合理砂率对混凝土配合比设计影响有多大?
1、引言
合理的砂率，骨料总体级配好、空隙率小，能赋予混凝土更好的和易性与节约胶凝材料浆进而提高混凝土的体积稳定性；合理的砂率，能赋予骨料与水泥石恰如其分的胶结面，提高混凝土强度。因此，砂率对混凝土的性能及经济性十分重要。特殊施工方法的自密实混凝土、喷射混凝土等砂率选择有其特殊性，应按相应的规则进行选择。本文只述及适用于坍落度为10～60mm的低塑性、塑性混凝土的几种砂率的选择方法，并指出各自优缺点。
2、合理砂率选择方法
2.1 试验法
2.1.1 试验法的基本方法
普通混凝土配合比设计时，由混凝土设计强度与耐久性要求确定初步水胶比；由混凝土拌合物设计和易性根据“恒定用水量法则”按查表法或根据经验确定初步用水量。试验探求合理砂率时，水胶比采用初步水胶比、用水量采用初步用水量，再根据经验选择至少五组以上的砂率（砂率组距可取0.8%～1.0%），拌制成拌合物，测出每组拌合物的和易性。绘制砂率与坍落度的关系曲线（见图1，曲线的虚线部分表示拌合物粘聚性、保水性差）。
从图1中定出拌合物粘聚性、保水性好，坍落度最大所对应的砂率，即为合理砂率。若图1中合理砂率所对应的坍落度小于坍落度设计值，则将合理砂率适当减小（通常减小不大于1个组距）（将图1的合理砂率适当左移），以降低砂率获得坍落度的提高；若合理砂率所对应的坍落度大于设计值，则将合理砂率适当增大（将合理砂率适当右移）或减少胶凝材料浆用量以节约胶凝材料。
2.1.2 试验法的优缺点
试验是研究混凝土技术的基本方法。采用混凝土的原材料，利用试验方法获得的合理砂率，涵盖了原材料性能对合理砂率选择的影响因素，获得的合理砂率可直接用于混凝土配合比设计，适用性强，这是试验法最显著的优点。同时，根据确定合理砂率的试验，可掌握应用具体原材料时砂率对混凝土性能（这里主要指和易性）的影响规律，在混凝土性能检验与调整时可利用该规律调整砂率以最终满足混凝土的性能。
缺点是：比较麻烦，且应注意每次试验时原材料取样的代表性、称量的准确性、操作的规范性与一致性，否则，试验结果的重复性和再现性差。
2.2 查表法
2.2.1 查表选择砂率
JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中，当已知混凝土的水胶比与石子的最大公称粒径，可由表1查得合理砂率。
表1揭示了水胶比、石子最大公称粒径影响合理砂率选择的规律性，对于实践经验较少的人员，该表具有很好的导向作用。表1只给出了查合理砂率的两项约束条件（水胶比与石子的最大公称粒径），理论上，按两项约束条件查得的合理砂率不会因人而异（取区间值的中间值）。但仅按两项约束条件查得的合理砂率配制混凝土，会发现混凝土的性能并非能达到预期的技术经济效果。
究其原因，两项约束条件只是影响合理砂率选择的主要因素，其背后还隐藏着丰富的影响因子。对于骨料而言，约束条件石子的最大公称粒径只是影响合理砂率的主要因素之一，砂石骨料的粒形、表面状态、级配、细粉含量、含泥量都影响合理砂率的选择。砂石骨料的粒形接近球形、少棱角、表面致密光滑、针片状颗粒含量少、级配良好，合理砂率可选表1中区间值的下限值或略低于下限值，以获得混凝土的经济性；反之，可取上限值或略高于上限值，以获得混凝土的技术性。水胶比影响砂率的选择，水泥与掺合料的品种、掺合料的掺量、胶凝材料的整体细度与级配也影响合理砂率的选择。采用普通水泥或矿渣水泥、掺入具有减水作用的粉煤灰作为掺合料、掺合料的掺量适当，砂率可靠近区间值的下限值选取。
2.2.2 查表选择砂率的优缺点
显然，查表法的优点是：直观、明了、简单，可为混凝土初步（理论）配合比设计时提供初选砂率，也可为试验法等其它方法提供砂率的大致选择范围，以减少试验法等选择砂率的盲目性。查表法的缺点已在上述内容中涵盖，不重复。
2.3 计算法
2.3.1 砂率计算公式的推导
根据“填充包裹原理”即可计算合理砂率。设满足混凝土填充包裹要求砂用量为ms，石子用量为mg，由混凝土“填充包裹原理”可得：
2.3.2 计算法的优缺点
计算法的优点是：按“砂石填充包裹原理”计算合理砂率理论较严谨；计算法间接地考虑了砂石的整体级配，比查表法显得优越；计算法所涉及的砂石性能参数也不多，简便易行；从计算法的原理与合理砂率推导过程来看，合理砂率与混凝土的水胶比、石子最大公称粒径等无关，也未涉及到砂石的粒形、级配等性能，计算法适用性广。
但用计算得到的砂率配制混凝土也非十全十美，说明计算法也有自身的缺点，表现在：“砂石填充包裹原理”仅考虑了混凝土各组成材料的填充包裹要求，显然这是必需的，但未考虑为获得混凝土设计要求的技术经济性，砂率与水胶比、砂率与石子最大公称粒径、砂率与砂石级配、砂率与砂石细粉（通常指粒径小于160μm）含量等对混凝土性能影响的联动性，这是计算法的最大缺点；拨开系数K的取值也是人为的，经验性强，其取值大小直接决定计算所得砂率是否合理；同一砂石，即使在完全相同的试验条件下，由于单个砂石粒形的多样性及粒径分布非均匀性等原因，不同试验中砂石的嵌固、填充效果不一样，使得按JGJ52-2006《普通混凝土用砂，石质量及检验方法标准》，普通密度测定值有偏差，进而使得计算得到的合理砂率有偏颇。
2.4 砂石整体级配法
2.4.1 砂石整体级配法选择合理砂率的基本思路
在技术规程或标准中，没有“砂石整体级配法”这个术语，是笔者姑且的称法。一些技术人员往往仅强调砂、石各自的级配，而忽视了砂、石混合料的整体级配。实际上，考虑到混凝土的经济性和体积稳定性，需要用少量胶凝材料浆把尽可能多的粗、细骨料颗粒空隙填充并将它们粘结在一起，这意味着骨料应具有从砂到石子的连续分布的颗粒群，以减少混合后的空隙。亦即，混凝土除需考虑粗、细骨料独自的级配外，还应考虑粗、细骨料整体的级配。
砂石整体级配法计算合理砂率的基本思想是：
砂石混合料堆积密度最大时砂石混合料的整体级配最好。具体做法是：①根据混凝土设计的和易性、强度等，结合砂石的性能检测指标，初步经验选取5组以上的砂率值；②将每组砂率换算成砂石比；③按砂石比将砂石混合均匀，测出砂石混合料的堆积密度；④绘制砂率（砂石比）与砂石混合料堆积密度关系曲线（图2）；⑤从关系曲线上找出堆积密度最大所对应的砂率（砂石比），即为合理砂率。
砂石混合不均匀会导致砂石整体级配失真，因此，砂石整体级配法的关键是将砂石混合均匀。试验发现，若将砂石混合料直接在钢板上混合，会出现砂沉底现象导致混合不均匀，用铁铲装料时铁铲周围会出现流砂现象也会导致混合不均匀。
同时还发现，砂石混合料越少，砂石分离沉底现象越严重。这些现象致使测得的砂石堆积密度重现性差。为使砂石混合尽量均匀，以用砂石混合料的堆积密度反映砂石的整体级配，我们采用如下的混合装料方法：
①采用30L的容量筒（内径360mm、净高H=294mm）,称空筒的重量，记为G0，并将容量筒固定在混凝土振动台上；
②将砂石料分三层装入称容量筒。装第一层时，先称取小于10L（约7L）石子的重量，再按砂石比称取砂，将砂石交替倒入容量筒，并用镘刀将砂石稍稍翻拌，开动振动台，振30S；再如法装第二层与第三层（第二、三层只翻拌本层混合料）；
③第三层振毕后，仔细整平表面，量取砂石表面距筒顶的距离h；
④称筒与混合料的重量，计为G1；
⑤按式（5）计算砂石混合料的堆积密度ρ′
采用以上砂石混合料装料方法，减弱了混合不均匀导致砂石整体级配失真的影响，且混合料的堆积密度重现性较好。
从图2看出，砂率小于合理砂率时，随砂率增大，砂石混合料堆积密度增大，当砂率增大至合理砂率值时，堆积密度达到最大值；砂率大于合理砂率且增大时，堆积密度变化微小。亦即砂率有“饱和点”现象，合理砂率即为“饱和点”。可以这样理解，合理砂率时，砂刚好填满石子的空隙，使石子空隙达到“饱和状态”。
理论上，按合理砂率将砂石混合，砂石混合料整体级配最优，填充其所需的胶凝材料浆最少，骨架作用也越强。然而，混凝土的形成既需各组成材料的相互填充，还需相互包裹。砂浆除填满石子的空隙外，还需在石子表面形成足够的砂浆层，以赋予混凝土拌合物的流动性与胶结性。
因此，按合理砂率拌制混凝土，拌合物流动性小、干涩、离析，现场试拌的试验结果也证实了这种现象。为获得较好的和易性，通常在合理砂率的基础上结合砂石性能情况再增加约5%～8%。比如，合理砂率为29.3%，可取29.3%+6%=35.3%。
2.4.2 砂石整体级配法选择砂率的优缺点
砂石整体级配法的最大优点，就是考虑了砂石混合料的整体级配，它克服了仅单独考虑砂石各自级配的某些缺点，将砂石级配衔接起来，同时为砂石级配与胶凝材料级配的衔接起桥梁作用。关于它的其它优点及缺点，类似于计算法。
3、适宜条件
相比较而言，查表法适合于砂石级配良好（特别是石子）时选择合理砂率；其它方法不管砂石级配是否良好都可用于选择合理砂率。以上的选择合理砂率方法，都有自身的优缺点，在使用时，可根据混凝土原材料情况、混凝土设计性能要求，弥补缺点、发挥优点。
4、结语
⑴ 介绍的几种合理砂率选择方法均可用于混凝土配合比设计。应用时，应扬长避短，综合考虑影响合理砂率选择的因素，较准确地选择合理砂率，以达到混凝土的技术经济性。混凝土技术的试验与实践性强，无论采用何种方法选择合理砂率，最终需进行现场试拌检验与调整。
⑵ 涉及到合理砂率选择的边界条件十分复杂，原材料的性能、混凝土的设计性能、操作的熟料程度、甚至外界温湿度等条件都影响合理砂率的选择，加之影响合理砂率选择的条件经常在变化且相互制约，使合理砂率的选择在遵循一定的基本方法外还需依赖丰富的实践经验。
⑶ 各种合理砂率的选择方法并非相互独立。比如，可用查表法、计算法获得的合理砂率为试验法、砂石整体级配法提供砂率的选择基准，试验法、砂石整体级配法也可反过来验证查表法、计算法的准确性。
