普通混凝土合理砂率選擇方法1引言砂率指混凝土中砂的用量占砂、石總用量的百分率，是混凝土配合比設(shè)計三個基本參數(shù)之一。砂、石總用量為混凝土骨料用量。骨料用量的多少及砂率的大小直接影響混凝土的性能?？v觀不同性能的普通混凝土，雖然膠凝材料用量及水膠比有大的差異，但骨料用量占混凝土體積量基本保持在70％~80％左右或以上。如此大的骨料用量，對節(jié)約膠凝材料、提高混凝土體積穩(wěn)定性(限制收縮與徐變)和耐磨性等起至關(guān)重要的作用。亦即，混凝土中的骨料用量維持在較高的水平，是有利的，也是研究者所追求的。然而，將骨料用量盡可能維持在較高的水平，只是選擇骨料的技術(shù)手段之一。骨料中砂石用量關(guān)系(用砂率表示)決定骨料總體的級配、空隙率、總表面積、骨架作用等。合理的砂率，骨料總體級配好、空隙率小，能賦予混凝土更好的和易性與節(jié)約膠凝材料漿進而提高混凝土的體積穩(wěn)定性；合理的砂率，能賦予骨料與水泥石恰如其分的膠結(jié)面，提高混凝土強度。因此，砂率對混凝土的性能及經(jīng)濟性十分重要。特殊施工方法的自密實混凝土、噴射混凝土等砂率選擇有其特殊性，應(yīng)按相應(yīng)的規(guī)則進行選擇。本文只述及適用于坍落度為10～60mm的低塑性、塑性混凝土的幾種砂率的選擇方法，并指出各自優(yōu)缺點。2合理砂率的選擇方法2.1試驗法2.1.1試驗法的基本方法普通混凝土配合比設(shè)計時，由混凝土設(shè)計強度與耐久性要求確定初步水膠比；由混凝土拌合物設(shè)計和易性根據(jù)“恒定用水量法則”按查表法或根據(jù)經(jīng)驗確定初步用水量。試驗探求合理砂率時，水膠比采用初步水膠比、用水量采用初步用水量，再根據(jù)經(jīng)驗選擇至少五組以上的砂率(砂率組距可取0.8％～1.0％)，拌制成拌合物，測出每組拌合物的和易性。繪制砂率與坍落度的關(guān)系曲線(見圖1，.曲線的虛線部分表示拌合物粘聚性、保水性差)。從圖1中定出拌合物粘聚性、保水性好，坍落度最大所對應(yīng)的砂率，即為合理砂率。若圖1中合理砂率所對應(yīng)的坍落度小于坍落度設(shè)計值，則將合理砂率適當減小(通常減小不大于1個組距)(將圖1的合理砂率適當左移)，以降低砂率獲得坍落度的提高：若合理砂率所對應(yīng)的坍落度大于設(shè)計值，則將合理砂率適當增大(將合理砂率適當右移)或減少膠凝材料漿用量以節(jié)約膠凝材料。2.1.2試驗法的優(yōu)缺點試驗是研究混凝土技術(shù)的基本方法。采用混凝土的原材料，利用試驗方法獲得的合理砂率，涵蓋了原材料性能對合理砂率選擇的影響因素，獲得的合理砂率可直接用于混凝土配合比設(shè)計，適用性強，這是試驗法最顯著的優(yōu)點。同時，根據(jù)確定合理砂率的試驗，可掌握應(yīng)用具體原材料時砂率對混凝土性能(這里主要指和易性)的影響規(guī)律，在混凝土性能檢驗與調(diào)整時可利用該規(guī)律調(diào)整砂率以最終滿足混凝土的性能。缺點是：比較麻煩，且應(yīng)注意每次試驗時原材料取樣的代表性、稱量的準確性、操作的規(guī)范性與一致性，否則，試驗結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性差。2.2查表法2.2.1查表選擇砂率JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》中，當已知混凝土的水膠比與石子的最火公稱粒徑，可由表1查得合理砂率。表1揭示了水膠比、石子最大公稱粒徑影響合理砂率選擇的規(guī)律性，對于實踐經(jīng)驗較少的人員，該表具有很好的導(dǎo)向作用。表1只給出了查合理砂率的兩項約束條件(水膠比與石子的最大公稱粒徑)，理論上，按兩項約束條件查得的合理砂率不會因人而異(取區(qū)間值的中間值)。但儀按兩項約束條件查得的合理砂率配制混凝土，會發(fā)現(xiàn)混凝土的性能并非能達到預(yù)期的技術(shù)經(jīng)濟效果。究其原因，兩項約束條件只是影響合理砂率選擇的主要因素，其背后還隱藏著豐富的影響因子。對于骨料而言，約束條件石子的最大公稱粒徑只是影響合理砂率的主要因素之一，砂石骨料的粒形、表面狀態(tài)、級配、細粉含量、含泥量都影響合理砂率的選擇。砂石骨料的粒形接近球形、少棱角、表面致密光滑、針片狀顆粒含量少、級配良好，合理砂率可選表1中區(qū)間值的下限值或略低于下限值，以獲得混凝土的經(jīng)濟性；反之，可取上限值或略高于上限值，以獲得混凝土的技術(shù)性。水膠比影響砂率的選擇，水泥與摻合料的品種、摻合料的摻量、膠凝材料的整體細度與級配也影響合理砂率的選擇。采用普通水泥或礦渣水泥、摻入具有減水作用的粉煤灰作為摻合料、摻合料的摻量適當，砂率可靠近區(qū)間值的下限值選取2.2.2查表選擇砂率的優(yōu)缺點顯然，查表法的優(yōu)點是：直觀、明了、簡單，可為混凝土初步(理論)配合比設(shè)計時提供初選砂率，也可為試驗法等其它方法提供砂率的大致選擇范圍，以減少試驗法等選擇砂率的盲目性。查表法的缺點已在上述內(nèi)容中涵蓋，不重復(fù)。2.3計算法2.3.1砂率計算公式的推導(dǎo)根據(jù)“填充包裹原理”即可計算合理砂率。設(shè)滿足混凝土填充包裹要求砂用量為ms，石子用量為mg，由混凝士.填充包裹原理”可得：2.3.2計算法的優(yōu)缺點計算法的優(yōu)點是：按“砂石填充包裹原理”計算合理砂率理論較嚴謹；計算法間接地考慮了砂石的整體級配，比查表法顯得優(yōu)越；計算法所涉及的砂石性能參數(shù)也不多，簡便易行；從計算法的原理與合理砂率推導(dǎo)過程來看，合理砂率與混凝土的水膠比、石子最大公稱粒徑等無關(guān)，也未涉及到砂石的粒形、級配等性能，計算法適用性廣。但用計算得到的砂率配制混凝土也非十全十美，說明計算法也有自身的缺點，表現(xiàn)在：“砂石填充包裹原理”僅考慮了混凝土各組成材料的填充包裹要求，顯然這是必需的，但未考慮為獲得混凝土設(shè)計要求的技術(shù)經(jīng)濟性，砂率與水膠比、砂率與石子最大公稱粒徑、砂率與砂石級配、砂率與砂石細粉(通常指粒徑小于160um)含量等對混凝土性能影響的聯(lián)動性，這是計算法的最大缺點；撥開系數(shù)K的取值也是人為的，經(jīng)驗性強，其取值大小直接決定計算所得砂率是否合理；同一砂石，即使在完全相同的試驗條件下，由于單個砂石粒形的多樣性及粒徑分布非均勻性等原因，不同試驗中砂石的嵌固、填充效果不一樣，使得按JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》測得的砂石堆積密度測定值有偏差，進而使得計算得到的合理砂率有偏頗。2.4砂石整體級配法2.4.1砂石整體級配法選擇合理砂率的基本思路在技術(shù)規(guī)程或標準中，沒有“砂石整體級配法”這個術(shù)語，是筆者姑且的稱法。一些技術(shù)人員往往僅強調(diào)砂、石各自的級配，而忽視了砂、石混合料的整體級配。實際上，考慮到混凝土的經(jīng)濟性和體積穩(wěn)定性，需要用少量膠凝材料漿把盡可能多的粗、細骨料顆?？障短畛洳⑺鼈冋辰Y(jié)在一起，這意味著骨料應(yīng)具有從砂到石子的連續(xù)分布的顆粒群，以減少混合后的空隙。亦即，混凝土除需考慮粗、細骨料獨自的級配外，還應(yīng)考慮粗、細骨料整體的級配。砂石整體級配法計算合理砂率的基本思想是：砂石混合料堆積密度最人時砂石混合料的整體級配最好。具體做法是：①根據(jù)混凝士設(shè)計的和易性、強度等，結(jié)合砂石的性能檢測指標，初步經(jīng)驗選取5組以上的砂率值；②將每組砂率換算成砂石比；③按砂石比將砂石混合均勻，測出砂石混合料的堆積密度；④繪制砂率(砂石比)與砂石混合料堆積密度關(guān)系曲線(圖2)；⑤從關(guān)系曲線上找出堆積密度最大所對應(yīng)的砂率(砂石比，即為合理砂率。砂石混合不均勻會導(dǎo)致砂石整體級配失真，因此，砂石整體級配法的關(guān)鍵是將砂石混合均勻。試驗發(fā)現(xiàn)，若將砂石混合料直接在鋼板上混合，會出現(xiàn)砂沉底現(xiàn)象導(dǎo)致混合不均勻，用鐵鏟裝料時鐵鏟周圍會出現(xiàn)流砂現(xiàn)象也會導(dǎo)致混合不均勻。同時還發(fā)現(xiàn)，砂石混合料越少，砂石分離沉底現(xiàn)象越嚴重。這些現(xiàn)象致使測得的砂石堆積密度重現(xiàn)性差。為使砂石混合盡量均勻，以用砂石混合料的堆積密度反映砂石的整體級配，我們采用如下的混合裝料方法：①采用30L的容量筒(內(nèi)徑360mm、凈高H=294mm)，稱空筒的重量，記為G0并將容量筒固定在混凝土振動臺上；②將砂石料分三層裝入稱容量筒。裝第一層時，先稱取小于10L(約7L)石予的重量，再按砂石比稱取砂，將砂石交替倒入容量筒，并用鏝刀將砂石稍稍翻拌，開動振動臺，振30S；再如法裝第二層與第三層(第二、三層只翻拌本層混合料)；③第三層振畢后，仔細整平表面，量取砂石表面距筒頂?shù)木嚯xh；④稱筒與混合料的重量，計為G1；⑤.按式(5)計算砂石混合料的堆積密度ρ混。采用以上砂石混合料裝料方法，減弱了混合不均勻?qū)е律笆w級配失真的影響，且混合料的堆積密度重現(xiàn)性較好。從圖2看出，砂率小于合理砂率時，隨砂率增人，砂石混合料堆積密度增大，.當砂率增大至合理砂率值時，堆積密度達大到最火值；砂率人于合理砂率值增大時，堆積密度變化微小。亦即砂率有“飽和點”現(xiàn)象，合理砂率即為“飽和點”?？梢赃@樣理解，合理砂率時，砂剛好填滿石子的空隙，使石子空隙達到“飽和狀態(tài)”。理論上，按合理砂率將砂石混合，砂石混合料整體級配最優(yōu)，填充其所需的膠凝材料漿最少，骨架作用也越強。然而，混凝土的形成既需各組成材料的相互填充，還需相互包裹。砂漿除填滿石子的空隙外，還需在石子表面形成足夠的砂漿層，以賦予混凝士拌合物的流動性與膠結(jié)性。因此，按合理砂率拌制混凝士，拌合物流動性小、干澀、離析，現(xiàn)場試拌的試驗結(jié)果也證實了這種現(xiàn)象。為獲得較好的和易性，通常在合理砂率的基礎(chǔ)上結(jié)合砂石性能情況再增加約5％～8％。比如，合理砂率為29.3％，可取29.3％+6％=35.3%2.4.2砂石整體級配法選擇砂率的優(yōu)缺點砂石整體級配法的最大優(yōu)點，就是考慮了砂石混合料的整體級配，它克服了儀單獨考慮砂石各自級配的某些缺點，將砂石級配銜接起來，同時為砂石級配與膠凝材料級配的銜接起橋梁作用。關(guān)于它的其它優(yōu)點及缺點，類似于計算法。3合理砂率選擇方法的適宜條件相比較而言，查表法適合于砂石級配良好(特別是石子)時選擇合理砂率；其它方法不管砂石級配是否良好都可用于選擇合理砂率。以上的選擇合理砂率方法，都有自身的優(yōu)缺點，在使用時，可根據(jù)混凝.土原材料情況、混凝土設(shè)計性能要求，彌補缺點、發(fā)揮優(yōu)點。4結(jié)倍(1)介紹的幾種合理砂率選擇方法均可用于混凝土配合比設(shè)計。應(yīng)用時，應(yīng)揚長避短，綜合考慮影響合理砂率選擇的因素，較準確地選擇合理砂率，以達到混凝土的技術(shù)經(jīng)濟性?；炷良夹g(shù)的試驗與實踐性強，無論采用何種方法選擇合理砂率，最終需進行現(xiàn)場試拌檢驗與調(diào)整