粵西地區(qū)花崗巖機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)及修正砂率研究

宋宏偉，何磊，王浩，張雨雷

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

顆粒級(jí)配對(duì)瀝青混合料[1]、土、水泥[2]、砂漿[3]和混凝土[4]等性能的影響已有眾多研究成果，但對(duì)于機(jī)制砂混凝土，規(guī)范中要求的仍有一定的局限性，并沒有考慮諸如巖性、粒型等不同對(duì)顆粒級(jí)配[5-10]的影響，也沒有給出明確的指示。而顆粒級(jí)配對(duì)混凝土的和易性、施工便利性以及最終強(qiáng)度等有重要的影響，僅僅按照規(guī)范要求去配制，混凝土的工作性[11]差強(qiáng)人意。

本文基于實(shí)體項(xiàng)目中使用到的花崗巖機(jī)制砂，參考GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》中對(duì)機(jī)制砂級(jí)配的要求，通過試驗(yàn)縮小其取值范圍，確定合理的花崗巖機(jī)制砂級(jí)配區(qū)間。同時(shí)提出一種修正現(xiàn)有配合比的方法，來考慮細(xì)度模數(shù)[12]與石粉含量對(duì)花崗巖機(jī)制砂混凝土配合比的影響，其修正關(guān)系清晰。通過上面的研究并在室內(nèi)及現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)，以解決在實(shí)際生產(chǎn)過程中機(jī)制砂混凝土工作性能欠佳的問題，期望改善花崗巖機(jī)制砂混凝土的工作性能，為花崗巖機(jī)制砂混凝土的工程推廣積累經(jīng)驗(yàn)。

1 原材料特性

水泥：廉江市豐誠水泥有限公司的P.O42.5水泥。

粗集料：廉江市石嶺采石場5～16 mm（含泥量0.4%）、16～31.5 mm（含泥量0.3%）碎石，摻配比例為各占50%。

減水劑：山西康特爾精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)的KTPCA聚羧酸系高性能減水劑，減水率為27%。

細(xì)集料：廉江市石嶺采石場機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.18～2.58，壓碎值22.1%，MB值為0.6。廉江市青平砂場河砂，細(xì)度模數(shù)2.22～2.86，含泥量2.0%。

2 細(xì)度模數(shù)

2.1 級(jí)配的影響

通過對(duì)30組機(jī)制砂與15組河砂進(jìn)行篩分試驗(yàn)，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)在2.58～3.18，主要集中在2.80左右，河砂細(xì)度模數(shù)在2.22～2.86，主要集中在2.40左右，依據(jù)《建設(shè)用砂》規(guī)范，河砂與機(jī)制砂定性為中砂（2.3～3.0）。

為了便于確定機(jī)制砂與河砂的級(jí)配是否良好，本次對(duì)于級(jí)配的分析從分計(jì)篩余百分率入手，通過幾組機(jī)制砂與河砂代表組、規(guī)范中值的對(duì)比，來分析級(jí)配的狀況（見圖1）。

圖1 分計(jì)篩余百分率曲線圖Fig.1 The curve of percentage retained

通過圖1中機(jī)制砂（6組）與河砂（5組）分計(jì)篩余百分率對(duì)比規(guī)范中值，可以看出機(jī)制砂存在明顯的“兩頭大，中間小”的通病，機(jī)制砂的級(jí)配在1.18 mm以上顆粒含量比較高，0.075～0.60 mm檔顆粒含量較少；河砂大部分級(jí)配在規(guī)范中值附近，0.075～0.30 mm檔顆粒含量較少，有少部分河砂級(jí)配同機(jī)制砂類似，級(jí)配在1.18 mm以上顆粒含量比較高，0.075～0.60 mm檔顆粒含量較少，經(jīng)過追蹤發(fā)現(xiàn)這些河砂一般含泥量比較高，采取水洗法降低含泥量，在水洗的過程中0.075～0.30 mm檔顆粒含量減少，級(jí)配變差。

結(jié)合規(guī)范通過細(xì)度模數(shù)確定機(jī)制砂屬于中砂，細(xì)度模數(shù)一般在2.8左右，根據(jù)以往河砂的使用經(jīng)驗(yàn)，河砂細(xì)度模數(shù)在2.8左右時(shí)混凝土的狀態(tài)一般偏好。但機(jī)制砂的使用卻并不如想象中的樂觀。通過分析下面各篩孔分計(jì)篩余與細(xì)度模數(shù)的關(guān)系，來解釋可能出現(xiàn)這種狀況的原因。

對(duì)于計(jì)算細(xì)度模數(shù)的各級(jí)篩孔分計(jì)篩余α，分別進(jìn)行每級(jí)與細(xì)度模數(shù)的回歸分析，回歸公式：

式中：Mx為機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)；α為各級(jí)篩分計(jì)篩余百分率，%；C1、C0為回歸常數(shù)。

對(duì)試樣細(xì)度模數(shù)與各篩孔分計(jì)篩余進(jìn)行回歸分析，相關(guān)系數(shù)R在0.80以上者有4個(gè)粒級(jí)，其中具有正相關(guān)關(guān)系的為2.36 mm與1.18 mm粒級(jí)的分計(jì)篩余，具有負(fù)相關(guān)關(guān)系的是0.30 mm和0.15 mm粒級(jí)。見表1。

表1 各級(jí)篩孔分計(jì)篩余與細(xì)度模數(shù)回歸統(tǒng)計(jì)Table 1 Regression statistics of percentage retained and fineness modulus of sieve holes at all levels

通過調(diào)整某一檔的篩余質(zhì)量以增加60%、減少60%，其余檔的篩余質(zhì)量保持不變，研究細(xì)度模數(shù)的變化（見圖2），發(fā)現(xiàn)4.75 mm檔與0.60 mm檔對(duì)細(xì)度模數(shù)影響很小，而2.36 mm、1.18 mm檔篩余質(zhì)量減少細(xì)度模數(shù)降低，增加則細(xì)度模數(shù)增大，與0.30 mm、0.15 mm檔對(duì)應(yīng)相反，這兩檔篩余質(zhì)量減少細(xì)度模數(shù)增長，增加則對(duì)應(yīng)細(xì)度模數(shù)減少；這與上面做的回歸分析的結(jié)果是一致的。變化幅度為0.30 mm檔小于0.15 mm檔，2.36 mm檔大于1.18 mm檔，呈反對(duì)稱的蝴蝶形，通過圖2還可以發(fā)現(xiàn)2.36 mm檔對(duì)減少比增加敏感?？梢酝ㄟ^對(duì)2.36 mm、1.18 mm、0.30 mm和0.15 mm的篩余百分率進(jìn)行調(diào)整來指導(dǎo)機(jī)制砂生產(chǎn)中細(xì)度模數(shù)的控制。

圖2 機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)與各粒徑含量調(diào)整關(guān)系Fig.2 Adjustment relationship between FM of MMS and content of each particle size

2.2 石粉的影響

石粉是石頭粉末的通稱，本文定義為機(jī)制砂中粒徑0.075 mm以下的成分。以規(guī)范中值作為基準(zhǔn)，在保證石粉（0.075 mm）以上粒徑比例保持不變的情況下，通過調(diào)整石粉在機(jī)制砂中的比例，可以明顯發(fā)現(xiàn)石粉含量每增加10%，細(xì)度模數(shù)減少近0.3。

在機(jī)制砂生產(chǎn)工藝中，機(jī)制砂是從大顆粒逐步破碎、研磨成較小顆粒的，通過對(duì)2.36 mm、1.18 mm、0.30 mm和0.15 mm的這幾個(gè)粒級(jí)篩余百分率及石粉含量的控制，使成品砂的細(xì)度模數(shù)不產(chǎn)生較大的偏差。

3 混凝土狀態(tài)

根據(jù)《建設(shè)用砂》規(guī)范，機(jī)制砂中值計(jì)算得出1.18 mm以上顆粒占總體質(zhì)量的30%，即粗細(xì)比3:7，根據(jù)不同粗細(xì)比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，通過縮小花崗巖機(jī)制砂級(jí)配區(qū)間，使花崗巖機(jī)制砂混凝土有較好的工作性能。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表2 機(jī)制砂級(jí)配調(diào)整配合比Table 2 Mix proportion of MMS grading adjustment

通過表3可以發(fā)現(xiàn)，河砂配制的混凝土強(qiáng)度較機(jī)制砂配制的混凝土強(qiáng)度小5 MPa左右，同時(shí)其含氣量要高于機(jī)制砂1%～2%，河砂中增加8%石粉可以增加強(qiáng)度，同時(shí)可略微提高混凝土坍落度減少泌水，也可能是8%石粉提高漿體的流動(dòng)能力起到潤滑的效果。通過對(duì)混凝土泌水性等工作性指標(biāo)判斷，細(xì)集料粗細(xì)比在3:7～5:5間的混凝土狀態(tài)較好。粗細(xì)比大于5:5后混凝土泌水量增加，坍落度與擴(kuò)展度降低明顯，工作性較差，強(qiáng)度有下降。

表3 測量數(shù)據(jù)匯總表Table 3 Summary of measurement data

4 修正砂率

本體系配合比設(shè)計(jì)，僅對(duì)砂率進(jìn)行修正，其余相關(guān)參數(shù)如水灰比、用水量和水泥用量等均參照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》。

在確定機(jī)制砂混凝土砂率的過程中增加了對(duì)于機(jī)制砂巖性的考慮，當(dāng)機(jī)制砂巖性波動(dòng)比較大時(shí)，需重新調(diào)整配合比。本次根據(jù)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)、石粉含量給出調(diào)整方向。參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，首先根據(jù)粗集料品種和粒徑、水灰比以及對(duì)坍落度的要求，按常規(guī)方法確定砂率βs，然后再進(jìn)行修正，按水灰比、細(xì)度模數(shù)和石粉含量的修正系數(shù)來修正。對(duì)于不同巖性的機(jī)制砂，應(yīng)該根據(jù)試驗(yàn)作出修正，這里給出花崗巖的水灰比修正經(jīng)驗(yàn)參數(shù)θw，c（見表4）。

表4 水灰比的修正參數(shù)Table 4 Correction parameters of water-cement ratio

本參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的，在保證工作性能相近的前提下，機(jī)制砂要比河砂的砂率提高若干個(gè)百分點(diǎn)。

對(duì)于石粉含量的修正：用一個(gè)基準(zhǔn)的石粉含量（根據(jù)巖性確定）減去當(dāng)前機(jī)制砂的石粉含量，乘以石粉含量的修正系數(shù)θrd，花崗巖的修正經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為12。對(duì)于細(xì)度模數(shù)的修正：將生產(chǎn)的機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)除以機(jī)制砂規(guī)范中值計(jì)算的細(xì)度模數(shù)2.54，加上石粉的修正值，再乘以巖性修正系數(shù)θmx，花崗巖的修正經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為2.5?；◢弾r機(jī)制砂混凝土使用砂率即：

式中：βs，new為機(jī)制砂混凝土修正砂率，%；βs為基準(zhǔn)砂率，%，通過《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》確定；θw，c、θmx、θrd分別為水灰比、細(xì)度模數(shù)、石粉含量的修正參數(shù)，根據(jù)巖性確定；Mx為機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)；rd為石粉含量；2.54為規(guī)范中值計(jì)算的細(xì)度模數(shù)（其中0.075 mm分計(jì)篩余定為6%，以下為8%）；0.12為根據(jù)試驗(yàn)確定的分界石粉含量。

式（2）中的修正砂率，通過對(duì)水灰比、石粉含量、細(xì)度模數(shù)進(jìn)行修正，修正關(guān)系清晰，修正砂率與水灰比、細(xì)度模數(shù)成正比，與石粉含量成反比，通過6組不同水灰比、石粉含量和細(xì)度模數(shù)（見表5）計(jì)算修正砂率，有較好的使用效果。同時(shí)對(duì)細(xì)度模數(shù)的修正里面可能包含對(duì)于巖性的修正，這里沒有做進(jìn)一步的研究，之后可以通過進(jìn)一步的研究將公式使用范圍擴(kuò)大到不同巖性，來考慮不同巖性對(duì)配合比的影響。

表5 機(jī)制砂砂率室內(nèi)試驗(yàn)的修正參數(shù)Table 5 Correction parameters of laboratory test for sand ratio of MMS

圖3所示構(gòu)件為本項(xiàng)目實(shí)體工程護(hù)欄，由圖可以看出修正砂率的使用，明顯的改善了機(jī)制砂泌水情況，調(diào)整后的外觀雖然有一些氣泡，但整體質(zhì)量較以前有了很大程度的提升，驗(yàn)證了修正砂率在現(xiàn)場使用的適用性?，F(xiàn)場使用機(jī)制砂指標(biāo)與情況見表6。

圖3 機(jī)制砂調(diào)整前后外觀對(duì)比Fig.3 Appearance comparison of MMS before and after adjustment

表6 現(xiàn)場使用機(jī)制砂指標(biāo)與使用情況Table 6 Target and application of MMS on site

5 結(jié)語

本文通過縮小規(guī)范要求的機(jī)制砂級(jí)配取值范圍，改善花崗巖機(jī)制砂泌水情況，同時(shí)提出一種砂率修正方法，得到如下結(jié)論：

1）對(duì)試樣細(xì)度模數(shù)與各篩孔分計(jì)篩余進(jìn)行回歸分析，正相關(guān)關(guān)系的為2.36 mm與1.18 mm粒級(jí)，負(fù)相關(guān)關(guān)系的是0.30 mm和0.15 mm粒級(jí)，相關(guān)系數(shù)在0.80以上，與通過調(diào)整某一檔質(zhì)量得出的結(jié)論一致。同時(shí)發(fā)現(xiàn)2.36 mm檔，對(duì)減少占比較增加占比更敏感。

2）以規(guī)范中值作基準(zhǔn)，保證石粉（0.075 mm）以上粒徑比例不變，發(fā)現(xiàn)石粉含量每增加10%，細(xì)度模數(shù)減少近0.3。在機(jī)制砂生產(chǎn)工藝中，通過對(duì)2.36 mm、1.18 mm、0.30 mm和0.15 mm的這幾個(gè)粒級(jí)篩余百分率及石粉含量的控制，可以使成品砂的細(xì)度模數(shù)得到比較好的控制。

3）同等條件下，河砂配制的混凝土強(qiáng)度較機(jī)制砂的小5 MPa左右，同時(shí)含氣量高1%～2%；河砂中增加8%石粉可以增加強(qiáng)度，同時(shí)提高工作性能。機(jī)制砂細(xì)集料粗細(xì)比大于規(guī)范下限小于5:5的混凝土狀態(tài)較好。粗細(xì)比大于5:5后混凝土泌水量增加，坍落度與擴(kuò)展度降低明顯，工作性較差，強(qiáng)度有下降。

4）提出一種新的砂率修正方法，考慮對(duì)水灰比、石粉含量、細(xì)度模數(shù)對(duì)砂率的影響，修正關(guān)系清晰，使用效果良好。