彭浩，宋少民

（北京建筑大學(xué)，北京 100044）

預(yù)拌混凝土配合比設(shè)計(jì)中骨料級(jí)配的優(yōu)化方法研究

彭浩，宋少民

（北京建筑大學(xué)，北京 100044）

隨著我國工程建設(shè)的大規(guī)模開展，砂石資源消耗量巨大。優(yōu)質(zhì)天然骨料資源已日漸匱乏，而人工砂石從總體上看，質(zhì)量仍較差，混凝土企業(yè)廣泛使用的多是一些低品質(zhì)的骨料。其中配合比設(shè)計(jì)時(shí)粗細(xì)骨料比例不合理會(huì)造成骨料整體上沒有達(dá)到相對(duì)最佳的狀態(tài)，對(duì)新拌混凝土的工作性產(chǎn)生不良影響，同時(shí)降低耐久性以及經(jīng)濟(jì)性。因此，為了保證混凝土質(zhì)量，需要尋求一種科學(xué)、實(shí)用的方法確定砂石合理比例，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土骨料整體級(jí)配的優(yōu)化。在本研究中，利用最大密度曲線，粗糙度—工作性因子優(yōu)化和評(píng)價(jià)混凝土骨料的級(jí)配。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，此技術(shù)效果好，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

最大密度曲線；粗糙度因子；工作性因子；配合比設(shè)計(jì)；骨料級(jí)配優(yōu)化

0 前言

建筑施工要求預(yù)拌混凝土首先應(yīng)該具備良好的工作性?；炷僚浜媳戎泄橇霞?jí)配是影響混凝土工作性的重要原因，良好的顆粒級(jí)配可用較少的用水量制得流動(dòng)性好、離析泌水少的混凝土拌合物，并能在同樣的施工條件下，得到均勻致密、強(qiáng)度較高的混凝土，達(dá)到提高耐久性及降低經(jīng)濟(jì)成本的效果。隨著近年來混凝土的用量不斷增大，優(yōu)質(zhì)的天然骨料資源已日漸匱乏，人工骨料來源渠道相對(duì)較多，品質(zhì)波動(dòng)較大，這更加大了實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)骨料級(jí)配有效控制的難度。

根據(jù)調(diào)研，目前市場(chǎng)上骨料級(jí)配不合格的現(xiàn)象普遍存在（以 2008 年北京抽檢為例，砂不合格率在 70% 以上，石不合格率 56%），嚴(yán)重制約著混凝土的質(zhì)量[1]。因此，對(duì)如何有效地優(yōu)化和控制混凝土骨料級(jí)配進(jìn)行研究是非常必要的。

1 最大密度曲線簡(jiǎn)介

最大密度曲線是目前常用的級(jí)配理論，它主要描述了連續(xù)級(jí)配的粒徑分布，可用于計(jì)算連續(xù)級(jí)配。A.N.Talbol 曲線（即所謂的 n 法）是常用的方法之一，其認(rèn)為骨料的級(jí)配應(yīng)允許在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，故在 Fuller 曲線的基礎(chǔ)上將指數(shù)由0.5 改成 n 次冪的通式[2]。

在此基礎(chǔ)上，20 世紀(jì) 40 年代美國的 Nijboer 指出 n=0.45時(shí)不同級(jí)配的礦料混合可獲得最大密度，60 年代 Goodle、Lutsey 驗(yàn)證認(rèn)為 n=0.45 時(shí)可獲得最大密度，80 年代美國瀝青協(xié)會(huì)（AI）再次驗(yàn)證得出當(dāng) n=0.45 不同的級(jí)配礦料確實(shí)可獲得最大密度?！睹绹?Superpave 混合料設(shè)計(jì)規(guī)范》也規(guī)定骨料級(jí)配指數(shù)應(yīng)取 n=0.45。目前，n=0.45 的最大密度理論已經(jīng)得到世界各國公認(rèn)，尤其是在瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用[3]。故在本研究中同樣采用 n=0.45 的關(guān)系式對(duì)顆粒級(jí)配進(jìn)行評(píng)價(jià)，其關(guān)系式為：

式中：

Pi——各粒級(jí)的通過率，%；

di——各級(jí)顆粒粒徑，mm；

D——最大顆粒粒徑，mm；

以篩孔直徑的 0.45 次冪為橫坐標(biāo)，以骨料的累計(jì)通過率為縱坐標(biāo)建立級(jí)配曲線圖，最大密度曲線在級(jí)配曲線圖上的反映即連接左下角原點(diǎn)（0,0）和右上角（Dmax0.45,100）的直線。

文獻(xiàn) [4] 指出對(duì)于混凝土而言，良好的顆粒級(jí)配大致應(yīng)在此直線 ±7% 的范圍內(nèi)，在此范圍外的級(jí)配組合將導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性差，且會(huì)加大減水劑用量。如圖 1 所示。

圖 1 最大密度級(jí)配曲線（n=0.45）

2 粗糙度—工作性因子簡(jiǎn)介

美國學(xué)者 J. M. Shilstone 教授一直從事混凝土級(jí)配優(yōu)化方面的相關(guān)研究，并于上世紀(jì) 90 年代提出了用粗糙度因子和工作性因子這兩個(gè)參數(shù)來反映顆粒級(jí)配和混凝土工作性能之間的相關(guān)性。通過這兩個(gè)參數(shù)可簡(jiǎn)單、有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土骨料級(jí)配的合理控制，從而優(yōu)化混凝土的工作性[5-6]。其計(jì)算如下。

2.1 粗糙度因子（Workability Factor；CF）

式中：

Q——骨料在 9.5mm 篩子上的累計(jì)篩余百分比，%。

R——骨料在 2.36mm 篩子上的累計(jì)篩余百分比，%。

2.2 工作性因子（Workability Factor；WF）

式中：

W——骨料在 2.36mm 篩子上的通過率，%。

B——每方混凝土中的膠凝材料用量，kg/cm3。

Shilstone 還對(duì)粗糙度因子、工作性因子與混凝土工作性之間的影響關(guān)系做了定性的研究分析，根據(jù)不同的適用情況給出了五個(gè)不同的區(qū)域。鑒于我國預(yù)拌混凝土骨料的最大粒徑均 ≥20mm，因此其粗糙度因子和工作性因子的取值宜在 II區(qū)范圍之內(nèi)。各區(qū)域見圖 2。

圖 2 粗糙度—工作性因子

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)原材料

原材料均為北京通州某攪拌站現(xiàn)有原材料，具體種類及品質(zhì)如下：

（1）水泥：采用北京金隅 P·O42.5 水泥，其主要的性能指標(biāo)見表 1。

表 1 水泥主要性能指標(biāo)

（2）礦粉：采用北京某公司生產(chǎn)的 S95 級(jí)礦粉，主要的性能指標(biāo)見表 2。

表 2 礦粉主要性能指標(biāo)

（3）粉煤灰：采用北京某公司生產(chǎn)的 II 級(jí)粉煤灰，其主要的性能指標(biāo)見表 3。

表 3 粉煤灰主要性能指標(biāo)

（4）細(xì)骨料：進(jìn)場(chǎng)原材料中包括兩種細(xì)骨料，天然河砂及機(jī)制砂。天然砂的細(xì)度模數(shù) 2.3，表觀密度為 2670kg/cm3。機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù) 2.7，表觀密度為 2700kg/cm3。

（5）粗骨料：進(jìn)場(chǎng)原材料中包括兩種石灰質(zhì)碎石，表觀密度分別為 2640kg/cm3和 2830kg/cm3。粒徑范圍分別為5～10mm，10～25mm。

所有細(xì)、粗骨料的原有級(jí)配情況如表 4。

表 4 骨料篩分表 %

（6）減水劑：采用金隅科技 JY-PS-1 聚羧酸型高效減水劑，減水率為 20% 左右。

3.2 生產(chǎn)現(xiàn)狀與問題

該攪拌站實(shí)際使用的普通混凝土生產(chǎn)配合比如表 5 所示，所用原材料如前所述。在該配合比中，采用了一種細(xì)骨料即天然砂，粗骨料采用兩種石灰質(zhì)碎石，粒徑范圍分別為5～10mm，10～25mm，小石子與大石子的用量比例為 1:1。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中所反映的情況來看：該配合比雖然在設(shè)計(jì)強(qiáng)度上能滿足要求，但和易性方面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)離析泌水的情況，而且該攪拌站希望能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)成本的降低。

主要的改善措施仍是通過降低水泥用量和減水劑用量。即在維持膠凝材料總量大致相當(dāng)?shù)那疤嵯?，通過降低水泥用量，增加礦物摻合料的取代量來獲得成本上的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)為了保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求，還應(yīng)減少用水量，以降低水膠比。但是此舉容易導(dǎo)致漿體過稠，新拌混凝土工作性不確定的情況。因此這一技術(shù)措施可以實(shí)現(xiàn)的前提是骨料整體級(jí)配更合理。

為解決這一矛盾，本研究擬采用前述的最大密實(shí)理論、粗糙度—工作性因子相結(jié)合的方式，在現(xiàn)有進(jìn)場(chǎng)原材料的基礎(chǔ)上，通過改善混凝土整體的砂石級(jí)配狀態(tài)為主要的技術(shù)路線，在保證強(qiáng)度和工作性的前提下，同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)成本上的要求。

表 5 該攪拌站生產(chǎn)配合比

對(duì)攪拌站使用的生產(chǎn)配合比進(jìn)行整體的級(jí)配分析后發(fā)現(xiàn)：如圖 2 所示，II 區(qū)范圍的四個(gè)邊界點(diǎn)（CF，WF）分別為：（75,28.5）、（75,39）、（45,33）、（45.4,3.5），該配合比的落點(diǎn)全部在推薦的 II 區(qū)范圍外，而且混凝土的骨料連續(xù)級(jí)配曲線（圖 3 所示）與圖 1 所推薦的范圍偏差較大。

表 6 試驗(yàn)配合比

圖 3 生產(chǎn)配合比骨料連續(xù)級(jí)配曲線

3.3 優(yōu)化方案及試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)圖 3 進(jìn)一步分析可發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)配合比砂石骨料的整體級(jí)配中，骨料在 1.18mm 篩上的通過率相對(duì)偏大，即說明骨料在 1.18mm 篩上的篩余量偏少。參照表 4 的篩分結(jié)果，細(xì)骨料中機(jī)制砂在 1.18mm 篩上具有相對(duì)較高的篩余量，達(dá)到了 16.5%，因此，可以起到一定的補(bǔ)充作用。同樣，骨料在 16mm 和 9.5mm 篩上的篩余量偏小。另一方面根據(jù)表 7 可知，該生產(chǎn)配合比中粗糙度因子（CF）普遍偏低，而根據(jù)式（2）粗糙度因子的定義可知，可通過增加粒徑大于 9.5mm骨料的比例，來提高粗糙度因子。綜上分析，級(jí)配的優(yōu)化方案可確定為：一定比例的機(jī)制砂與天然砂搭配使用，并適當(dāng)?shù)奶岣叽止橇现写笫铀嫉谋壤?/p>

本研究分別對(duì) C20、C30、C40 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)階段利用最大密度曲線、粗糙度因子及工作性因子對(duì)骨料的級(jí)配進(jìn)行合理的控制，確定細(xì)骨料天然砂與機(jī)制砂的比例為 6:4，粗骨料小石子與大石子的比例為2:8。同時(shí)分別選取了三組不同的砂率進(jìn)行試配與調(diào)整，以期得到最優(yōu)的混凝土配合比。具體試驗(yàn)配合比見表 6。

按照表 6 中的配合比配制的各組混凝土，其新拌混凝土的工作性，不同齡期的抗壓強(qiáng)度以及粗糙度因子，工作性因子的參數(shù)值見表 7。在不同的砂率條件下，混凝土骨料的連續(xù)級(jí)配曲線見圖 4。

表 7 試配結(jié)果

從表 7 及圖 4 中可以看出，當(dāng)砂率在 46% 左右時(shí)，骨料的整體級(jí)配更接近理想狀態(tài)，且粗糙度因子—工作性因子的落點(diǎn)均控制在合理的區(qū)域內(nèi)。部分新拌混凝土工作性狀態(tài)如圖 5 所示。

The research of ready-mix concrete aggregate optimize in mix designment

Peng Hao, Song Shaomin
(Beijing Architecture University, Beijing 100044)

With development of massive construction aggregate resources are exhausting. Quality natural aggregate resources are increasingly scare and of poor quality artificial grave overall, the widespread use of aggregates are mostly low-quality. As we know, the negative impact on workability ,durability and cost of fresh concrete due mainly to their inappropriate aggregate gradation in mix designment. Therefore, in order to guarantee fresh concrete workable and consistent , a scientific and effective approach must be found to control the best aggregate gradation of raw materials. In this study, theoretical gradation curve cooperating with aggregate Coarseness Factor (CF) and Workability Factor (WF) were used as the criterion of blended concrete gradation is appropriate. Experimental study indicates that this is a reliable approach to optimize aggregate gradation and obtain quality concrete. It’s also has vast engineering practical value.

maximum density gradation curve; aggregate Coarseness Factor; Workability Factor; designment of concrete mix proportion; aggregate gradation optimize