骨料級配優(yōu)化對混凝土膠凝材料用量的影響

骨料級配優(yōu)化對混凝土膠凝材料用量的影響1試驗1.1主要原材料1.1.1水泥本試驗采用廣東塔牌集團生產(chǎn)的P·O42.5R水泥，其基本物理性能如表1所示。1.1.2細(xì)骨料天然河砂，屬于級配Ⅱ區(qū)，細(xì)度模數(shù)為2.60～2.80，表觀密度為2670kg/m3，含泥量為0.8%，0.315rnm以下細(xì)砂含量為8.12%。1.1.3粗骨料共有3種不同尺寸的碎石，均屬花崗巖碎石，5～31.5mm碎石和5～25mm碎石連續(xù)級配，基本物理指標(biāo)如表2所示。1.1.4其它原材料1)礦渣粉：S95礦渣粉，為廣東韶鋼嘉羊新型材有限公司生產(chǎn)，表觀密度為2.80g/cm3，28d活性指數(shù)為98%；2)粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，為廣州恒達資源綜合利用有限公司黃電粉煤灰加工廠生產(chǎn)，表觀密度為2.38g/cm3，28d活性系數(shù)為70%，需水量比為95%，燒失量為7.15%；3)減水劑：使用深圳五山萘系減水劑，固含量為30%，pH=6.3，密度：1.10g/cm3，減水率為20%。1.2試驗方法1.2.1粗細(xì)骨料樣品制備不同空隙率的細(xì)骨料主要通過控制0.315mm以下細(xì)砂含量進行調(diào)整，細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)應(yīng)控制在Ⅱ區(qū)中砂范圍內(nèi)；不同空隙率的粗骨料主要通過5～10mm石和5～31.5mm碎石或5～25mm碎石按比例攪拌均勻后進行測定，根據(jù)工程應(yīng)用要求，直卸混凝土主要使用5～31.5mm碎石，泵送混凝土主要使用5～25mm碎石。2試驗結(jié)果與分析2.1骨料級配優(yōu)化2.1.1細(xì)骨料最低空隙率本試驗中使用0.315mm以下細(xì)砂含量控制砂的空隙率，主要基于以下2點考慮：(1)《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)范》(JGJ/T10)中指明細(xì)骨料宜采用中砂，通過0.315mm篩孔的砂，不應(yīng)少于15%；(2)工程實踐經(jīng)驗通常以控制0.315mm以下細(xì)砂含量為指標(biāo)，以改善混凝土的粘聚性和增加混凝土的密實性。由圖2可知，隨著0.315mm以下細(xì)砂含量的不斷增大，從8.12%逐漸增大到31.0%時，細(xì)骨料松散堆積和緊密堆積的空隙率均先逐漸降低后逐漸升高。從試驗數(shù)據(jù)可知，其在17.84%時空隙率達到最低，分別是41.44%和35.18%。從圖2中松散堆積對應(yīng)的空隙率來看，0.315mm以下細(xì)砂含量在20.20%和22.00%時空隙率也相對較低，分別為41.48%和41.47%，其對應(yīng)的0.315mm以下細(xì)砂含量均可作為工程參考指標(biāo)。綜上所述，0.315mm以下細(xì)砂含量為17.84%、20.20%和22.00%同樣可作為實際工程應(yīng)用中的參考指標(biāo)。然而，由于0.315mm以下細(xì)砂含量的增大往往也會直接增大了砂的含泥量，同時砂的總比表面積也會增大，從而導(dǎo)致其需水量增大，增加了減水劑的摻量。因此，為了滿足工程要求的同時找出相對較低的空隙率，可將0.315mm以下細(xì)砂含量控制在17.84%左右為宜，而在實際工程應(yīng)用中，泵送混凝土要求0.315mm以下細(xì)砂含量必須大于15%，因此17.84%左右的控制指標(biāo)符合工程實際要求。2.1.2粗骨料最低空隙率由圖3(a)可知，隨著5～10mm石含量不斷增大，5～10mm石與5～31.5mm碎石組成的混合碎石堆積空隙率先降低后升高，當(dāng)5～10mm石含量為10%時松散堆積和緊密堆積的空隙率均達到最低，分別為47.48%和42.69%。因此。通過試驗結(jié)果表明，對于直卸混凝土，為了控制碎石空隙率使其達到最低，實際工程應(yīng)用以90%的5～31.5mm碎石摻10%的5～10mm石為宜。由圖3(b)可知，隨著5～10mm石含量不斷增大，5～10mm石與5～25mm碎石組成的混合碎石堆積空隙率先降低后升高，當(dāng)5～10mm石含量為10%時松散堆積和緊密堆積的空隙率均達到最低，分別為47.36%和42.50%。因此，通過試驗結(jié)果表明，對于泵送混凝土，為了控制碎石空隙率使其達到最低，實際工程應(yīng)用以90%的5～20碎石摻10%的5～10mm石為宜。2.2混凝土配合比試驗混凝土骨料級配優(yōu)化前后所使用的骨料類型如表3所示。2種混凝土數(shù)據(jù)對比前提條件為：(1)同一強度等級下的2種混凝土(級配優(yōu)化前和級配優(yōu)化后)水膠比保持一致，砂率不變，碎石總用量相同，且坍落度相差均在10mm以內(nèi)；(2)膠凝材料中，水泥與粉煤灰固定比例為7：3；(3)混凝土粘聚性均良好，無明顯泌水離析現(xiàn)象出現(xiàn)。2.2.1直卸混凝土由表4可知，對于C20直卸混凝土來講，在混凝土坍落度、坍落擴展度和28d抗壓強度相近的情況下，使用級配優(yōu)化后的河砂和碎石進行配合比試驗其每m3混凝土中膠凝材料用量相比級配優(yōu)化前的降低了15kg/m3。究其原因，級配優(yōu)化后的河砂和碎石堆積更加密實，空隙率得到一定程度的降低，從而導(dǎo)致需要填充在砂石空隙間的漿體用量減少，膠凝材料用量因此也得到節(jié)省。同樣，從C25、C30配合比試驗數(shù)據(jù)同時可以看出，使用級配優(yōu)化后的河砂和碎石進行混凝土配合比試驗，其相比較級配優(yōu)化前每m3混凝土中膠凝材料用量均降低了10kg/m3。因此，從直卸混凝土配合比試驗結(jié)果可知，通過優(yōu)化河砂和碎石級配，在確保混凝土工作性能和力學(xué)性能的前提下，每m3混凝土中的膠凝材料用量可得到一定程度的降低，而這對于降低企業(yè)生產(chǎn)成本或提高混凝土的性能具有重要的指導(dǎo)作用。2.2.2泵送混凝土由表5可知，對于不同標(biāo)號的泵送混凝土來講，摻入級配優(yōu)化前后的粗細(xì)骨料的混凝土坍落度、坍落擴展度和28d抗壓強度均較為相近。其中，摻入級配優(yōu)化后的粗細(xì)骨料的C20和C25泵送混凝土中每m3膠凝材料用量相比級配優(yōu)化前的均降低15kg/m3，C30則降低10kg/m3。其降低幅度與直卸混凝土較為一致。從表5試驗數(shù)據(jù)同樣可以說明，摻人級配優(yōu)化前后的粗細(xì)骨料的混凝土工作性能和力學(xué)性能較為相近，而粗細(xì)骨料級配優(yōu)化則可以在一定程度上降低混凝土中膠凝材料用量。3應(yīng)用實例驗算以C20直卸混凝土為例子進行計算求得理論節(jié)省膠凝材料用量，再與實際混凝土配合比應(yīng)用中所節(jié)省的膠凝材料用量進行對比，最終驗證兩者數(shù)據(jù)是否相符(本理論計算忽略骨料表面積改變對膠凝材料用量的影響)。C20直卸混凝土配合比如表6所示。驗算過程如下所示：1)1m3混凝土中，級配優(yōu)化后的河砂可節(jié)省體積為：一級配優(yōu)化前河砂(0.315mm以下細(xì)砂含量為8.12%)松散堆積密度：1320kg/m3；一級配優(yōu)化后河砂(0.315mm以下細(xì)砂含量為17.84%)松散堆積密度：1330kg/m3；一本驗算假定混凝土中河砂以松散形式堆積。2)1m3混凝土中，級配優(yōu)化后的碎石可節(jié)省體積為：一級配優(yōu)化前碎石(100%5～31.5mm碎石)松散堆積密度：1390kg/m3；一級配優(yōu)化后碎石(90%的5～31.5mm碎石和10%的5～10mm石)松散堆積密度：1410kg/m3；一本驗算假定混凝土中碎石以松散形式堆積。3)1m3?；炷林?，河砂和碎石級配優(yōu)化后可節(jié)省體積為：0.004m3+0.012m3=0.016m3；4)以1m3C20—1混凝土為例，凈漿漿體密度：5)0.016m3可填充凈漿漿體質(zhì)量：0.016m3×1667kg/m3≈26.7kg；6)1m3混凝土理論節(jié)省膠凝材料用量：7)1m3混凝土實際節(jié)省膠凝材料用量：(203kg+87kg)一(192.5kg+82.5kg)=15.0kg。通過以上驗算得知，骨料級配優(yōu)化后的混凝土理論節(jié)省膠凝材料為16.6kg，而實際應(yīng)用中的混凝土則節(jié)省膠凝材料為15.0kg，雖實際節(jié)省膠凝材料較理論的稍低，但兩者數(shù)據(jù)較為接近，實際和理論基本吻合。4結(jié)論1)實際工程進行混凝土配合比設(shè)計試驗時，將河砂中0.315mm以下細(xì)砂含量控制在17.84%左右，同時確保細(xì)度模數(shù)落在Ⅱ區(qū)中砂范圍內(nèi)，可在一定程度上降低河砂空隙率；2)對于直卸和泵送2種類型的混凝土，分別在其所使用