与中间数值分别相减，所得的数值与中间数比较，若大于中间数的15%，则表示该组试验无效。落度试验测试时，不同龄期分为9组，共计18次试验，每组进行平行试验，将每组所得数据的平均值作为结果，若结果差距较大，则该组无效，重新试验。图1～2所示为正交试验所得到的试验结果。

1)由图1可知，各试验组混凝土在14d前，混凝土的抗压强度增长的速度较为明显，同时，7d抗压强度大幅度超过28d抗压强度。当养护至14～28d过程中，混凝土的抗压强度开始逐渐增长，但是相对于前期而言，其增长的速度明显减缓。在4个养护周期过程中，3d抗压强度的增长速度最快，其大概是28d抗压强度的72%。

2)由图2可以得出，在正交试验中，和易性最佳为第3组，其落度数值、粘聚性、混凝土的保水性能均为最佳，未发现混凝土出现离析、沁水现象。第1组中，由于水胶比低，而机制砂混凝土需要水量较大，水胶比低造成水泥浆体无法将集料充分进行包裹，使得混凝土拌和的流动性降低，成型后的混凝土试件内部孔洞多、密度低，从而影响混凝土抗压强度。第2组、第4组和第7组与第1组的数据类似，混凝土的聚合性差，成型后混凝土试件孔洞较少。第6组、第8组和第9组，虽然水胶比大，混凝土落度符合要求，但是由于其水泥浆体占比较大，混凝土的砂率低、细集料少，导致粗集料无法与其形成一个整体，从而导致混凝土出现严重的离析和沁水现象。因此，为确保机制砂混凝土性能满足设计要求，需要严格控制各项参数用量。

3集料级配优化

一般来讲，在混凝土配比设计过程中，会对粗集料的级配进行忽视，部分人员会以《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T3650-2020）要求的级配数值来进行相关数值的确定。但是，以此方案为基础选择的粗集料级配与设计要求不符。粗集料级配与混凝土强度和性能密切相关。因此，试验人员需要对粗集料的级配进行试验论证，并且在试验过程中对级配进行优化，得出最佳的配比。

以修正的Fulle曲线和Shilstone曲线为基础，来对混凝土集料体系进行综合分析，粗集料需要满足Shilstone曲线集料级配，并分析混凝土硬化后性能参数；细集料需要满足Fuller曲线中集料级配，确保混凝土物理力学性能符合要求。

由图3可知，混凝土落度级配为140～180mm时，可以用于不同强度混凝土配制。通过图4可以得出，当混凝土落度为180～220mm时，混凝土强度为C30时，混凝土的集料组成符合Fuller曲线值，且混凝土的浇筑质量符合要求。

4砂率与机制砂混凝土配比之间影响关系

4.1抗压强度分析

机制砂混凝土28d抗压强度与砂率变化的曲线如图5所示，通过图5可以得出以下结论。

4砂率与机制砂混凝土配比之间影响关系

4.1抗压强度分析

机制砂混凝土28d抗压强度与砂率变化的曲线如图5所示，通过图5可以得出以下结论。

1)混凝土的抗压强度存在显著的差异性，28d抗压强度及砂率的波动存在一定的规律性，需要注意的是混凝土的抗压强度变化并不是很显著。结合以上可以发现，砂率的波动对于混凝土的抗压强度影响并不是很大。

2)结合现行管理规范进行分析，当砂率数值变大以后，C30强度的混凝土的28d抗压强度与砂率之间的波动为先变大，而后开始变小。进一步来看，当砂率保持在0.45～0.51时，28d抗压强度与砂率的波动为逐渐变大；当砂率保持在0.51时，28d抗压强度与砂率的波动为达到了混凝土强度的最大值；当砂率保持在0.54时，28d抗压强度与砂率的波动为逐渐减小。其主要原因是混凝土混合物料含有的砂率数值较小，而砂率不断增加，混凝土的黏性也逐步提高，内部孔洞被填充，抗压强度有所提升。而当砂率数值达到最大数值，混凝土混合料内粗集料数量降低，而机制砂混凝土比表面积远大于粗集料表面积，导致混凝土抗压强度降低。

3)C40、C30混凝土的抗压强度波动存在相似性。

4)结合现行管理规范进行分析发现，按照既定的方案增长砂率的数值，C50混凝土的28d抗压强度与砂率之间呈现出反比关联性，简单而言就是，当砂率数值增长，混凝土的强度则会降低。当砂率保持在0.42～0.45时，28d抗压强度与砂率的波动为逐渐减小；当砂率在0.36～0.42时，混凝土28d抗压强度符合C50机制砂混凝土的性能要求。

4.2机制砂混凝土配合比砂率控制要求

为了确保混凝土抗压强度符合设计要求，并且各项物理力学性能符合施工要求，需要对砂率进行有效控制。机制砂混凝土砂率控制是为混凝土配比设计提供最佳参数。因此，以实际工程为基础，对砂率与机制砂混凝土配比之间的关系进行分析探讨，并制定出不同强度下机制砂混凝土砂率变化范围。根据试验得出不同混凝土强度下机制砂混凝土28d抗压强度与砂率之间的关系，从而确定出抗压强度与砂率动态变化范围如下。

1)砂率指标在0.42～0.54时，C30机制砂混凝土的抗压强度符合设计要求。砂率指标在0.45～0.48时，C30机制砂混凝土的落度符合设计要求，混凝土工作性能良好。因此，对于石粉含量高的机制砂混凝土，C30泵送机制砂混凝土需要将其砂率指标控制在0.45～0.48。

2)砂率指标在0.38～0.50时，C40机制砂混凝土的抗压强度符合设计要求。经过检测发现，当砂率数值保持在0.44～0.47时，混凝土的落度检查合格，且混凝土的工作性能比较强。以此能够总结出，泵送混凝土的砂率应该保持在0.44～0.47比较合适。

3)砂率指标在0.36～0.42时，C50机制砂混凝土的抗压强度符合设计要求。经过检测发现，当砂率数值保持在0.39～0.45时，混凝土的落度检查合格，且混凝土的工作性能比较强。所以，如使用含有石粉的混凝土时，泵送混凝土的砂率应该保持在0.39～0.42比较合适。

5结论

将经过优化设计以后的C30、C40、C50混凝土作为标准配合比，固定量为水泥量、水胶比、减水剂掺量，来计算出砂率数值。根据试验数据选择5组砂率进行试验，分别计算出混凝土的落度、28d抗压强度和机制砂混凝土性能。此外，对试验所得到的混凝土性能进行对比，借助多元线性回归方程计算出混凝土28d抗压强度和混凝土配比之间的关系，从而得到最佳的配比参数和抗压强度。具体研究结果如下。

1)28d混凝土抗压强度结果。如砂率数值处于波动状态时，那么C30、C40、C50混凝土的28d抗压强度则会呈现出规律性的波动，但是波动的幅度并不是很大。以此能够了解到，当砂率处于波动状态时，其对于混凝土的强度应该并不是很大。但是当砂率数值逐渐增大时，C30、C40混凝土的强度变化规律为先变大，后变小。C50混凝土的强度变化为持续减小。

2)落度试验。当砂率数值逐渐变大时，C30混凝土的落度变化为先变大，后变小；C40混凝土的落度变化为持续变大；C50混凝土的落度变化为持续变小。

3机制砂混凝土表观密度试验结果。当砂率指标呈现增大或减小状态时，对不同强度混凝土性能影响很小。

4)对不同砂率指标下，不同强度混凝土28d抗压强度与和易性进行分析，得出以下结论：当C30泵送机制砂混凝土，砂率变化范围为0.45～0.48；当C40泵送机制砂混凝土，砂率变化范围为0.44～0.47；当C50泵送机制砂混凝土，砂率变化范围为0.39～0.42。

5)砂率指标与不同强度混凝土28d抗压强度的和易性进行分析可知：砂率数值控制在0.39～0.42时，混凝土抗压强度符合C50要求；砂率数值控制在0.44～0.47时，混凝土抗压强度符合C40要求；砂率数值控制在0.45～0.48时，混凝土抗压强度符合C30要求。

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