骨料级配优化对混凝土胶凝材料用量的影响.pdf

第 6期 2 0 1 4年 6月 广东水 利水电 GUAN GD0NG WAT E R RE S OUR CE S AND HYDROP OW E R No 6 J u n 2 0 1 4 骨料级配优化对混凝土胶凝材料用量的影响 蔡杰龙 ，杨永民，李伟 ( 广东省水利水电科学研究院，广东省水利重点科研基地 ，广东 广州 5 1 0 6 3 5 ) 摘要 ：骨料级配优化对于改善混凝土工作性能和节省胶凝材料用量具有重要的意义。该文分别对粗细骨料级配进行优 化得到堆积密度大、空隙率小的细骨料和粗骨料 ，并分2种类型( 直卸、泵送) 和 3种标号( C 2 0 、C 2 5 、C 3 0 ) 进行混凝土 配合比试验对比骨料级配优化前后单方混凝土胶凝材料用量，最后通过实例进行验算。试验结果表明，当砂 中0 3 1 5 n 3 n 以下细砂 含量控 制在一定比例 ，并在 连续级配的 5 3 1 5 m m碎石或 5 2 5 m m碎 石 中掺入 一定 比例 的 51 0 mm石 时 ， 每 in 混凝土中胶凝材料用量均可得到一定程度的降低 ，与理论验算结果较为吻合。骨料级配优化可操作性强，适合在 混凝土生产企业 中推广。 关键 词 ： 粗 骨料 ；细骨料 ；级配优化 ；混凝 土；胶凝材料 用量 中图分类号 ：T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ：B 文章编号 ：1 0 0 8 0 1 1 2 ( 2 0 1 4 ) 0 60 0 6 4 0 5 随着建筑工程的蓬勃 发展 ，混凝土 的应用越来越 广泛。然而面对激烈的市 场竞争 ，混凝土生产厂家迫 切需要通过各种技术手段 降低企业生产成本才能适应 市场 的发展。在混凝 土拌合物 中，水 泥浆体填充砂 、 石空隙 ，并包裹砂 、石表面起润滑作 用 ，使混凝 土获 得施工时必要的和易性 ，而砂、石骨料在混凝土 中起 着骨架作用 。为此 ，优化粗细骨料级配使粗 细颗 粒配合得 当，细骨料填充粗骨料空 隙，水泥浆填充细 骨料空隙，可实现在一定程度上减少 空隙率并达到降 低胶凝材料用量的 目的。 然而 ，级配优 化理 论所 建立 的理想模 型 与实 际 应用存 在很 大差别 。在 实际生 产过程 中，几 乎所 有 砂石都是直接 使 用 ，并 未经 过 任何 级 配 优 化 处理 ， 天然骨料 堆积形 成 的空 隙往 往空 隙率 较 大 ，如 图 1 ( a ) 所示 ，仍然具有较大 的空 间可降低 ，而骨料 级配 优化后 的堆 积空 隙率 则可得 到 明显 的降低 ，如 图 1 ( b ) 所示 ，这对于生产企业来讲预示着粗细骨料级配 优化存 在巨大 的经济效应 l 2 ， 。鉴 于此 ，本文通 过 优化粗细骨料 级配并将 级配 优化前后 的粗 细骨料 应 用在混凝 土 中，以对 比骨料级 配优化 对单方 混凝 土 胶凝材料用量的降低作用 ，然后结合 实例进行验算 ， 为企业合理使用 粗细骨 料和 降低生产 成本提 供重 要 的参考依据 。 ( a ) 骨料级配优 化前 ( b ) 骨 料 级 配 优 化 后 图 1 骨料颗粒堆积模型示意 1 试验 1 1主要原材料 1 1 1 水 泥 本试验采用广东塔牌集 团生产 的 PI I 4 2 5 R水 泥 ，其基本物理性能如表 1所示 。 收稿 15 t 期 ：2 0 1 4 0 21 7 ；修 回 日期 ：2 0 1 4 0 31 4 作者简介 ：蔡杰龙( 1 9 8 7 ) ，男，硕士 ，助理工程师 ，主要从事水泥混凝土及外加剂等建筑材料研究。 6 4 2 0 1 4年 6月 第 6期 蔡杰龙 。等 ：骨料级配优化对混凝 土胶凝材料 用量 的影响 N o 6 J u n 2 0 1 4 表 1 水泥的基本物理性能 1 1 2 细骨料 天然河砂 ，属于级 配 区，细度 模数 为 2 6 0 2 8 0 ，表 观 密 度 为 2 6 7 0 k g m ，含 泥 量 为 0 8 ， 0 3 1 5 r n m以下细砂含量为 8 1 2 。 1 1 3 粗骨料 共有 3种不同尺寸的碎石 ，均属花岗岩碎石 ，5 3 1 5 mm碎石和 52 5 m m碎石连续级配 ，基本物理 指标如表 2所示。 表 2 粗 骨料基本物 理指标 1 1 4 其它原材料 1 )矿渣粉 ：$ 9 5矿渣粉 ，为广东韶钢嘉羊新型建 材有限公司生产 ，表观密度为 2 8 0 g e m ，2 8 d活性 指数为 9 8 ； 2 )粉煤灰 ：级粉煤灰 ，为广州恒达资源综合利 用有 限公 司 黄 电粉 煤 灰 加 工 厂 生 产 ，表 观 密 度 为 2 3 8 g e ra ，2 8 d活 性 系 数 为 7 0 ，需 水 量 比 为 9 5 ，烧失量为 7 1 5 ； 3 )减水剂 ：使用深圳五山萘系减水剂 ，固含量为 3 0 ，p H= 6 3 ，密度 ：1 1 0 g c m ，减水率为 2 0 。 1 2 试 验方法 1 2 1 粗细骨料样品制备 不 同空隙率 的细骨料 主要 通过控制 0 3 1 5 m m 以 下细砂含量进行调整，细骨料细度模数应控制在 区 中砂范围内；不同空隙率的粗骨料主要通过5 1 0 m m 石和 5 3 1 5 mm碎石或 5 2 5 m m碎石按 比例搅拌均 匀后进行测定 ，根据工程应用要求 ，直卸混凝 土主要 使用 53 1 5 m m 碎 石 ，泵送 混凝 土 主要 使 用 5 2 5 mm碎石 。 2 试 验 结果与 分析 2 1 骨料级配优化 2 1 1 细骨料最低空隙率 本试验中使 用 0 3 1 5 mm 以下细砂含量控制砂 的 空隙率 ，主要基于以下 2点考虑：( 1 ) 混凝 土泵送施 工技术规范( J G J T 1 09 5 ) 中指 明细 骨料宜采用 中 砂 ，通过 0 3 1 5 m m筛孔的砂 ，不应少于 1 5 ；( 2 ) 工 程实践经验通 常 以控 制 0 3 1 5 mm 以下细 砂含 量为 指标 ，以改善 混 凝 土 的 粘 聚 性 和 增 加混 凝 土 的密 实 性 。 由图 2可知 ，随着 0 3 1 5 mm以下 细砂 含量的不 断增大 ，从 8 1 2 逐渐增大到 3 1 0 时，细骨料松散 堆积和紧密堆积 的空隙率均先逐渐降低后逐渐 升高。 从试验数 据可 知，其在 1 7 8 4 时空 隙率达 到最 低 ， 分别是 4 1 4 4 和 3 5 1 8 。从图 2中松散堆积对应 的 空隙率来 看 ，0 3 1 5 m m 以下 细砂 含量 在 2 0 2 0 和 2 2 0 0 时 空 隙率 也 相 对 较 低 ，分 别 为 4 1 4 8 和 4 1 4 7 ，其对应的 0 3 1 5 m m以下细砂含量均可作为 工程参考指标。 0 - 3 1 5 m m以 F 砂 含量 图 2 0 3 1 5 m m 以下细砂含量与细骨料 空隙率之 间的关系 综上所述 ，0 3 1 5 m m 以下 细砂含量 为 1 7 8 4 、 2 0 2 0 和 2 2 0 0 同样可作为实际工程应用 中的参考 指标。然而 ，由于 0 3 1 5 m m 以下 细砂 含量的增大往 往也会直接增大了砂 的含泥量 ，同时砂的总比表面积 也会增大，从而导致其需水量增 大，增加了减水剂 的 掺量。因此 ，为了满足工程要求 的同时找出相对较低 的空 隙 率 ，可 将 0 3 1 5 m m 以 下 细 砂 含 量 控 制 在 6 5 2 0 1 4年 6月第 6期 广东水利水电 N o 6 J u n 2 0 1 4 1 7 8 4 左右为宜 ，而在实际工程应用中，泵送混凝土 要求 0 3 1 5 m m 以下 细砂 含量必 须 大于 1 5 ，因此 1 7 8 4 左右的控制指标符合工程实际要求 。 2 1 2 粗骨料最低空隙率 由图3 ( a ) 可知 ，随着 51 0 mm石含量不断增大 ， 51 0 mm石与 5 3 1 5 m m碎石组成的混合碎石堆积 空隙率先 降低后升高 ，当 51 0 to n i 石含量为 1 0 时 松散堆积 和紧密 堆积 的空隙率 均达 到最低 ，分 别为 4 7 4 8 和 4 2 6 9 。因此 。通过试验结果表明，对于 直卸混凝土，为了控制碎石空隙率使其达到最低，实 际工程应用 以 9 0 的 53 1 5 m m碎石掺 1 0 的 5 1 0 mm石为 宜 。 由图 3 ( b ) 可知 ，随着 51 0 mm石 含量不 断增 大，51 0 m m石与 5 2 5 mm碎石组成 的混合碎石堆 积空隙率先降低后升高 ，当 51 0 m m石含量为 1 0 时松散堆积和紧密堆积 的空 隙率均达到最低 ，分别 为 4 7 3 6 和 4 2 5 0 。因此 ，通过试验结果表 明，对 于 泵送混凝土，为了控制碎石空隙率使其达到最低，实 际工程应用以 9 0 的 5 2 0碎石掺 1 0 的 51 0 m m 石为宜。 5 1 0 mm 石 含 量 5 一 l 0 mm 舍 量 ( a ) 直 御混 凝土 ( h )泵 送混 凝土 图 3 51 0 m m石含量与空 隙率之 间的关 系 2 2 混凝土配合 比试验 胶 比保持一致 ，砂率不变 ，碎石总用量相 同，且坍落 混凝土骨料级配优化前后所使用的骨料类 型如表 度相差均在 1 0 m m 以内；( 2 ) 胶凝材料 中，水泥 与粉 3所示 。2种混凝土数据对 比前提条件为 ：( 1 ) 同一强 煤灰固定比例为 7： 3 ；( 3 ) 混凝 土粘 聚性均 良好 ，无 度等级下的 2种混凝土( 级配优化前和级配优化后) 水 明显泌水离析现象出现。 表3 混凝土中骨料级配优化前后所使用骨料类型 2 2 1 直卸混凝土 由表 4可知 ，对于 C 2 0直卸混凝土来讲 ，在混凝 土坍落度、坍落扩展度和 2 8 d抗压强度相近的情况 下 ，使用级配优化后 的河砂 和碎石进行配合 比试验其 每 m 混凝土中胶凝材料用量相 比级 配优化前的降低 了1 5 k g m 。究其原因，级配优化后 的河砂 和碎石堆 积更加密实 ，空隙率得到一定程度的降低 ，从而导致 需要填充在砂石空隙间的浆体用量减少 ，胶凝材料用 量因此也得到节省 。同样 ，从 C 2 5 、C 3 0配合 比试 验 66 数据同时可以看 出，使用级配优化后 的河砂和碎石进 行混凝土配合 比试验 ，其相 比较级配优化前每 m 混 凝土中胶凝材料用量均降低 了 1 0 k g m 。 因此 ，从直卸混凝土配合 比试验结果 可知 ，通过 优化河砂和碎石级配，在确保混凝土工作性能和力学 性能的前提下 ，每 m 混凝 土中的胶凝 材料用量可得 到一定程度的降低 ，而这对 于降低企业生产成本 或提 高混凝土的性能具有重要的指导作用 。 2 0 1 4年6月 第6期 蔡杰龙。等：骨料级配优化对混凝土胶凝材料用量的影响 N o 6 J u n 2 0 1 4 说明 ：砼编号 中“一1 ” 表示骨料级配优化前 ， 2 2 2 泵送混凝土 “ 一 2 ” 表示骨料级配优 化后，下同。 由表 5可知 ，对 于不 同标号 的泵送 混凝 土来 讲 ， 掺人级配优化前后的粗细骨料的混凝土坍落度、坍落 扩展度 和 2 8 d抗压强度均较为相近。其 中，掺人级配 优化后 的粗细骨料 的 C 2 0和 C 2 5泵送混凝土 中每 m 胶凝 材 料用 量相 比级 配优 化前 的均 降低 1 5 k g m ， C 3 0则 降低 1 0 k g m 。其降低幅度与直卸混凝土较为 一 致。从表 5试验数据同样 可以说 明，掺人级配优化 前后的粗细骨料的混凝 土工作性 能和力学性能较为相 近 ，而粗细骨料级配优化则可 以在一定程度上降低混 凝土中胶凝材料用量 。 表 5泵送 混凝 土配合比试 验 3 应用实例验算 以 C 2 0直卸混凝土为例 子进行计算求得理论节 省 的胶凝材料用量进行对 比，最终验证两者数据是否相 符( 本理论计算 忽略骨料表面积改变对胶凝 材料用量 胶凝材料用量 ，再与实 际混凝土配合 比应用 中所节省 的影响) 。C 2 0直卸混凝土配合比如表 6所示 。 表6 C 2 0直卸混凝土配合比试验 验算过程如下所示 ： 1 )1 m 混凝土中，级配优化后的河砂可节省体积 为 ： 一 0 0 0 4 m 3 ； 1 3 2 0 k g m 1 3 3 0 k g m 一 级配优化前 河砂 ( 0 3 1 5 m m 以下 细砂 含量 为 8 1 2 ) 松散堆积密度 ：1 3 2 0 k g m ； 一 级配优化后 河砂 ( 0 3 1 5 m m 以下 细砂 含量 为 1 7 8 4 ) 松散堆积密度 ：1 3 3 0 k g m ； 一 本验算假定混凝土 中河砂以松散形式堆积 。 2 )1 m 混凝 土中，级配优化后 的碎石可节省体积 为 ： 一 0 0 1 2 m3 ； 。 1 39 0 k g m 1 41 0 k g m 一 级配优化前碎石 ( 1 0 0 5 3 1 5 m m碎石 ) 松散 堆积密度 ：1 3 9 0 k g m ； 一 级配优 化后碎 石 ( 9 0 的 53 1 5 mm碎石 和 1 0 的 51 0 m m石) 松散堆积密度 ：1 4 1 0 k g m ； 一 本验算假定混凝土中碎石以松散形式堆积。 3 )1 m。 混凝土中，河砂和碎石级配优化后可节省 体积为 ：0 0 0 4 m +0 0 1 2 m = 0 0 1 6 m ； 6 7 2 0 1 4年 6月第 6期 广东水 利水电 N o 6 J u n 2 0 1 4 4 )以 1 I 11 C 2 01混凝 土为例 ，净浆 浆体密度 ： 而 1 7 7 k g + 1 2 0 3 0 2 k g+9 7 k g 9 r 7 1 6 6 7 k g m3； 1 7 7 k g 1 0 3 k g 9 7 k g 一 一 - 4 - 一 1( DO k 111 3 0 3 0 k g i i 1 3 2 3 3 0 k g 111 5 )0 0 1 6 111 可 填充净浆 浆体质量 ：0 0 1 6 m 1 66 7 k g m 一 2 6 7 k g； 6 )1 m 混凝土理论节省胶凝材料用量 ： 2 6 7 k g -l 6 6 k g ； 7 )1 I l l 混凝土实际节省胶凝材料用量 ： ( 2 0 3 k g+ 8 7 k g )一( 1 9 2 5 k g + 8 2 5 k g )=1 5 0 k g 。 通过以上验算得知，骨料级配优化后 的混凝土理 论节省胶凝材料为 1 6 6 k g ，而实际应用中的混凝土则 节省胶凝材料为 1 5 0 k g ，虽实际节省胶凝材料较理论 的稍低 ，但两者数据较为接近 ，实际和理论基本吻合 。 4结论 1 )实际工程进行混凝土配合 比设计试验时 ，将河 砂中 0 3 1 5 m m以下细砂含量控制在 1 7 8 4 左右，同 时确保细度模数落在 区中砂 范围内，可在一定程度 上降低河砂空隙率 ； 2 )对于直卸和泵送 2种类型的混凝 土，分别在其 所使用的连续级配的 5 3 1 5 111 m碎石和 5 2 5 111 111碎 石中掺入 1 0 的 5 1 0 m m石可降低堆积空隙率 ； 3 )在保证工作性能 、2 8 d抗压强度且满足其它工 程技术要求 的前提下 ，骨料 级配优 化后 的不 同标号 ( C 2 0，C 2 5 ，C 3 0 ) 的直卸或泵送混凝土 ，在进行配合 比设计试验时 ，每 I T I 。 混凝土胶凝材料 用量可降低 l 0 1 5 k g m ，这与理论验算结果基本吻合。 参考文献 ： 1 沈威，黄文熙，闵盘荣水泥T艺学 M 武汉：武汉 理工大学出版社，1 9 9 8 ( 3 ) 2 山启江 骨料级配优化对普通混凝土配合 比的影响 J 内蒙古煤炭经济，2 0 0 3 ( 7 ) ：6 0 6 1 3 吴国诚，王立华混合粗骨料混凝土性能的模型研究 J 广东水利水 电，2 0 0 7 ( 3 ) ：5 9 6 2 4 李燕 ，申 向东 碎 石 、浮 石 混 合 骨料 级 配优 化 试 验 研 究 J 内蒙古农业大学学报，2 0 1 0 ，1 ( 3 1 ) ：2 2 4 2 2 6 5 钟 贤香沥青路面级配碎 石基层配合 比设 计应用技 术 J 广东水利水电，2 0 0 7 ( 1 2 ) ：6 5 6 7 ( 本文责任编辑王瑞 兰) Effe c t o f Gr a da t i o n Op t i mi z a t i o n o f Ag g r e g a t e o n Bi nd e r Co nt e n t i n Co n c r e t e C AI J i e l o n g ，YANG Yo n g mi n ，L I We i ( G u a n g d o n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r ， G u a n g d o n g P r o v i n c i a l K e y S c i e n t i fi c R e s e a r c h B a s e ，G u a n g z h o u 5 1 0 6 3 5 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ag g r e g a t e Gr a d a t i o n o p t i mi z a t i o n i s o f gre a t i mp o rt a n c e i n i mp r o v i n g t h e wo r k i n g p e rf o r ma n c e o f c o n c r e t e a n d s a v i n g b i n d e r c o n t e n t I n t h i s a r t i c l e ，g r a d a t i o n o f c o a r s e a g g r e g a t e a n d fi n e a g gre g a t e i s r e s p e c t i v e l y o p t i mi z e d t o o b t a i n t h e a g g r e g a t e w i t h h i g h e r b u l k d e n s i t y a n d l o w e r v o i d a g e T h e n d e s i g n m i x o f c o n c r e t e e x p e r i m e n t s o n t w o k i n d s o f c o n c r e t e ( fi e l d c o n c r e t e ，p u m p c o n c r e t e )a n d t h r e e k i n d s o f g r a d e s ( C 2 0 ， C 2 5 ， c 3 0 )a r e c a r r i e d o u t t o c o m p a r e d t h e b i n d e r c o n t e n t i n a n u n i t o f c o n c r e t e b e f o r e a n d a f t e r g r a da t i o n o f a g g r e g a t e i s o p t i mi z e dFi n a l l y，c h e c k i n g c o mp ut a t i o n s i s i mpl e me n t e d b y e xa mp l e I t i s s h o wn t h a t t he bi nd e r c o n t e n t i n a n u n i t o f c o n c r e t e g e t s a n c e rta i n d e gre e o f r e d u c t i o n i f t h e r a t i o o f f i n e s a n d (0 3 1 5 mm)i n f i n e a g g r e g a t e i s p r o p e r a n d a c e rta i n pr o po rti o n o f 5 1 0mm g r a v e l i s mi xe d i nt o 5 3 i 5mm o r 5 25mm g r a v e 1 An d t h e r e s u l t a c c o r d s wi t h t h e t he o r e t i c a l c he c k i ng c o mp ut a t i o n s Gr a da t i o n o pt i mi z a t i o n o f a g gre g a t e i s e a s i l y o pe r a bi l i t y a n d s u i t a b l e f o r p r o mo t i o n i n c o n c r e t e ma nu f a c t ur i ng e n t e r p r i s e Ke y wo r d s ：c o a r s e a g g r e g a t e ；fi n e a g g r e g a t e ； gra d a t i o n o p t i mi z a t i o n； c o n c r e t e；b i n d e r c o n t e n t 68