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

1、P ? ( di )0.45i D預(yù)拌混凝土配合比設(shè)計(jì)中骨料級配的優(yōu)化方法研究彭浩，宋少民（北京建筑大學(xué)，北京 100044）［摘 要］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) 到相對最佳的狀態(tài)，對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，

2、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)對混凝土骨料整體級配的優(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)化和評價(jià)混凝土骨料的級配。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。［關(guān)鍵詞］最大密度曲線；粗糙度因子；工作性因子；配合比設(shè)計(jì)；骨料級配優(yōu)化The research of ready-mix concrete aggregate optimize in mix designmen

3、tPeng Hao, Song Shaomin(Beijing Architecture University, Beijing 100044)Abstract: With development of massive construction aggregate resources are exhausting. Quality natural aggregate resources are increasingly scare a

4、nd 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 inappropriat

5、e 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 material

6、s. 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 indi

7、cates that this is a reliable approach to optimize aggregate gradation and obtain quality concrete. It’s also has vast engineering practical value.Keywords: maximum density gradation curve; aggregate Coarseness Factor; W

8、orkability Factor; designment of concrete mix proportion; aggregate gradation optimize0 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。 混凝土配合比中骨料級配是影響混凝土工作性的重要原因， 良好的顆粒級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)

9、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較多，品質(zhì)波動(dòng)較 大，這更加大了實(shí)際生產(chǎn)中對骨料級配有效控制的難度。根據(jù)調(diào)研，目前市場上骨料級配不合格的現(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。因此，對如何有 效地優(yōu)化和控制混凝土骨料級配進(jìn)行研究是非常必要的。1 最大密度曲線簡介最大密度曲線是目前常用的級配理

10、論，它主要描述了連 續(xù)級配的粒徑分布，可用于計(jì)算連續(xù)級配。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。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

11、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配設(shè)計(jì)中得到廣 泛的應(yīng)用。故在本研究中同樣采用 n=0.45 的關(guān)系式對顆粒 級配進(jìn)行評價(jià)，其關(guān)系式為：（1） 式中：P——各粒級的通過率，%； d——各級顆粒粒

12、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D—25mm100%90% C20 砂率 4280% C30 砂率 4470% C40 砂率 47率 60%過 50% 通 40%30%20%10%00 0. 0.0.0. 1. 2. 4. 9. 1 1 20 1 3 6 1 3 7 5 6 9 6 篩孔尺寸(mm)7 5 8 6 5 .5 5等

13、級 (CF) (WF) (mm) (mm) 泌水 3d 7d 14d 28dC20-1 56.3 31.8 220 495 否 10.1 15.5 23.1 25.3C20-2 55.1 34.0 240 505 否 9.3 16.3 21.3 27.5C20-3 53.8 36.1 250 600 否 10.1 17.5 23.0 31.1C30-1 56.3 34.9 245 565 否 12.9 22.8 28.1 33.8C30

14、-2 55.1 37.1 230 495 否 12.8 20.8 26.4 36.8C30-3 53.8 39.3 225 460 否 12.1 23.5 31.0 36.7C40-1 56.3 37.2 245 485 否 20.3 31.3 37.3 48.6C40-2 55.1 39.3 270 680 否 18.2 28.7 38.3 43.8綜述評論商品混凝土Beton Chinese Edition —— Ready-mix

15、ed Concrete 2014年第4期料即天然砂，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

16、來獲得成本上的優(yōu)勢。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)場原材料的基 礎(chǔ)上，通過改善混凝土整體的砂石級配狀態(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

17、強(qiáng)度等級 W/B W B C FA GGBS G S 砂率 (%) 減水劑 (L/m) 粗糙度因子(CF) 工作性因子(WF)C20 0.54 180 330 150 140 40 1000 886 47 6.0 35.5 38.0C30 0.45 170 370 220 100 50 814 1031 44 7.5 36.2 37.5C40 0.39 165 420 270 90 60 765 1057 42 9.3 36.6 3

18、8.3對攪拌站使用的生產(chǎn)配合比進(jìn)行整體的級配分析后發(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表 6 試驗(yàn)配合比強(qiáng)度 砂率W/B W B C FA GGBS G S等級 (%)減水 劑 (L/m)續(xù)級配曲線（圖 3 所示）與圖 1 所推薦的范圍偏差較大

19、。圖 3 生產(chǎn)配合比骨料連續(xù)級配曲線3.3 優(yōu)化方案及試驗(yàn)結(jié)果分析對圖 3 進(jìn)一步分析可發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)配合比砂石骨料的整 體級配中，骨料在 1.18mm 篩上的通過率相對偏大，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，C20-1 0.5 150 300 100 100 80 1110 838 43 4.8C20-2 0.47 141 300 100

20、 100 80 1065 907 46 5.6C20-3 0.44 132 300 100 100 80 1016 976 49 6.0C30-1 0.44 163 370 160 80 130 1052 793 43 5.2C30-2 0.42 151 370 160 80 130 1003 854 46 5.2C30-3 0.4

21、0 148 370 160 80 130 945 908 49 5.9C40-1 0.34 143 420 210 70 140 1040 784 43 6.7C40-2 0.36 151 420 210 70 140 975 830 46 6.7C40-3 0.38 160 420 210 70 140 908

22、 873 49 5.9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) 級配曲線見圖 4。表 7 試配結(jié)果細(xì)骨料中機(jī)制砂在 1.18mm 篩上具有相對較高的篩余量，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，

23、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) 的提高粗骨料中大石子所占的比例。本研究分別對 C20、C30、C40 強(qiáng)度等級的混凝土進(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 工作性因子對骨料的級配進(jìn)行合理的控制，確定細(xì)骨料天然強(qiáng)度 粗糙度因子工作

24、坍落性因子 度擴(kuò)展 抗壓強(qiáng)度度 離析 (MPa) 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。C40-3 53.8 41.5 265 660 否 18.7 28.9 35.3 41.6 從表 7 及圖 4 中可以看出，當(dāng)砂率在 46% 左右時(shí)，骨料 的整體級配更接近理想