砌筑砂浆的配合比设计优化

【项目描述】

砌筑砂浆的质量主要取决于原材料的质量和原材料的配合比例组成。《桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)规定，砌筑砂浆所用的水泥、砂、水等材料的质量应符合规范相应规定，砂浆的配合比应通过试验确定，当变更砂浆的组成材料时，其配合比应重新试验确定。

本项目为砌筑砂浆的配合比设计。学生通过对相关理论知识的学习，通过完成“给定数据进行配合比计算，分析给定数据指标调整与确定配合比”工作任务的训练，掌握配合比设计的方法步骤。

【学习目标】

①熟悉砌筑砂浆配合比设计方法步骤。

②能根据给定数据完成配合比计算。

1.相关知识

砌筑砂浆配合比设计应满足以下基本要求：

①砂浆拌合物的和易性应满足施工要求。

②砌筑砂浆的强度、耐久性应满足设计要求。

③经济上应合理，水泥、掺合料的用量应较少。

2.砌筑砂浆配合比设计的方法与步骤

1）配合比计算

（1）确定砂浆的试配强度

砂浆的试配强度应按式(12.1)计算。

式中　fm，0——砂浆的试配强度，MPa，精确至0.1 MPa；

f2——砂浆的强度等级值，MPa，精确至0.1 MPa；

k——系数，按表12.1取值。

表12.1　砂浆强度标准差σ及k值

砂浆强度标准差σ的确定。当有统计资料时，标准差应按式(12.2)计算。

式中　fm，i——统计周期内同一品种砂浆第i组试件的强度，MPa；

μfm——统计周期内同一品种砂浆n组试件强度的平均值，MPa；

n——统计周期内同一品种砂浆试件的总组数，n≥25。

当没有近期统计资料时，砂浆现场强度标准差可按表12.1取用。

（2）计算水泥用量

每立方米砂浆中的水泥用量，应按式(12.3)计算。

式中　QC——每立方米砂浆的水泥用量，kg，精确至1 kg；

fce——水泥的实测强度，MPa，精确至0.1 MPa；

α，β——砂浆的特征系数，其中α取3.03，β取-15.09。

在无法取得水泥的实测强度值时，可按式(12.4)计算fce。

式中　fce，k——水泥强度等级对应的强度值；

γc——水泥强度等级值富余系数，该值应按实际统计资料确定，无统计资料时取1.0。

（3）计算石灰膏用量QD

为了改善砂浆的稠度，提高保水性，可掺入石灰膏。每立方米砂浆中石灰膏用量按式(12.5)计算。

式中　QD——每立方米砂浆的石灰膏用量，kg，精确至1 kg，石灰膏使用时的稠度为120±5mm；

QC——每立方米砂浆的水泥用量，kg，精确至1 kg；

QA——每立方米砂浆中水泥和石灰膏的总量，精确至1 kg，可为350 kg。

不同稠度的石灰膏，其用量应按表8.1中的系数进行估算。

（4）确定砂用量QS

每立方米砂浆中的砂用量，应按干燥状态(含水率小于0.5%)的堆积密度值作为计算值(kg)。砂浆中水、胶凝材料和掺合料用来填充砂子的空隙，因此，1 m3砂就构成了1 m3的砂浆。1 m3干燥状态砂子的堆积密度值，也就是1 m3砂浆所用的干砂用量。

（5）确定用水量QW

每立方米砂浆中的用水量，根据砂浆稠度等要求可选用210～310 kg。混合砂浆中的用水量，不包括石灰膏或黏土膏中的水；当采用细砂或粗砂时，用水量分别取上限或下限；稠度小于70 mm时，用水量可小于下限；施工现场气候炎热或干燥季节，可酌量增加用水量。

2）经验选用法

①水泥砂浆试配的材料用量可按表12.2选用。

表12.2　每立方米水泥砂浆材料用量单位：kg/m3

注：①M15及M15以下强度等级水泥砂浆，水泥强度等级为32.5级；M15以上强度等级水泥砂浆，水泥强度等级为42.5级。
②当采用细砂或粗砂时，用水量分别取上限或下限。
③稠度小于70 mm时，用水量可小于下限。
④施工现场气候炎热或干燥季节，可酌量增加用水量。
⑤试配强度按式(12.1)计算。

②水泥粉煤灰砂浆材料用量可按表12.3选用。

表12.3　每立方米水泥粉煤灰砂浆材料用量单位：kg/m3

注：①表中水泥强度等级为32.5级。
②当采用细砂或粗砂时，用水量分别取上限或下限。
③稠度小于70 mm时，用水量可小于下限。
④施工现场气候炎热或干燥季节，可酌量增加用水量。
⑤试配强度按式(12.1)计算。

砂浆掺入粉煤灰后，其早期强度会有所降低，因此水泥与粉煤灰胶凝材料总量比水泥砂浆中水泥用量略高。考虑到水泥中特别是32.5级水泥中会掺入较大量混合材料，为了保证砂浆耐久性，规定粉煤灰掺量不宜超过胶凝材料总量的25%。当掺入矿渣粉等其他活性混合材时，可参照表12.3选用。

3）配合比的试配、调整与确定

（1）试配检验，调整和易性，确定基准配合比

①砂浆试配时搅拌要求。按计算配合比进行试拌，试拌应采用机械搅拌，搅拌时间自加水开始算起，并符合下列规定：

a.水泥砂浆和水泥混合砂浆，搅拌时间不得少于120 s。

b.预拌砂浆和掺有粉煤灰、外加剂、保水增稠剂材料的砂浆，搅拌时间不少于180 s。

②测定拌合物的稠度和保水率，若不满足要求，则调整材料用量，直到符合要求为止，由此得到基准配合比。(www.xing528.com)

（2）砂浆强度调整与配合比确定

为了满足试配强度的要求，检验强度时至少应采用3个不同的配合比，其中一个为基准配合比，另外两个配合比的水泥用量，按基准配合比分别增加和减少10%，在保证稠度、保水率合格的条件下，可将用水量或掺合料用量作相应调整。3组配合比测定表观密度后，分别成型、养护、测定28 d强度，选定符合试配强度要求的且水泥用量最低的配合比作为砂浆试配配合比。

（3）配合比的校正

①根据试配配合比按式(12.6)计算理论表观密度。

式中　ρt——砂浆的理论表观密度值，kg/m3，精确至10 kg/m3。

②按式(12.7)计算砂浆的配合比校正系数δ。

式中　ρc——砂浆的实测表观密度值，kg/m3，精确至10 kg/m3。

③当砂浆的实测表观密度值与理论表观密度值之差的绝对值不超过理论值的2%时，砂浆的试配配合比确定为砂浆设计配合比；当超过2%时，应将试配配合比中每项材料均应乘以校正系数δ后确定为砂浆的设计配合比。

【案例12.1】设计某路基工程浆砌片石用水泥砂浆的配合比。

【设计资料】①已知砂浆强度等级为M10，稠度要求为50～70 mm，施工水平一般。

②原材料：P·S·A 32.5矿渣水泥，没有富余系数统计资料；天然砂。

【设计要求】①计算初步配合比。

②按初步配合比在试验室进行试拌调整得出试配配合比。

③校正试配配合比确定设计配合比。

【设计步骤】1）原材料检验

①P·S·A 32.5矿渣水泥检验结果见表12.4。

表12.4　水泥检验结果

②天然砂检验结果见表12.5。

表12.5　天然砂检验结果

2）配合比设计

（1）计算配合比

①确定试配强度。

fm，0＝kf2＝1.2×10 MPa＝12 MPa

②计算水泥用量QC。

③确定砂用量。砂的堆积密度为1 460 kg/m3，则Qs＝1 460 kg。

④确定用水量。取用水量280 kg。

砂浆的计算配合比为：QC∶QS∶QW＝275∶1 460∶280。

（2）试配检验，确定基准配合比

①按计算配合比试拌3 L，每种材料的用量为：

QC＝275 kg×0.003＝0.825 kg

QS＝1 460 kg×0.003＝4.38 kg

QW＝280 kg×0.003＝0.84 kg

②拌和检验稠度为45 mm，调整用水量为290 kg/m3，再经试拌稠度为57 mm，符合要求，则基准配合比为QC∶QS∶QW＝275∶1 460∶290。

（3）检验强度，得出试配配合比

①以每立方米砂浆水泥用量为248 kg、303 kg，砂、水用量不变，再拌制两组试样，分别测其稠度。

②水泥用量以248 kg为一组，稠度为47 mm，调整用水量为296 kg/m3，再测其稠度为56 mm，符合要求；水泥用量以303 kg为一组，稠度为73 mm，调整用水量为278 kg/m3，再测其稠度为61 mm，符合要求。

③以QC∶QS∶QW＝248∶1 460∶296；QC∶QS∶QW＝275∶1 460∶290；QC∶QS∶QW＝303∶1 460∶278为配合比，成型3组强度试件。

④试件标准条件养护28 d，检验强度，结果见表12.6。

表12.6　水泥砂浆强度检验结果

⑤绘制抗压强度与水泥用量关系图，如图12.1所示。

图12.1　砂浆水泥用量和抗压强度关系图

⑥图上查得强度为12 MPa对应的水泥用量为298 kg。

⑦取每立方米砂浆水泥用量298 kg、砂用量1 460 kg、水用量278 kg，试拌测其稠度为57 mm，符合要求，并测其表观密度ρc为2 085 kg/m3。

则试配配合比为QC∶QS∶QW＝298∶1 460∶278。

（4）校正配合比，确定设计配合比

①根据试配配合比计算理论表观密度。

ρt＝QC＋QS＋QW＝（298＋1 460＋278）kg/m3＝2 036 kg/m3

②2 085-2 036＝49＞2 038×2%＝41

③计算校正系数δ：

δ＝ρc/ρt＝2 085/2 036＝1.02

④每立方米砂浆各材料用量：

QC＝298 kg×1.02＝304 kg

QS＝1 460 kg×1.02＝1 489 kg

Q＝278 kg×1.02＝283 kg

W

⑤砂浆设计配合比为：

QC∶QS∶QW＝304∶1 489∶283＝1∶4.87∶0.92