CN115831280A - 机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，涉及混凝土配合比技术领域。本方法能够通过试验分析，获得了机制砂石粉含量、细度模数等关键参数对自密实混凝土的影响规律和最佳控制范围；通过制砂原材料选择、制砂机参数调整等措施，生产出的机制砂具有粒形良好，针片状含量少，含泥量少等特点，石粉含量与细度模数在最佳控制范围，MB值＜1.4；通过混凝土原材料优选并结合机制砂生产过程有效控制机制砂石粉含量、细度模数及MB值。

Description

机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法

技术领域

本发明涉及混凝土配合比技术领域，尤其涉及一种机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法。

背景技术

自密实混凝土是一种特殊的高性能混凝土，在浇筑过程中无需振捣依靠自身重力便可自由流动，穿过稠密的钢筋，填充满复杂的模型依据保持自身均匀性和密实性不变，硬化后满足力学强度和使用耐久性的要求。自密实混凝土中需要添加天然砂增加抗压强度，由于天然砂资源有限，采用机制砂替代天然砂成为新的研发方向。由于机制砂性能参数可控，因此，通过调配原料比例能够得到预设性能的自密实混凝土。

现有的自密实混凝土配合比设计方法涉及的指标侧重在胶凝材料、浆体等混凝土综合范围内，对机制砂自密实混凝土的调控范围有限，不能满足要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，通过定量设计提高自密实混凝土的性能调控范围。

为实现此技术目的，本发明采用如下方案：

机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，按如下步骤进行：

S1、选择混凝土原料：水泥选用低碱P.O.42.5水泥，粗骨料粒径需小于16mm，减水剂使用聚羧酸减水剂，还需要加入引气剂和膨胀剂；

S2、以预拌混凝土、C50混凝土的经验数据为基础，确定并建立水胶比与混凝土强度之间的函数关系，计算出配制自密实混凝土所需的水胶比；

S3、根据天然砂和机制砂的粒级分布情况，进行混合砂的复配模拟试验，初步选定天然砂和机制砂的质量比；

S4、根据机制砂自密实混凝土的工作性能、力学性能和抗渗性能，并与河砂自密实混凝土对比，得出机制砂的石粉含量、细度模数、MB值对高性能自密实混凝土的最佳控制范围；

S5、根据单方胶凝材料用量、砂率、机制砂与天然砂质量比、粉煤灰与矿渣粉比例这四个因素对混凝土抗压强度和自密实性能的影响规律，确定满足实际工程的配合比，根据施工现场条件和混凝土成本进一步优化配合比；

S6、混凝土浇筑施工。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1. 本方法能够通过试验分析，获得了机制砂石粉含量、细度模数等关键参数对自密实混凝土的影响规律和最佳控制范围；

2. 本方法通过制砂原材料选择、制砂机参数调整等措施，生产出的机制砂具有粒形良好，针片状含量少，含泥量少等特点，石粉含量与细度模数在最佳控制范围，MB值＜1.4；

3.本方法通过混凝土原材料优选并结合机制砂生产过程有效控制机制砂石粉含量、细度模数及MB值。

本发明的优选方案为：

水胶比与抗压强度之间的函数关系式为

，式中，

——混凝土标准养护28d的抗压强度，MPa；

——混凝土的水胶比，其中

为混凝土的单方用水量，

为混凝土单方胶凝材料用量。

机制砂细度模数在2.3~2.5之间。

自密实混凝土水胶比选取为0.30~0.35。

浆体百分率选取为0.3~0.35，浆骨料体积比选取为0.43~0.54，胶材选用540~580kg/m³，砂率选取为53%~54%；粉煤灰掺量≤30%。

附图说明

图1为本发明实施例提供的工艺流程图；

图2为本发明实施例提供的水胶比对抗压强度影响关系图。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。

如图1所示，本发明提供的一种机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，按以下步骤进行：

S1、混凝土原材料选择：以预拌混凝土使用的原材料为主，水泥选用低碱P.O.42.5水泥，减少因胶材用量大而增加的碱含量；粗骨料粒径需小于16mm；减水剂使用高性能聚羧酸减水剂，具有高减水率及较长时间的保坍效果；适量加入引气剂、膨胀剂减少混凝土收缩裂缝及内外部气泡。

粗骨料生产采用颚破-圆锥破-反击破“三击破”的方式，减少针片状含量及棱角，机制砂母材为石灰岩，使用三击破生产的碎石作为制砂原材料；还需要使用细骨料，细骨料有天然砂和机制砂两种，其中天然砂选用河北涞水的Ⅱ区中砂，含泥量2.8％，泥块含量0.3％；机制砂选用北京密云的I区粗砂，石粉含量6.8％。

S2、以预拌混凝土、C50混凝土的经验数据为基础，通过试验确定并建立水胶比与混凝土强度之间的函数关系，计算出配制C50自密实混凝土所需的水胶比。

S3、按照天然砂和机制砂的筛分试验结果（粒度分布情况），进行混合砂的复配模拟试验，初步选定复合配制自密实混凝土的两种砂质量比。

确定机制砂关键参数：通过调整制砂机转子速度、外掺石粉等手段生产不同石粉含量与细度模数的机制砂，研究其对自密实混凝土工作性能、力学性能和抗渗性能的影响，并与河砂自密实混凝土对比，依据试验结果得出机制砂的石粉含量、细度模数等关键参数对高性能自密实混凝土的影响规律并提出最佳控制范围，以此指导实际机制砂的生产。

机制砂的各项参数均由人工控制，主要性能参数包括颗粒形状、级配、石粉含量、MB值、细度模数、含泥量和压碎值等。其中石粉含量及细度模数对自密实混凝土性能影响较大。对于高性能自密实混凝土应用机制砂主要存在的技术难点在于大流动度、低收缩、低泌水以及高强、高耐久性的技术要求。

根据天然砂和机制砂这两种砂的筛分试验结果，进行两种砂复配试验和级配模拟，选出混合后满足Ⅱ区中砂的4个比例，两种砂具体的筛分试验结果及级配模拟数据见下表。

C50自密实混凝土配制强度的确定按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)进行，C50混凝土生产标准偏差为4.9MPa，因自密实混凝土强度对影响因素较敏感，且质量控制较为严苛，可在原基础上增加5％强度保证率，计算可得C50自密实混凝土配制强度为61.0MPa。

按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)进行混凝土试配强度试验，以普通C50预拌混凝土配合比(表中3号配合比)为基准，以0.01为间隔增减基准配合比及水胶比进行试验。

根据表中数据可得混凝土28d抗压强度和水胶比的线性关系。利用回归分析拟合一定范围内混凝土水胶比与标养28d抗压强度之间的函数关系曲线，回归系数R2=0.9663，接近于l，函数相关性极高，如图2所示，回归分析得到两者的函数关系如下：

式中，

——混凝土标准养护28d的抗压强度，MPa；

——混凝土的水胶比，其中

为混凝土的单方用水量，

为混凝土单方胶凝材料用量。

将C50自密实混凝土配制强度61.0MPa代入式中进行计算，得C50自密实混凝土的水胶比约为0.318。

对自密实混凝土填充性影响最为显著的是单方胶凝材料用量，坍落度和扩展度指标中各因素的影响次序表现基本相当。增加单方胶凝材料用量，混凝土中形成的浆体会变多且塑性粘度变大；同时能使更多的骨料颗粒悬浮于浆体中，减少了骨料颗粒之间的接触，骨料间摩擦减小从而降低混凝土拌合物的屈服剪切应力，对其填充性能有利。

（1）石粉含量

机制砂中粒径小于0.075mm的颗粒称作石粉，机制砂中的如果含有适量的石粉，对于其使用是有利的，但是对石粉的含量有着严格的要求，一般对石粉含量标准是Ⅰ类砂≤5.0%，Ⅱ类砂≤7.0%，Ⅲ类砂≤10.0%。机制砂的石粉含量等级有3%、5%、7%，和天然河砂的含泥量相比放宽了2%。为了防止机制砂在加工过程中因各种因素掺入过量泥土，在建筑用砂使用中，机制砂须经过亚甲蓝MB值的检验，合格机制砂石粉含量应按照3%、5%、7%来控制使用。在机制砂洗净的条件下通过外掺石粉的措施控制石粉含量，获得石粉含量分别为3%、5%、7%、9%及11%的机制砂。

（2）细度模数

通过调整制砂机转子速度，调整筛网尺寸、进料粒径、进料量等方法获得细度模数分别为2.1、2.3、2.5、2.7、2.9的机制砂。机制砂混凝土工作性呈现先变好后变差的趋势。机制砂混凝土早期强度与细度模数没有明显关系，但后期（28d、56d）抗压强度随机制砂细度模数增加先增加后降低；随着细度模数的增加，混凝土抗渗性能呈现出下降趋势。配制C50高性能自密实混凝土时，机制砂细度模数宜在2.3~2.5之间。

（3）MB值

MB值控制在1.4以下，过量的泥粉（MB值过大）对机制砂混凝土不利。

S4，机制砂关键参数控制措施：通过对若干参数进行控制，保证机制砂的粉含量、细度模数及MB值在最佳范围。

（1）经过颚式破碎机及反击式破碎机生产出的超粒径碎石，大于3cm粒径作为制砂原料进行二次精加工，将二次反击破碎出的机制砂废弃，以降低机制砂含泥量，减小MB值。

（2）彻底清除表层植被及植物根茎，增大颚式破碎机除泥板间距，避开雨天施工，减少原材料含泥量及含水量，降低机制砂含泥量。

（3）通过调整制砂机转子速度来调节机制砂石粉含量及细度模数，当石粉含量过高时将转速调小，以减少机制砂在生产过程中撞击的次数，从而减少 75μm 以下颗粒的产生，当细度模数过大时应将转速调大。

（4）在二次破碎反击破和制砂机出料口位置安装除尘设备，通过控制除尘设备吸尘口径实现对石粉含量的动态控制。

（5）优化炮眼布局，将炮眼间距适当增大，可提高爆破后块石的完整性，降低石粉含量。

（6）进料粒径、进料量、线速度及所用砂石原料特性与细度模数有直接关系，当细度模数过大时，采取减小进料粒径，适当降低进料量和线速度等措施来降低机制砂细度模数。

（7）当细度模数过大时，适当减小方孔筛网尺寸降低机制砂细度模数，但筛网尺寸不宜过小，避免造成筛分产量偏小、沙粒过度破碎、石粉含量偏高等不利影响。

S5、根据单方胶凝材料用量、砂率、机制砂与天然砂比例、粉煤灰与矿渣粉比例这四个因素对混凝土抗压强度和自密实性能的影响规律，确定满足实际需要的C50自密实混凝土配合比，结合施工现场条件和预拌混凝土成本进一步优化配合比。

混凝土配合比设计，包括以下几个方面：

（1）配合比设计原则：通过外加剂、粉体材料和粗细骨料的选择、搭配和配合比设计，使混凝土的屈服应力减小到可以被自重产生的剪应力所克服，同时塑性黏度增强，避免出现泌水和离析问题，并使自密实混凝土具有良好的流动性能，可以自由流淌并充分填充模板内的封闭空间，形成均匀密实的稳定结构。

（2）配合比设计有4个关键参数：水胶比、浆骨比、砂率和矿物掺合料用量。

C50机制砂高性能自密实混凝土水胶比选取为0.30~0.35；浆体百分率选取为0.3~0.35，浆骨料体积比选取为0.43~0.54；胶材选用540~580kg/m³，砂率选取为53%~54%；粉煤灰掺量不大于30%。

（3）配合比设计方案根据机制砂高性能自密实混凝土配制要求和设计思路，结合配合比设计参数的选择原则，采用单掺粉煤灰的胶材配制方式设计混凝土配合比。

（4）确定合适的配合比之后，严格按照配合比方案进行生产。

试拌时，使用符合要求的原材料，机制砂石粉含量7%，细度模数为2.3，最佳配合比为胶材总量540kg/m³、水泥与粉煤灰比例为1.8:1、砂率54%、外加剂掺量1.6%、用水量172kg/m³，配制出的混凝土28d抗压强度为45.2MPa、56d电通量为680库伦。

生产时，确保搅拌设备和计量设备满足相关标准要求，确保计量误差满足要求，胶凝材料、水、聚羧酸减水剂单盘计量误差小于1%，单盘骨料计量误差小于2%；要想保证混凝土质量符合要求，其搅拌时间至少为90s。

S6、混凝土施工；在浇筑混凝土之前，首先应该对模板及其支护进行检查，确保模板的刚度与稳定度，保证模板表面光滑润湿，确保模板不漏浆；浇筑过程中应该控制好传输泵的传输速度，避免因空气进入到传输泵中，造成混凝土表面存在气泡；对该工程的混凝土浇筑总量进行计算后，确定每小时浇筑混凝土总量为36m³。

混凝土浇筑施工过程中，确保混凝土生产供应和泵送施工持续进行，混凝土生产供应速度应和泵送施工速度高度配合，避免泵送浇筑间歇时间过长造成输送泵堵管和混凝土结构施工冷缝，避免混凝土到达施工现场等待时间过长、坍落度损失而改变混凝土性能。尽最大可能减小泵送管道混凝土出口处与混凝土浇筑面的高程差，避免了混凝土出现沉降、分层现象；混凝土泵送浇筑过程中，严禁向混凝土搅拌运输车或泵车中加水或其它任何物料。

在完成混凝土浇筑之后，混凝土终凝时，采取养护措施：混凝土浇筑完成之后在其表面覆盖了一层毛毡，起到保温作用的同时，还能减缓混凝土表面热量散发速率，减小混凝土结构内外温差而产生的温度应力。同时，还需要进行洒水养护，根据混凝土凝结时间的长短及天气情况，调整洒水频率，确保混凝土表面不失水长期处于潮湿状态。高强自密实混凝土应延长养护时间和模板拆除时间。

由于机制砂棱角尖锐、表面粗糙且石粉含量高，因此在配制普通机制砂砂浆时，有需水量大、保水性差、易泌水和离析等缺点，但通过复掺硅灰和粉煤灰有效改善其泌水现象，且能提高其强度；也可通过复掺矿渣和石灰石粉的方法配制机制砂砂浆，得到稠度、保水性和强度均优于粉煤灰和石灰石粉复掺的砂浆。在配制高强机制砂砂浆时，机制砂中石粉的含量不仅会影响用水量的使用，而且还会改变砂浆的早期力学性能和工作性能，当石粉含量大于5%时，大幅度提高高强机制砂砂浆的塑性黏度并且对其屈服应力也有较大影响。目前，JGJ/T 98—2010《砌筑砂浆配合比设计规程》不能较好的满足高强自密实砂浆的特性，在配制机制砂高强自密实砂浆方面尚未有明确的配合比计算公式。

在固定砂石体积法和全计算方法基础上，对水用量计算式进行、系数修正，同时复掺粉煤灰和硅灰制备出工作性能良好的机制砂高强自密实砂浆，并对该砂浆的力学性能和微观结构进行研究，为今后在实际工程中应用提供参考。

最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的优选实施例，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选择混凝土原料：水泥选用低碱P.O.42.5水泥，粗骨料粒径需小于16mm，减水剂使用聚羧酸减水剂，还需要加入引气剂和膨胀剂；

S2、以预拌混凝土、C50混凝土的经验数据为基础，确定并建立水胶比与混凝土强度之间的函数关系，计算出配制自密实混凝土所需的水胶比；

S3、根据天然砂和机制砂的粒级分布情况，进行混合砂的复配模拟试验，初步选定天然砂和机制砂的质量比；

S4、根据机制砂自密实混凝土的工作性能、力学性能和抗渗性能，并与河砂自密实混凝土对比，得出机制砂的石粉含量、细度模数、MB值对高性能自密实混凝土的最佳控制范围；

S5、根据单方胶凝材料用量、砂率、机制砂与天然砂质量比、粉煤灰与矿渣粉比例这四个因素对混凝土抗压强度和自密实性能的影响规律，确定满足实际工程的配合比，根据施工现场条件和混凝土成本进一步优化配合比；

S6、混凝土浇筑施工。

2.根据权利要求1所述的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，水胶比与抗压强度之间的函数关系式为

，式中，

——混凝土标准养护28d的抗压强度，MPa；

——混凝土的水胶比，其中

为混凝土的单方用水量，

为混凝土单方胶凝材料用量。

3.根据权利要求1所述的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，机制砂细度模数在2.3~2.5之间。

4.根据权利要求1所述的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，自密实混凝土水胶比选取为0.30~0.35。

5.根据权利要求1所述的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，浆体百分率选取为0.3~0.35，浆骨料体积比选取为0.43~0.54，胶材选用540~580kg/m³，砂率选取为53%~54%；粉煤灰掺量≤30%。

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