陳俊杰

（1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350108；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108）

0 引言

商品混凝土攪拌站在選擇碎石時(shí)，一般都是以地材為主。碎石來源的單一性對混凝土配合比的設(shè)計(jì)帶來很大的局限性[1]。在配合比設(shè)計(jì)過程中，要通過調(diào)整碎石搭配、膠凝材料用量、用水量、砂率、外加劑等來彌補(bǔ)碎石的某些參數(shù)的缺陷。

碎石廠破碎出來的碎石一般分成以下幾個(gè)級配區(qū)：5~10mm、5~20mm、5~25mm、5~31.5mm 連續(xù)級配碎石及16~31.5mm 單粒級碎石等。由于碎石廠破碎工藝問題，往往上述碎石級配達(dá)不到JGJ 52-2006標(biāo)準(zhǔn)中的級配要求[2]。面對這種現(xiàn)狀，要提高混凝土性能，必須研究優(yōu)化碎石級配的方法。

1 案例工程基本情況

某項(xiàng)目位于龍巖市新羅區(qū)。該項(xiàng)目C40混凝土開盤鑒定中水泥用量達(dá)到了445kg/m3，水膠比達(dá)到了0.34。根據(jù)實(shí)際使用的原材料情況，根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）計(jì)算，水膠比在0.38左右，即可滿足要求[1]。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)鼗炷聊z凝材料的實(shí)際用量比通過配合比計(jì)算推薦的用量高出不少是普遍現(xiàn)象。

如果骨料搭配合理，混凝土內(nèi)部能形成比較理想的骨架結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。良好的碎石級配應(yīng)當(dāng)具有以下特性：（1）空隙率小，以減少水泥用量并保證密實(shí)度；（2）總表面積小，以減少濕潤骨料表面的需水量[3]；（3）有少量的細(xì)顆粒以滿足和易性的要求[4]。

圖1 理想的骨架結(jié)構(gòu)示意圖

通過對該工程部位混凝土結(jié)構(gòu)鉆芯法檢測，鉆取的混凝土芯樣中碎石級配未形成上述理想骨架，如圖2所示。造成這種情況的原因是：在實(shí)際運(yùn)用中，混凝土生產(chǎn)企業(yè)為了混凝土性能能滿足使用要求，往往通過增加膠凝材料的用量來彌補(bǔ)碎石級配上的缺陷。

圖2 鉆取的混凝土芯樣端面

2 碎石級配優(yōu)化方案設(shè)計(jì)步驟

為了提高混凝土性能，簡單粗暴地增加膠凝材料的用量，雖然能達(dá)到一定目的，但是，膠凝材料用量過大，易造成水化熱過大，而且還增加了不必要的經(jīng)濟(jì)成本。適當(dāng)減少水泥用量可以降低水化熱，減少混凝土的干縮[5]。為了解決這一問題，筆者嘗試先通過試驗(yàn)，計(jì)算出幾種碎石的搭配比例，合理搭配骨料，使其級配達(dá)到最優(yōu)以達(dá)到減少膠凝材料用量、降低經(jīng)濟(jì)成本的目的。本文擬通過以下步驟優(yōu)選碎石級配：

（1）開展原材料性能檢測，掌握原材料基本情況；

（2）制定碎石級配優(yōu)化方案；

（3）開展混凝土性能驗(yàn)證試驗(yàn)，通過比對混凝土拌合物性能、硬化混凝土力學(xué)指標(biāo)，確定最優(yōu)方案。

3 原材料基本性能

（1）水泥：試驗(yàn)使用的是福建建福（安沙）水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5R 水泥，水泥樣本的各項(xiàng)參數(shù)檢測結(jié)果見表1所示。

表1 水泥樣本各參數(shù)檢測結(jié)果

（2）細(xì)骨料：比對試驗(yàn)使用的細(xì)骨料為天然河砂，產(chǎn)地為福建省連城縣四堡鎮(zhèn)。細(xì)骨料主要參數(shù)的檢測結(jié)果見表2所示。

表2 細(xì)骨料樣本主要參數(shù)檢測結(jié)果

（3）碎石：比對試驗(yàn)所使用的碎石均為花崗巖碎石，碎石規(guī)格分別是尺寸為5~20mm、16~31.5mm。碎石產(chǎn)地為福建省連城縣四堡鎮(zhèn)，碎石的主要參數(shù)檢測結(jié)果見表3所示。

表3 碎石樣本主要參數(shù)檢測結(jié)果

（4）摻合料和外加劑：摻合料為粉煤灰，其生產(chǎn)廠家為福建翁銅建材有限公司；外加劑采用高效減水劑，其生產(chǎn)廠家為科之杰新材料集團(tuán)福建有限公司。外加劑及粉煤灰主要參數(shù)的檢測結(jié)果見表4和表5所示。

表4 粉煤灰樣本主要參數(shù)檢測結(jié)果

表5 減水劑樣本主要參數(shù)檢測結(jié)果

4 碎石級配優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

通過對試驗(yàn)所用的5~20mm、16~31.5mm2種級配碎石篩分試驗(yàn)，得出2種規(guī)格碎石的各檔累計(jì)篩余量，見表6所示。

表6 碎石的篩分級配情況

根據(jù)以上2 種規(guī)格碎石累積篩余量結(jié)果，并考慮到后續(xù)拌制的混凝土在不調(diào)整水灰比情況下均需要滿足坍落度及流動(dòng)性等混凝土拌合物性能要求，為方便比對數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，通過理論計(jì)算設(shè)計(jì)出能滿足JGJ 52-2006 中5~31.5mm 連續(xù)級配碎石要求的3 種摻配比例：

方案一：（16~31.5mm碎石）:（5~20mm碎石）=50:50；

方案二：（16~31.5mm碎石）:（5~20mm碎石）=40:60；

方案三：（16~31.5mm碎石）:（5~20mm碎石）=30:70。

3種摻配設(shè)計(jì)方案的碎石級配情況見表7所示。由表7可以看出，方案二的設(shè)計(jì)級配與規(guī)范要求的上下限中值的偏差量最小。

表7 按不同比例摻配設(shè)計(jì)的5~31.5mm碎石級配情況

對按以上3 種摻配設(shè)計(jì)方式摻配的5~31.5mm 碎石，分別進(jìn)行堆積密度、緊密密度及表觀密度檢驗(yàn)，并分別計(jì)算其空隙率，檢測結(jié)果見表8所示。

表8 三種摻配比例的碎石密度及空隙率檢測結(jié)果

5 混凝土性能驗(yàn)證試驗(yàn)

5.1 混凝土拌制

對上述優(yōu)化后的3種碎石級配進(jìn)行混凝土拌合物試驗(yàn)，以坍落度為150mm±30mm、強(qiáng)度等級為C30的普通泵送混凝土為控制基準(zhǔn)。在保證水膠比、水泥用量、外加劑用量、砂率等一致的情況下，對其拌合物性能進(jìn)行比對，此外每種摻配的碎石各成型11 組150mm×150mm×150mm的混凝土試塊，在7d、28d各取5組進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，另外1組進(jìn)行混凝土鉆芯試驗(yàn)。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3種摻配的混凝土拌合物均滿足混凝土坍落度、和易性及流動(dòng)性等要求，拌合物性能及各齡期混凝土試塊抗壓強(qiáng)度見表9所示。

表9 3種摻配比例混凝土的拌合物性能及抗壓強(qiáng)度

通過比對表8、表9的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

按40:60 比例摻配的方案②所得的5~31.5mm 碎石空隙率最低，所配制的混凝土試塊各齡期的抗壓強(qiáng)度在3組中最高。

通過分析表10的篩分結(jié)果，制作出篩分曲線圖，如圖3所示。由圖3可以看出，2種規(guī)格碎石按40:60比例摻配的組合，其各檔的篩余結(jié)果與各檔上下限中值的偏差最小，摻配結(jié)果與JGJ 52-2006 中的5~31.5mm 碎石級配的各檔的中值較為接近。

表10 3種方案摻配的碎石級配與上下限中值之差

圖3 3種方案摻配的5~31.5mm碎石級配趨勢圖

為了更直觀地查看混凝土內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)，在成型的試件中，分別鉆取混凝土芯樣，其中方案二設(shè)計(jì)級配配置的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)最為密實(shí)，與圖2 所示的“理想骨架”最為接近：骨料的骨架理想，粗骨料分布飽滿，粗骨料之間由細(xì)骨料填充，其余空間由漿料填充，如圖4所示。

圖4 方案二的混凝土試件中鉆取的芯樣

6 結(jié)束語

本文結(jié)合案例進(jìn)行分析，設(shè)置不同規(guī)格碎石的摻配試驗(yàn)、混凝土試驗(yàn)。經(jīng)過優(yōu)化碎石級配搭配后，可以得到空隙率較小的級配碎石，并提高混凝土抗壓強(qiáng)度，形成“理想骨架”內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，合理搭配碎石比例，不但可以做到減少膠材用量，降低成本，提高效益，而且水泥漿用量的減少可以降低水化熱，減少混凝土的干縮。因此，混凝土生產(chǎn)企業(yè)試驗(yàn)人員在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)勤做碎石試驗(yàn)，及時(shí)掌控碎石搭配技巧，提升綜合效益。