袁文韜，楊仕海，劉東，張武宗，張遠(yuǎn)

（中建西部建設(shè)西南有限公司，四川 成都 610052）

0 引言

砂石作為混凝土中體積占比最高的原材料，對混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能影響很大[1]。隨著近年來城市化建設(shè)不斷加快和生態(tài)環(huán)保壓力影響，天然砂石逐漸供不應(yīng)求，機制砂石的使用已成為必然趨勢。同時，超高層建筑結(jié)構(gòu)越來越多[2]，以及特殊結(jié)構(gòu)超高的配筋率，對混凝土性能提出了極大了挑戰(zhàn)，要求混凝土性能自密實化，對骨料要求提高。在以往文獻(xiàn)中，大多數(shù)僅僅選用不同砂和調(diào)整砂率進(jìn)行混凝土對比試驗[3-5]，在此類研究中，僅從砂的細(xì)度模數(shù)和隨機性的級配調(diào)整無法對混凝土性能影響進(jìn)行系統(tǒng)分析。配制低強度等級混凝土所用砂的細(xì)度模數(shù)應(yīng)小于高強度等級混凝土，而僅采用一種級配砂配制固定強度等級混凝土其結(jié)果并不能評價砂的適用性。因此，本文主要參照J(rèn)G/T568—2019《高性能混凝土用骨料》對骨料級配進(jìn)行設(shè)計，并通過不同膠材總量的混凝土性能探究了各條件下砂的最佳級配。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：峨勝P·O42.5R水泥，其性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥的基本性能

（2）粉煤灰：Ⅰ級，四川瀘州，細(xì)度9.8%，燒失量3.2%，需水量比92%。

（3）硅灰：四川朗天有限公司，堆積密度698 kg/m3、燒失量3.1%、需水量比111%、7、28 d活性指數(shù)分別為90%、97%。

（4）骨料：5～20 mm連續(xù)級配碎石；機制砂選用成智重工精品砂，其基本性能見表2。

表2 機制砂的基本性能

（5）水：自來水。

（6）外加劑：中建西部建設(shè)新材料科技有限公司產(chǎn)聚羧酸系減水劑，固含量15%，減水率20%。

1.2 試驗方法

機制砂性能參照GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》和JG/T 568—2019進(jìn)行測試；混凝土性能參照J(rèn)GJ/T283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 粗骨料級配對自密實混凝土性能影響

本研究將粗骨料分為3組級配區(qū)間：A（4.75～9.5 mm）、B（9.5～16.0 mm）、C（16.0～19.0 mm），通過調(diào)整各區(qū)間百分比形成不同級配的碎石，具體分布如表3所示。

表3 不同級配碎石分布

由表3可見，保持A區(qū)間顆粒含量不變，降低B區(qū)間、同時增加C區(qū)間顆粒含量時，級配碎石的松散堆積密度增大；保持B區(qū)間或C區(qū)間顆粒含量不變，增加A區(qū)間顆粒含量時，級配碎石的堆積密度增大。將上述12組級配碎石進(jìn)行自密實混凝土配制，并通過測試自密實混凝土性能對碎石級配進(jìn)行評價；為增大各組混凝土之間性能的差異，便于對結(jié)果進(jìn)行分析，試驗采用低膠材（300 kg/m3）進(jìn)行混凝土配制，同時為保證混凝土和易性，摻合料中引入硅灰，所用砂根據(jù)JG/T568—2019進(jìn)行級配調(diào)整，具體級配見圖1，并通過試驗確定砂率，自密實混凝土最終配合比見表4，性能測試結(jié)果見表5。

圖1 試驗機制砂的級配曲線

表4 粗骨料試驗自密實混凝土的配合比 kg/m3

表5 不同級配粗骨料混凝土的性能

L1～L12分別對應(yīng)采用G1～G12級配碎石制備，由表5可見，各組自密實混凝土的坍落度、擴(kuò)展度之間差異性較小，但其J環(huán)擴(kuò)展度與坍落擴(kuò)展度之差、V漏斗流空時間之間卻存在著明顯差異，說明通過自密實混凝土性能檢測，能夠更準(zhǔn)確的評價碎石級配對混凝土工作性能的影響。

當(dāng)級配碎石中4.75～9.5 mm顆粒含量在20%～25%時，配制的混凝土（L4～L9）V漏斗流空時間相對較短，說明混凝土具有較好的和易性；G3級配碎石中16.0～19.0 mm顆粒含量為50%，配制的混凝土L3包裹性較差[見圖2（a）]，存在部分大粒徑碎石外漏現(xiàn)象，這是由于混凝土中大粒徑粗骨料過多后，漿體附著能力變差，粗骨料裹漿厚度降低，顆粒間的摩擦阻力增大，導(dǎo)致混凝土J環(huán)擴(kuò)展度減小并出現(xiàn)堆積現(xiàn)象；G10碎石中4.75～9.5 mm顆粒含量為30%，16.0～19.0 mm顆粒含量僅為15%，其配制的混凝土L10漿體不足，包裹性差[見圖2（c）]，主要在于粗骨料粒徑減小時，顆粒比表面積增大，需要更多的漿體來包裹漿體，造成體系中起潤滑和填充作用的漿體減少，從而增大了顆粒之間的摩擦；G8碎石中4.75～9.5 mm、9.5～16.0 mm、16.0～19.0 mm顆粒含量分別為25%、45%、30%，配制的混凝土V漏斗流空時間為12.52 s，J環(huán)擴(kuò)展度與坍落擴(kuò)展度之差為0，性能最佳[見圖2（b）]。

圖2 自密實混凝土的工作性能

由表5還可以看出，碎石級配對自密實混凝土的抗壓強度影響較大，如L3組28、60 d抗壓強度分別為39.5、48.6 MPa，L8組28、60 d抗壓強度可達(dá)45.3、56.6 MPa，L10組28、60 d抗壓強度可達(dá)44.2、50.3MPa；當(dāng)碎石中4.75～9.5mm顆粒含量分別為15%和30%時，混凝土的28、60 d抗壓強度較低。主要在于混凝土體系中分為粗骨料和砂漿兩部分，當(dāng)碎石整體粒徑偏大時，碎石易出現(xiàn)沉底現(xiàn)象，混凝土均勻性較差，而碎石整體粒形偏小時，其表面積增大，需要更多漿體附著，導(dǎo)致起粘結(jié)作用的漿體變少，進(jìn)而使混凝土強度降低。因此，碎石級配很大程度上影響包裹漿體和填充漿體的比例，混凝土早期由于膠凝材料水化程度不夠，整體強度差異不大，隨著齡期延長，水泥石強度逐漸提高，成為影響混凝土強度因素之一。

2.2 細(xì)集料級配設(shè)計及分析

在骨料堆積理論中，W.B.Fuller曾提出最大密度曲線理論，即富勒曲線；然后A.N.Talbol對該理論進(jìn)一步優(yōu)化，并認(rèn)為骨料最大堆積密度存在一定的波動范圍，從而提出了著名的泰波公式：

式中：Pi——第i級通過率，%；

di——第i級粒徑尺寸，mm；

D——骨料最大粒徑尺寸，mm；

n——級配系數(shù)，一般為0.4～0.6，當(dāng)n=0.5時即為富勒曲線。

美國《Superpave瀝青混合料設(shè)計規(guī)范》[6]規(guī)定n=0.45時最合理，同時國內(nèi)也有部分研究表明泰波級配系數(shù)n=0.45時堆積密度最大，即堆積空隙率最小[7-8]。因此，本文首先對n=0.45和n=0.50時分別計算砂的級配分布情況，并與JG/T 568—2019進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 泰波公式級配分布情況

圖4 泰波公式與JG/T 568—2019對比

由圖3可見，由泰波公式計算出的級配中，其累計篩余隨著顆粒尺寸增大逐漸上升，且曲線斜率逐漸增大；同時由圖4可以明顯看出，隨著顆粒尺寸減小，通過泰波公式計算出的分計篩余也相應(yīng)減小，與JG/T 568—2019中0.6 mm處“拋物線”式的分計篩余情況形成鮮明對比；另外GB/T 14684—2011中對砂子進(jìn)行分區(qū)時以0.6 mm處累計篩余為界，表明0.6 mm處篩余量尤為重要。

因此本文對砂級配設(shè)計時參照J(rèn)G/T 568—2019進(jìn)行，為便于試驗，將砂的級配分為E（0～0.3 mm）、F（0.3～1.18 mm）、G（1.18～4.75 mm）3個區(qū)間，通過控制各區(qū)間的百分比調(diào)整細(xì)集料的級配，具體級配如表6和圖5所示。

表6 試驗細(xì)集料的級配分布

圖5 砂的級配分布

由表6可見，當(dāng)E區(qū)間顆粒含量保持不變時，隨著G區(qū)間顆粒含量的增加，砂的松散空隙率逐漸減小，原因在于當(dāng)粗顆粒在適當(dāng)范圍增多時，能夠改善砂的堆積狀態(tài)，從而增大堆積密度；當(dāng)G區(qū)間顆粒含量保持不變時，E區(qū)間顆粒含量從15%增加到30%時，空隙率基本也相應(yīng)降低，這是由于細(xì)顆粒增多能夠起到更好的填充作用。

2.3 不同膠材總量下細(xì)骨料級配研究

混凝土在配制時，不同強度等級采用不同用量的膠材，為保證混凝土具有良好的工作性能，所使用的細(xì)集料細(xì)度模數(shù)和級配均應(yīng)做相應(yīng)調(diào)整。粗骨料級配為：4.75～9.5 mm（25%）+9.5～16.0 mm（45%）+16.0～19.0 mm（30%），針對300、400、500kg/m3膠材總量下混凝土配制對上述細(xì)集料級配展開研究，混凝土基準(zhǔn)配合比見表7，混凝土性能見表8～表10。

表7 不同膠材總量下混凝土基準(zhǔn)配合比 kg/m3

表8 300 kg/m3膠材總量下不同級配砂的混凝土性能

由表8可以看出，采用300 kg/m3膠材配制混凝土，砂中0～0.3 mm顆粒含量為15%時，J環(huán)擴(kuò)展度與坍落擴(kuò)展度差值較大，混凝土包裹性和保水性較差，導(dǎo)致V漏斗試驗時堵塞，隨著該區(qū)間顆粒含量增加，混凝土工作性能逐漸改善，當(dāng)0～0.3 mm顆粒含量為25%～30%，混凝土具有較好的性能；當(dāng)1.18～4.75 mm顆粒含量超過30%時，混凝土的工作性能有所降低；混凝土測得的表觀密度與各組砂的堆積密度變化趨勢基本一致。

表9 400 kg/m3膠材總量下不同級配砂的混凝土性能

由表9可見，采用400 kg/m3膠材配制混凝土?xí)r，混凝土整體性能有所改善，當(dāng)0～0.3mm顆粒含量在20%～30%時，混凝土具有較佳的工作性能，但1.18～4.75 mm顆粒含量超過35%時，混凝土工作性能降低。

表10 500 kg/m3膠材總量下不同級配砂的混凝土性能

由表10可見，采用500 kg/m3膠材配制混凝土?xí)r，當(dāng)0～0.3 mm顆粒含量在20%左右時，混凝土具有較佳的性能，而當(dāng)其含量達(dá)到30%時，由于體系中細(xì)顆粒過多，導(dǎo)致混凝土黏度增大，V漏斗流空時間反而延長。

綜上所述，在進(jìn)行不同強度等級混凝土配制時，由于膠材用量變化，為使混凝土達(dá)到更好的工作性能，應(yīng)對砂的級配進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整?？偟膩碚f，機制砂中0～0.3mm顆粒含量均不應(yīng)低于15%，否則易造成混凝土保水性不足，包裹性不佳，產(chǎn)生泌漿甚至離析等現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）通過低膠材自密實混凝土性能對設(shè)計碎石級配驗證發(fā)現(xiàn)，4.75～9.5 mm顆粒含量過低或過高均對混凝土工作性能產(chǎn)生不利影響，當(dāng)4.75～9.5mm、9.5～16.0mm、16.0～19.0 mm顆粒含量為25%、45%、30%混凝土的工作性能和力學(xué)性能均最佳。

（2）對泰波理論公式進(jìn)行計算分析發(fā)現(xiàn)，其顆粒尺寸越大占比越高，與實際砂的級配差異較大，尤其不適用于低強度等級混凝土配制。

（3）針對不同膠材用量的混凝土，為保證混凝土具有更佳的性能，應(yīng)當(dāng)對砂子級配進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，僅采用相同砂子進(jìn)行砂率調(diào)整配制的混凝土性能仍可能存在不足；砂中0～0.3 mm顆粒含量均不應(yīng)低于15%，否則易造成混凝土保水性不足，包裹性不佳，產(chǎn)生泌漿甚至離析等現(xiàn)象。

（4）300 kg/m3膠材混凝土中，由于膠材相對較少，為保證混凝土良好的工作性能，機制砂中0～0.3mm顆粒含量應(yīng)適當(dāng)提高，宜在25%～30%；400 kg/m3膠材混凝土中，機制砂0～0.3mm顆粒含量宜在20%～30%，同時1.18～4.75 mm顆粒含量不宜高于35%；500 kg/m3膠材混凝土中，機制砂0～0.3 mm顆粒含量宜在20%左右，含量過高易造成混凝土黏度過大。