劉偉華,楚建平,宓振軍
(1. 冀東發(fā)展集團(tuán)有限責(zé)任公司/材料科研技術(shù)中心,河北 唐山 064000;2. 唐山冀東混凝土有限公司,北京 101111)
粗骨料級(jí)配優(yōu)化的實(shí)踐與探討
劉偉華1,楚建平2,宓振軍1
(1. 冀東發(fā)展集團(tuán)有限責(zé)任公司/材料科研技術(shù)中心,河北 唐山 064000;2. 唐山冀東混凝土有限公司,北京 101111)
本文以空隙率為主要指標(biāo),對(duì)某骨料企業(yè) 5~25mm 碎石進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化。通過不同粒級(jí)骨料的優(yōu)化搭配,可使其孔隙率由最初的 46% 降至 40%。并繪制了石子三元級(jí)配的孔隙率相圖。C30 等級(jí)的混凝土試配顯示,在配合比其它材料保持不變、和易性相同時(shí),單方用水量可降低 10kg/m3,28d 強(qiáng)度提高 13.3MPa 左右。
粗骨料;級(jí)配;空隙率;粒徑
粗骨料作為混凝土的重要組成部分,約占普通混凝土體積的 30%~50%,對(duì)混凝土的和易性、耐久性、力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性能都有著很大的影響[1,2]。骨料在優(yōu)良的級(jí)配下可用較少的膠凝材料制成和易性良好的混凝土拌合物,有利于質(zhì)量控制,同時(shí)也有利于生產(chǎn)成本的降低。2011 年的國標(biāo)中對(duì)粗骨料級(jí)配方面的相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定[3,4],但由于范圍較寬,具體到某一骨料會(huì)存在不足,尤其是在骨料級(jí)配劣化,需要進(jìn)行搭配改良。
混凝土企業(yè)對(duì)骨料級(jí)配搭配的優(yōu)化主要是以空隙率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般認(rèn)為,具有最小空隙率或者最大密度的混凝土骨料是最經(jīng)濟(jì)的。隨著空隙率降低,可使得混凝土硬化體系更加均勻密實(shí),強(qiáng)度增加,或者在強(qiáng)度不變的情況下,膠凝材料的用量可以減少,對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)來講存在巨大的經(jīng)濟(jì)效益[5,6]。要想獲得較小空隙率級(jí)配要求的骨料,市售產(chǎn)品很難達(dá)到要求,最經(jīng)濟(jì)的手段為通過兩種或兩種以上的骨料混合達(dá)到。
研究人員通過對(duì)骨料級(jí)配的大量研究,建立最優(yōu)的理想級(jí)配曲線,得到理論最大密度或最小空隙率的骨料最優(yōu)理論級(jí)配曲線模型,然后用試算法確定骨料各級(jí)配的混合比例,但在工程實(shí)際運(yùn)用中往往不太方便。如何科學(xué)地對(duì)混凝土骨料級(jí)配進(jìn)行重新組合,簡單方便的實(shí)現(xiàn)最佳的粒徑搭配,是混凝土生產(chǎn)企業(yè)和骨料供應(yīng)企業(yè)提升骨料質(zhì)量和技術(shù)控制的關(guān)鍵點(diǎn)。
為此,本文針對(duì) 5~25mm 粗骨料的工程中常用 5~10mm、10~16mm、16~20mm 和 20~25mm 四個(gè)粒級(jí),分別測定四個(gè)粒級(jí)的二元、三元和四元混合體系的空隙率。并采用不同空隙率的骨料級(jí)配,進(jìn)行了 C30 混凝土試配,分析粗骨料空隙率對(duì)混凝土和易性和力學(xué)性能的影響程度。以此為骨料生產(chǎn)企業(yè)和混凝土控制和提升企業(yè)粗骨料質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本提供參考依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。
1.1 原材料
(1)水泥:品種為 P·O42.5R,唐山冀東水泥有限公司。
(2)粉煤灰:Ⅱ級(jí),45μm 篩余 19%,燒失量為 3.5%,需水量比 102%,唐山陡河電廠。
(3)高爐礦渣粉:S95 級(jí),比表面積 418m2/kg,活性指數(shù) 102%,唐山銀豐鋼廠。
(4)砂子:Ⅱ區(qū)中砂,細(xì)度模數(shù) 2.65。
(5)石子:表觀密度 2744kg/m3。選取了某骨料生產(chǎn)企業(yè)小粒徑、中等粒徑和大粒徑三個(gè)種類碎石石子,三個(gè)粒級(jí)各自級(jí)配如表1所示。
(6)混凝土外加劑:聚羧酸減水劑,固含量 12%,減水率 23%。
表1 三種粗骨料的級(jí)配
1.2 試驗(yàn)方案
1.2.1 骨料的級(jí)配試驗(yàn)
(1)骨料篩分,得到 5~10mm、10~16mm、16~20mm 和 20~25mm 四種單粒級(jí)骨料樣品。
(2)分別制備二元混合體系、三元混合體系、四元混合體系粗骨料樣品。具體方法為:固定某一單粒級(jí)的用量,調(diào)節(jié)其他粒級(jí)的比例,步長為 10%。
1.2.2 粗骨料空隙率測試
分別對(duì)單粒級(jí)、二元混合體系、三元混合體系、四元混合體系的石子進(jìn)行空隙率測定。測定方法參照 GB/T 14685—2011《建筑用卵石和碎石》,按 7.12 和 7.13 分別測定石子的表觀密度及堆積密度,按下式計(jì)算空隙率。
式中:V0——空隙率,%;
ρ1——松散堆積密度,kg/m3;
ρ2——表觀密度,kg/m3。
1.2.3 不同空隙率骨料下混凝土的拌制及性能測試
通過粒徑搭配,制備空隙率分別為 46%、44%、42% 和40% 四種骨料,然后進(jìn)行混凝土試配。試配時(shí)膠凝材料和外加劑用量保持不變,調(diào)整單方用水量和砂率,使混凝土的坍落度控制在 230~250mm、擴(kuò)展度控制在 550~600mm,測試28d 抗壓強(qiáng)度,分析空隙率對(duì)混凝土性能的影響。
2.1 粗骨料級(jí)配與空隙率關(guān)系
篩分后單粒級(jí)粗骨料空隙率檢測結(jié)果如表2所示。
表2 單粒級(jí)骨料空隙率
2.2 二元系統(tǒng)級(jí)配與空隙率的關(guān)系
5~25mm 粒徑范圍內(nèi)四個(gè)單粒級(jí)兩兩搭配構(gòu)成二元系統(tǒng),共六種粒徑組合、54 組不同的級(jí)配比例,試驗(yàn)結(jié)果見表3~5。各級(jí)配石子與對(duì)應(yīng)空隙率的關(guān)系如圖 1 所示。
表3 5~10mm 粒徑顆粒與不同粒徑進(jìn)行二元搭配時(shí)的空隙率 %
表4 10~16mm 粒徑顆粒與不同粒徑進(jìn)行二元搭配時(shí)的空隙率 %
表5 16~20mm 與 20~25mm 粒徑顆粒進(jìn)行二元搭配時(shí)的空隙率 %
從圖 1 看出,兩種粒徑不同的骨料,在進(jìn)行不同的搭配時(shí)可明顯降低空隙率,從單粒級(jí)的 46%~48%,最低可降至40% 左右,降幅超過 5%??障堵实慕档统潭仁芰郊捌渌急壤挠绊?。
首先,空隙率最低值基本都出現(xiàn)在小粒徑骨料比例為30%~40% 左右。其次,空隙率的降低程度與相鄰粒徑半徑比值密切相關(guān)。六種粒徑組合對(duì)空隙率的降低程度如下:5~10mm & 20~25mm >5~10mm & 16~20mm >5~10mm & 10~16mm>10~16mm & 20~25mm>10~16mm & 16~20mm>16~20mm & 20~25mm;前四種組合對(duì)空隙率有較明顯的降低作用,其 R小/R大較小,尤其是 5~10mm與 20~25mm 組合;而后兩種相鄰粒徑組合對(duì)空隙率影響不大。
圖1 二元體系骨料級(jí)配與空隙率關(guān)系
根據(jù)球體堆積理論[7],假設(shè)較大粒級(jí)石子做等大球體的最緊密堆積,小粒級(jí)石子填充空隙將使空隙率進(jìn)一步降低。小粒級(jí)石子所填充空隙類型取決于粒徑之比。根據(jù)各單粒徑骨料的算術(shù)平均粒徑,計(jì)算小/大石子的粒徑比 R小/R大,如表6 所示。
表6 二元體系石子級(jí)配的算術(shù)平均粒徑比
綜合表6數(shù)據(jù)與圖 1 分析,隨著 R小/R大粒徑比值增大,二元石子組合的降低空隙率程度下降。R小/R大=0.33~0.58時(shí),對(duì)空隙率的降低作用明顯,而 R小/R大>0.72 時(shí),由于兩個(gè)粒級(jí)半徑接近,產(chǎn)生干擾作用,體系空隙率基本無降低。
綜上所述,二元骨料進(jìn)行搭配時(shí),小石子和大石子的粒徑比 R小/R大> 0.72 時(shí),二元組合空隙率基本不變;R小/R大< 0.60、小粒徑骨料所占比例為 30%~40% 時(shí),體系空隙率達(dá)到較好的優(yōu)化效果。根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果,5~10mm∶20~25mm ≈ 3:7,最低空隙率可達(dá) 40%。
2.3 三元系統(tǒng)級(jí)配與空隙率的關(guān)系
GB/T 14685—2011 參照《建筑用卵石和碎石》中 5~25mm 連續(xù)級(jí)配石子的級(jí)配范圍,首先固定 16~20mm 比例,分別設(shè)定為 30%、40%、50%、60% 和 70%,調(diào)整5~10mm、10~16mm的比例,步長 10%。試驗(yàn)三元系統(tǒng)的級(jí)配與空隙率的關(guān)系,其結(jié)果列于表7,趨勢如圖2所示。
表7 三元體系不同石子級(jí)配下的空隙率 %
圖2 三元體系石子級(jí)配與空隙率關(guān)系
圖2結(jié)果顯示,相對(duì)于二元體系,三元級(jí)配可進(jìn)一步降低空隙率。但最低空隙率的出現(xiàn)位置與二元體系略有差別。
16~20mm 比例>60% 時(shí),體系中大石子比例過大,相對(duì)應(yīng)填充空隙的小石子數(shù)量減少,因此空隙率呈現(xiàn)增加趨勢。16~20mm 石子比例<60 %時(shí),5~10mm 與 10~16mm 混搭比例接近 5:5 產(chǎn)生最低空隙率,此時(shí) 5~10mm粒徑整體占比約為 20%~40% 之間,由此可見體系中小粒徑顆粒比例對(duì)空隙率起較大作用。此三元體系中,5~10mm∶10~16mm∶16~20mm=1:1:2 時(shí),空隙率出現(xiàn)最小值,約為 40% 左右。
2.4 四元系統(tǒng)級(jí)配與空隙率的關(guān)系
二元體系試驗(yàn)顯示 16~20mm 與 20~25mm 顆粒粒徑接近,搭配比例對(duì)空隙率的影響較小。因此在三元體系最低空隙率的基礎(chǔ)上,繼續(xù)改變預(yù)計(jì)四元體系中 16~20mm 與20~25mm 的搭配比例(表 8),驗(yàn)證是否可將兩個(gè)粒級(jí)合并考慮。
表8 四元粒徑顆粒搭配比例與空隙率的關(guān)系
表8結(jié)果顯示,16~20mm 與 20~25mm 兩者比例對(duì)整體空隙率影響較小,建議考慮骨料級(jí)配時(shí)可以直接合并兩者總量。
2.5 5~25mm 三級(jí)配粗骨料與空隙率的關(guān)系
綜合以上試驗(yàn)結(jié)果,5~25mm 連續(xù)級(jí)配石子,可按 5~10mm、10~16mm 和 16~25mm 三粒級(jí)進(jìn)行優(yōu)化混搭,以獲得空隙率的骨料級(jí)配。筆者參照相圖的繪制方法,制備了骨料級(jí)配—空隙率圖(圖 3),標(biāo)注了試驗(yàn)中二元和三元骨料混搭時(shí)的空隙率數(shù)據(jù),以作為石子搭配的參考。
圖3 三元體系中級(jí)配與空隙率關(guān)系
2.6 骨料空隙率與混凝土性能關(guān)系研究
在骨料空隙率測定基礎(chǔ)上,考察粗骨料級(jí)配對(duì)混凝土性能的影響程度。選取了四種不同空隙率 40%、42%、44%和 46% 下的骨料級(jí)配,試配混凝土,配合比如表9所示。試配時(shí)通過調(diào)整單方用水量和砂率,保持膠凝材料各組分比例、用量和外加劑用量不變,使混凝土的坍落度控制在 230~250mm、擴(kuò)展度控制在 550~600mm?;炷恋某鰴C(jī)性能及28d 抗壓強(qiáng)度如表10所示。
表9 空隙率對(duì)混凝土性能影響的配合比 kg/m3
表10 空隙率對(duì)混凝土性能影響
由表 10,保持混凝土中膠凝材料比例、用量和外加劑用量不變的情況下,隨空隙率降低,混凝土單方用水量隨之降低,混凝土的強(qiáng)度隨之提高,空隙率與混凝土的單方用水量有良好的相關(guān)性。當(dāng)空隙率由 46% 降至最低空隙率 40%,混凝土的 28 天強(qiáng)度相差 13.4MPa?;炷猎诖止橇峡障堵势骄拷档?1% 的情況下,28 天強(qiáng)度提高約為 2MPa,因此調(diào)整骨料級(jí)配,降低空隙率,有利于降低混凝土的單方成本。
(1)骨料和混凝土生產(chǎn)過程中,通過調(diào)整 5~10mm、10~16mm 和 16~20mm和 20~25mm 四個(gè)粒級(jí)的粗骨料級(jí)配,使空隙率由 46% 降至 40% 左右,混凝土 28 天強(qiáng)度提升13.3MPa。可以有效的降低混凝土的單方成本,提升混凝土質(zhì)量。
(2)二元骨料級(jí)配顯示,骨料粒徑比 R小/R大< 0.60 時(shí),小粒徑骨料占比 30%~40% 之間,對(duì)空隙率有較好的優(yōu)化效果。R小/R大>0.72 時(shí),對(duì)空隙率降低不明顯。
(3)三元粗骨料混合體系中,粗骨料最佳混合比例為5~10mm 占 25%,10~16mm 占 25%,16~20mm 占 50%,即各組分比例為 1:1:2。
(4)四元粗骨料混合體系中,16~20mm 與 20~25mm兩者比例對(duì)整體空隙率影響較小,在考慮骨料級(jí)配時(shí)可以直接考慮兩者總量。
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劉偉華(1979—),碩士,工程師,主要從事混凝土及水泥基材料的生產(chǎn)及產(chǎn)品開發(fā)工作。