周明海

(朝阳市喀左县东哨水利服务站，辽宁 朝阳 122300)

目前，将机制砂用于水工混凝土配制的越来越多，而行业内仍以河砂为标准评定机制砂的特性[1-2]。机制砂与天然砂相比具有明显不同，具体如下：①机制砂粒形受机械破碎作用多呈方矩体或三角体，其针片状含量多，颗粒有棱角且表面较粗糙；②机制砂具有较大孔隙率，使得用水量和胶凝材料用量偏高，其石粉吸附性好且石粉含量往往较高；③机制砂细度模数大且级配不良，中间颗粒等有利于大流态混凝土和易性的砂粒含量低。因此，为了适应砂源的改变必须形成科学的配合比设计方法[3]。

近年来，朱效荣等[4]提出了一种数字量化配合比的设计方法即混凝土数字化制备技术，其关键内容主要有2点：①混凝土单位体积用水量包括胶凝材料标准稠度含水、粗骨料饱和面干含水和机制砂压实含水；②确定用水量后，通过控制胶凝材料用量及其活性来保证强度要求。因此，文章利用规范法和数字量化法设计配合比，并对比了两种方法配制的水工混凝土耐久性、力学性能以及和易性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用水泥为大连山水工源生产的P·O 42.5通用硅酸盐水泥，经检测水泥样品的初凝、终凝时间为195min、300min，标稠用水量24.0%，比表面积367.1m2/kg，28d抗折和抗压强度8.9MPa、50.4MPa。

试验所用粉煤灰为大连恒翔生产的Ⅰ级粉煤灰，经检测粉煤灰样品的细度模数22%，需水量比98.0%，28d活性75%，烧失量2.15%。

试验所用矿粉为大石桥市鑫宇生产的S95矿粉，经检测矿粉样品的主要技术指标均符合现行规范要求。

试验所用机制砂有劣质和优质两种类型，经检测机制砂样品的主要技术指标均符合现行标准要求，机制砂主要技术指标和级配，见表1。

表1 机制砂主要技术指标和级配

试验所用粗骨料为凌海盈信生产的石灰岩人工碎石，骨料粒径为5～10mm和10～20mm二级配，混合比例3：7，经检测各项性能指标均符合《水工混凝土施工规范》(DLT 5144-2018)要求。

1.2 试验方法

本试验利用劣质和优质机制砂以及两种配合比设计方法配制C30、C45强度等级的水工混凝土，试验配合比，试验配合比设计，见表2。其中，“SZ”、“GF”代表数字量化法和《水工混凝土配合比设计规程》(DL-T 5330-2015)用方法。

表2 试验配合比设计 kg/m3

续表2 试验配合比设计 kg/m3

试验过程中，水工混凝土扩展度、坍落度、抗压强度以及耐久性能试验严格按照相应的国家规范执行。

2 结果与分析

2.1 对配合比的影响

水工混凝土配合比设计时，数字量化法将水泥用量与强度相结合确定单位强度所需水泥用量，并以单位强度所需的水泥用量与混凝土的配制强度的乘积计算所需要的水泥用量[5]。此外，对于掺合料的取代量利用其活性系数计算确定。

对于单位体积用水量的计算，数字量化法将其划分成骨料和胶凝材料的用水量，前者又细分成粗骨料和细骨料用水量，后者是达到标准稠度时胶凝材料的所需用水量。采用机制砂压实含水量计算细骨料的用水量，以此解决机制砂高吸水率问题[6]。理论上混凝土强度不会受吸在砂开口孔隙中水的影响，而实测压力吸水值涵盖填充于砂子空隙内的水，混凝土强度会受到这一部分水的影响，所以粗骨料饱和面干含水量就是粗骨料的用水量。

针对骨料用量的确定，数字量化法以细骨料的压实密度与1m3粗骨料的空隙体积成绩作为细骨料用量，利用体积法计算粗骨料的用量。若粗骨料级配不合理会导致混凝土配合比中的粗骨料用量随强度等级的增高而减小，胶凝材料用量随强度等级的增高而增大，以及混凝土中砂率过大和粗骨料空隙率偏高[7-8]。

2.2 对混凝土和易性的影响

1)劣质机制砂。通过试配确定两种配合比的劣质机制砂水工混凝土和易性，C30劣质机制砂拌合物和易性，见表3。由表3可知，采用数字量化法计算的配合比能够更快速地配制出符合要求的混凝土，该方法与原材料适应性更好。应用规范法设计的配合比，需要经过多次调整才能保证拌合物流动性，配制的混凝土存在扒底现象，由于吸水率较大用劣质机制砂配制的拌合物具有较大的拌合物经时损失。

表3 C30劣质机制砂拌合物和易性

通过试配确定两种配合比的C45劣质机制砂水工混凝土和易性，C45劣质机制砂拌合物和易性，见表4。结果显示，其包裹性和流动性较好，但黏度过大。经多次调整，两种配合比试配出的拌合物均具有一定的流动性，但规范法配制的混凝土存在扒底现象。

表4 C45劣质机制砂拌合物和易性

2)优质机制砂。采用数字量化配制的C30优质机制砂水工混凝土和易性，C30优质机制砂拌合物和易性，见表5。由表5可知，选用数字量化法一次性配制的C30优质机制砂水工混凝土工作性良好，无需调节就可以达到要求的拌合状态。因此，数字量化法优于规范法配制的拌合物和易性，但规范法也达到了所需的扩展度和坍落度要求[9]。

表5 C30优质机制砂拌合物和易性

采用数字量化配制的C45优质机制砂水工混凝土和易性，C45优质机制砂拌合物和易性，见表6。结果显示，选用两种方法配制的C45优质机制砂水工混凝土和易性良好，状态也很好，无需额外调整就可以达到所要求的流动性。

表6 C45优质机制砂拌合物和易性

综上分析，采用数字量化法设计的配合比水胶比高、砂率大、机制砂用量和单位用水量较高，粗骨料用量少。从和易性角度上，数字量化法配制的水工混凝土具有良好的和易性，特别是对劣质机制砂具有更加明显的优势；规范法配制的水工混凝土和易性较差，极易出现泌水和拔底现象。对于优质机制砂，两种方法配制的水工混凝土均具有较好的和易性，但用数字量化法配制的C30优质机制砂水工混凝土和易性更优。

2.3 对力学性能的影响

1)劣质机制砂。劣质机制砂水工混凝土配合比与抗压强度之间的关系，两种方法配制的劣质机制砂水工混凝土强度，见图1。结果表明，规范法配制的水工混凝土3d、7d、28d抗压强度高于数字量化法。用数字量化法配制的C30、C45水工混凝土28d强度虽然>30MPa、45MPa，但依然小于配制强度，规范法配制的水工混凝土28d强度明显大于配制强度。

(a)C30抗压强度 (b)C45抗压强度

究其原因，测定的机制砂吸水率高于其实际吸水率是导致规范法配制的混凝土强度大于数字量化法的关键原因。对于砂子搅拌骨料预湿环节，在压实过程中不可能排除砂空隙中的所有水分，加之石粉含量高及其吸水作用，特别是劣质机制砂在压实时仍具有较高的空隙率，这些因素都会提高单位体积用水量，从而降低水工混凝土的强度[10]。

2)优质机制砂。优质机制砂水工混凝土配合比与抗压强度之间的关系，两种方法配制的优质机制砂水工混凝土强度，见图2。结果表明，规范法配制的水工混凝土3d、7d、28d抗压强度高于数字量化法。用数字量化法配制的C30、C45水工混凝土28d强度虽然>30MPa、45MPa，但依然小于配制强度，规范法配制的水工混凝土28d强度明显大于配制强度。

(a)C30抗压强度 (b)C45抗压强度

采用两种方法配置的优质机制砂水工混凝土强度变化规律与劣质机制砂基本一致，规范法配制的水工混凝土3d、7d、28d抗压强度高于数字量化法。虽然利用数字量化法计算的优质机制砂水工混凝土的水胶比低于劣质机制砂，但由于石粉含量低，优质机制砂的实际水胶比并不低，用水量虽然少了，但其28d抗压强度依然能够达到配置强度要求[11-12]。

2.4 对体积稳定性的影响

1)劣质机制砂。采用两种方法配制的C30、C45劣质机制砂水工混凝土收缩率，劣质机制砂水工混凝土收缩率，见图3。结果表明，两种设计方法配制的C30劣质机制砂水工混凝土收缩差异不大，究其原因在于拌合物早期失水量和致密性相差较小，虽然数字量化法设计的用水量大，但石粉含量和砂率也较高，实际水胶比相差不明显。由于劣质机制砂具有较高的MB值，利用规范法配制的混凝土和易性较差，很难达到施工要求。若增大水胶比将显著降低强度，并引起干缩值较大等突出问题。

(a)C30收缩率 (b)C45收缩率

两种设计方法配制的C45劣质机制砂水工混凝土收缩差异较大，规范法设计的混凝土收缩明显低于数字量化法，究其原因是数字量化法的粗骨料用量少而砂率较高，浆骨比明显偏大，这大大降低了骨料抑制收缩的效应，导致规范法配制的C45混凝土收缩远小于数字量化法。

2)优质机制砂。采用两种方法配制的C30优质机制砂水工混凝土收缩率，C45优质机制砂水工混凝土收缩率，见图4。结果显示，两种方法配制的C30优质机制砂水工混凝土收缩基本一致，但其收缩率相较于劣质机制砂混凝土明显减小，究其原因是拌合物均质性及和易性良好，水泥石体积减小，优质机制砂表现出明显的优势。

图4 C45优质机制砂水工混凝土收缩率

2.5 对耐久性的影响

1)抗裂性能。采用两种方法配制的C30、C45劣质机制砂水工混凝土抗裂性能，C30、C45劣质机制砂水工混凝土裂缝，见表7。从表7可以看出，两种设计方法配制的C30劣质机制砂水工混凝土抗裂性能相差不大，数字量化法配制的混凝土虽然有两条裂缝，但另一条裂缝较细，这种结果与收缩性试验结果相同。

表7 C30、C45劣质机制砂水工混凝土裂缝

此外，规范法配制的C45劣质机制砂水工混凝土首劣时间晚于数字量化法。高强度等级时，水工混凝土既受干燥收缩和自生收缩作用产生裂缝，由于试验过程中处于干燥炎热的环境下，从而加剧了干燥收缩，由于导热性较差水工混凝土还会出现温度裂缝，并且雷雨天气也会在一定程度上影响开裂性检测数据[13]。水工混凝土开裂敏感性随强度等级的提高而增大，试验结果受不可控的试验环境影响，数据分析比较复杂，未来仍需进一步研究环境条件的控制。

2)抗碳化性能。采用两种方法配制的C30、C45劣质机制砂和优质水工混凝土碳化深度，C30、C45劣质机制砂水工混凝土碳化值，见表8；C30、C45优质机制砂水工混凝土碳化值，见表9。从表8可以看出，规范法配制的C30、C45劣质机制砂水工混凝土碳化深度明显小于数字量化法，虽然两者的矿渣、粉煤灰掺入比例接近，但石粉含量存在明显差异，这使得胶凝材料组成明显不同。所以，可能是由于掺合料的加入降低了混凝土内部的碱性，从而使得碳化加速，但数字量化法配制的水工混凝土强度低于规范法，这也是其抗碳化能力低于规范法的另一原因。

表8 C30、C45劣质机制砂水工混凝土碳化值

表9 C30、C45优质机制砂水工混凝土碳化值

从表9可以看出，采用劣质机制砂配制的水工混凝土碳化深度要高于优质机制砂，表明使用优质机制砂时具有更好的致密度。总体而言，使用数字量化法配制的水工混凝土抗碳化性能低于规范法。

3 结 论

1)采用数字量化法配制的水工混凝土包裹性好，不扒底、不泌水、不离析，该技术对于配制大流态低强度等级劣质机制砂水工混凝土具有明显优势。

2)采用规范法配制的水工混凝土强度明显高于数字量化法，利用数字量化法配制的混凝土28d强度保证率低，而利用规范法配制的各组试样抗压强度具有过大的富裕度。

3)两种设计方法配制的C30水工混凝土抗裂性、收缩性相差不大，但规范法配制的C45混凝土收缩性小于数字量化法，规范法配制的混凝土抗碳化性优于数字量化法。总体而言，对于中低强度劣质机制砂水工混凝土的配制比较适合选用数字量化法；对于较高强度混凝土，数字量化法的抗碳化性能、抗收缩性能较差应谨慎选用。