骨料级配对混凝土工作性能及企业综合成本的影响研究

 

对于混凝土搅拌站，在现有砂石原材料的基础上，基于最紧密堆积理论对砂石级配进行优化，提高砂石品质是保证混凝土质量的一种技术手段，是混凝土企业降本增效的一个有效方式。将普通骨料筛分成不同粒级颗粒，按一定比例重新搭配，能够优化颗粒级配，降低骨料空隙率。通过砂石级配正交试验优化设计，得到级配优异的骨料，优异级配骨料的紧密堆积空隙率低，为21%，骨料级配对混凝土工作性能及力学性能具有一定影响。砂石骨料整体空隙率对混凝土性能影响较大，随着空隙率的增大，混凝土工作性能及力学性能降低。利用优异级配的骨料制备混凝土，相同强度等级，新拌混凝土状态优于普通骨料混凝土，比普通骨料混凝土每立方米降低胶凝材料用量30～50千克每立方米。经过成本计算，每立方米降低混凝土成本8元以上。

关键词：堆积密度；空隙率；正交试验；工作性能；成本

0 引言

在混凝土拌合物中，水泥浆填充砂子孔隙，包裹砂粒形成砂浆，砂浆又填充石子孔隙，包裹石子颗粒，形成混凝土。降低混凝土骨料空隙率具有以下优势：

(1)经济性：填充空隙所需要胶凝材料用量减少，可以降低成本。

(2)工作性：相同胶材用量可以使混凝土浆体富裕，提高工作性。

(3)力学性能及耐久性能：可以减少混凝土内有害缺陷，提高强度以及耐久性。

试验表明：混凝土的水泥用量380千克每立方米，骨料未经级配优化，配制C30混凝土标养28d，抗压强度36.9MPa。而经三级级配优化的集料配制C30混凝土，水泥用量降低到340千克每立方米，而28d标养强度38.9MPa，效果是十分显著的。

富勒最大密度理论认为当骨料的空隙率最小，密度最大时，骨料的级配为最优级配。利用现有普通骨料，通过一定技术手段优化其颗粒级配，使其达到更低的空隙率，更大的密度，探讨骨料级配对混凝土工作性能及综合成本的影响。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

水泥：河北某品牌P·O42.5级水泥，技术指标符合现行国家标准要求。基本物理性能见表1。

粉煤灰：II级粉煤灰，技术指标符合现行国家标准要求。

基本物理性能：细度为24%，烧失量为2.0%，需水量比为93%。

矿粉：$95矿粉，技术指标符合现行国家标准要求。基本物理性能：密度为2870千克每立方米，比表面积为430平方米每千克，标准稠度用水量为26.4%，活性指数7d为87%，28d为97%。

外加剂：高性能聚羧酸减水剂，含固量10%，减水率30%。

骨料：普通砂石为混凝土生产用尾矿碎石、河砂，普通砂石筛分后按照一定比例搭配组合混合均匀后获得级配优异砂石。混凝土生产用河砂级配如表2所示，物理性能指标见表3；尾矿碎石级配如表4所示，物理陛能指标见表5。
 

表1 水泥基本性能

 

表2 砂颗粒级配

 

表3 砂物理性能指标

 

表4 碎石颗粒级配

 

表5 碎石物理性能指标

 

混凝土生产用砂空隙率较高，级配较差，不是生产混凝土理想用砂。

根据GB/T14685-2011规范规定，碎石级配处于连续级配区间内，但是石空隙率较高，说明石的堆积不合理，级配较差。

1.2 试验方法

石表观密度，堆积密度，空隙率试验方法参照GB/T14685-2011《建设用碎石卵石》；新拌混凝土性能检测参照GB/T50080-2002(普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，力学性能检测参照GB/T50081-2002(普通混凝土力学性能试验方法标准》。

2 普通骨料级配优化关键技术研究

普通骨料优化关键技术，即利用现有普通骨料，通过一定技术手段优化其颗粒级配，使其达到更低的空隙率。将普通尾矿碎石、河砂利用标准砂石筛按各个粒级进将单粒级石按不同比例重新组合，混合均匀后测试其表观密度，松散堆积密度，紧密堆积密度，计算松堆空隙率及紧堆空隙率。确定空隙率最低的石级配为最佳级配。通过石级配的优化，确定5~25mm连续级配碎石最佳级配如表6所示。根据GB/T14684-2011，达到I类技术要求的砂级配区位于2区，根据2区砂对各粒级累计筛余的要求范围，设计砂的级配。经过砂级配优化，结合表观状态及细度模数，确定砂最佳级配，如表7所示。

2.1 砂石统一级配曲线研究

根据试验结果，优选出最佳石级配与砂级配，设计砂石统一级配曲线。根据石空隙率选择几个砂石比，再计算砂及石中2.36、4.75mm所需比例，确定砂石中交叉粒级比例，测试整体砂石骨料的密度及空隙率。

设计砂石统一级配见表8。砂石统一级配骨料的密度行单独筛分，分装备用。及空隙率基本性能试验结果见图1、2。

表6 5～25mm碎石优化级配

 

表7 砂优化级配

 

表8 砂石统一级配

图1 砂石统一级配骨料密度

图2 砂石统一级配骨料空隙率
 

砂率为44%的砂石统一级配骨料，松堆空隙率和紧堆空隙率分别为29%、22%。级配得到进一步优化。

2.2 骨料级配正交试验优化设计

设计正交试验优化砂石骨料统一级配，进一步降低砂石骨料统一级配的整体空隙率。影响砂石骨料整体空隙率的因素主要有石空隙率、砂空隙率及砂石比3个因素。设计正交试验，分析各因素对整体空隙率的影响大小。正交试验因素水平表如表9所示。

表9 因素水平表

 

正交试验及结果见表10。

经过正交试验分析，砂石骨料整体空隙率的影响因素大小依次为砂空隙率>石空隙率>砂石比。这是因为石的空隙由砂来填充，但是砂的空隙却没有更细的颗粒来填充，而填充的密实状态可以通过砂率来调整。因此砂空隙率大小决定骨料整体空隙率大小。

表10 正交试验设计及结果

 

从骨料紧密堆积空隙率大小，确定下表4个骨料级配为优良级配。其中7号骨料级配最优异，空隙率最低。
 

表11 骨料优良级配

 

3 骨料级配对混凝土性能的影响

3.1 骨料紧密堆积理论配合比设计及确定

骨料紧密堆积理论配合比设计思路主要有以下两点：混凝土强度理论与骨料紧密堆积理论。

混凝土强度理论，以使用水泥配制混凝土为计算基础，根据水泥强度、需水量和表观密度求出1MPa强度水泥的用量，以此计算出满足设计强度等级所需水泥的量，其次根据掺合料的活性系数和填充系数用等活性替换和等填充替换求得胶凝材料的合理分配合比例，最终确定配合比中各胶凝材料用量及胶材总量。然后用胶凝材料求得标准用水量对应的水胶比，在这一水胶比条件下确定合理的外加剂用量以及胶凝材料所需的搅拌用水量。

骨料紧密堆积理论混凝土模型简述如下：在1m体积内，骨料完全填充其中，水、外加剂及混凝土含气填充在骨料空隙中，胶凝材料分布在骨料与骨料界面处，占据骨料体积。当骨料处于紧密堆积状态时，砂石紧密堆积的空隙体积与拌和水、外加剂的体积及混凝土含气所占据的体积基本相同，互相抵消，不再考虑；砂石堆积的空隙体积与水、外加剂的体积及混凝土含气所占据的体积的差值为混凝土的缺陷，是导致混凝土强度降低的原因，也是造成混凝土工作性能变差的原因。单位体积减去胶凝材料体积，即砂石骨料体积，把砂石看做统一骨料，采用紧密堆积密度乘以骨料体积即砂石骨料的质量。

C30混凝土配合比设计如下：

 

综上，得到基准配合比见表12。

表12 骨料紧密堆积混凝土基准配合比

 

3.2 骨料级配设计

根据基准配合比，设计不同级配的骨料，研究骨料级配对混凝土性能的影响，设计试验配合比如表13-15所示。
 

表13 石级配对混凝土性能的影响试验配合比 %

 

3.3 骨料级配对混凝土性能影响试验结果

骨料级配对混凝土性能影响如表16所示。

表14 砂级配对混凝土性能的影响试验配合比 %

 

表15 砂石统一级配对混凝土性能的影响试验配合比 %

 

表16 骨料级配对混凝土性能影响

 

试验范围内石空隙率对混凝士性能影响较小，当石空隙率大于38%后，混凝土能有劣化趋势，石空隙率为37%～38%为宜。

试验范围内砂空隙率对混凝土性能影响较大，随着砂空隙率增大，混凝土性能降低，砂空隙率不宜大于38%。

试验范围内砂石骨料整体空隙率对混凝土性能影响较大，随着空隙率的增大，混凝土工作性能及力学性能降低。砂石整体空隙率不宜大于23%。

4 骨料级配对企业综合成本的影响

西青站普通砂石骨料配制的混凝土称为普通骨料混凝土，采用技术手段级配得到优化的骨料配制的混凝土称为级配优异骨料混凝土。对比分析级配优异骨料混凝土与普通骨料混凝土主材成本。

级配优异骨料混凝土配合比见表17，普通骨料混凝土配合比见表18。级配优异骨料混凝土与普通骨料混凝土性能见表19。相同强度等级，级配优异骨料混凝土比普通骨料混凝土每立方米降低胶凝材料用量30～50千克每立方米混凝土抗压强度相当，新拌混凝土状态优于普通骨料混凝土。以混凝土原材料价格进行混凝土成本分析，各主材成本如表20所示。

经计算，相同强度等级级配优异骨料混凝土与普通骨料混凝土成本优势对比如表21所示。相同强度等级，级配优异骨料混凝土较普通骨料混凝土主材成本降低8元以上。

表17 级配优异骨料混凝土配合比

 

表18 普通骨料混凝土配合比

 

表19 级配优异骨料混凝土与普通骨料混凝土性能

 

表20 混凝土各主材成本

 

表21 优异骨料混凝土与普通骨料混凝土成本优势

 

表22 筛余曲线

 

5 结论

(1)普通骨料不同粒级颗粒按一定比例重新搭配，能够优化颗粒级配，降低骨料空隙率。较普通粗骨料，优化后骨料紧密堆积空隙率降低7%，较普通细骨料，优化后骨料紧密堆积空隙率降低5%。

(2)空隙率小的粗骨料与空隙率小的细骨料搭配并不是降低骨料整体空隙率的最佳方式。影响骨料整体空隙率的三个因素是粗骨料空隙率、细骨料空隙率及砂石比；其中影响最显著的因素是细骨料空隙率，其次是粗骨料空隙率、砂石比。

(3)通过砂石级配正交试验优化设计，得到级配优异的骨料级配，级配优异骨料紧密堆积空隙率为21%。筛余曲线如表22所示。

(4)骨料级配对混凝土工作性能及力学性能具有一定影响。砂石骨料整体空隙率对混凝土.I生能影响较大，随着空隙率的增大，混凝土工作性能及力学性能降低。砂石整体空隙率不宜大于23%。

(5)利用级配优异骨料制备混凝土，达到相同强度等级，级配优异骨料}昆凝土比普通骨料混凝土每立方米降低胶凝材料用量30～50千克每立方米，新拌混凝土状态优于普通骨料混凝土。经过成本计算，每立方米降低混凝土成本8元以上。