骨料級配對混凝土工作性能及企業綜合成本的影響研究
唐玉超1，羅作球2，袁啟濤1，王寧2，陳全濱1
（1.中建商品混凝土天津有限公司，天津 300000；2.中建西部建設北方有限公司，西安 710000；）
摘要：對于商品混凝土攪拌站，在現有砂石原材料的基礎上，基于最緊密堆積理論對砂石級配進行優化，提高砂石品質是保證混凝土質量的一種技術手段，是混凝土企業降本增效的一個有效方式。將普通骨料篩分成不同粒級顆粒，按一定比例重新搭配，能夠優化顆粒級配，降低骨料空隙率。通過砂石級配正交實驗優化設計，得到級配優異的骨料，優異級配骨料的緊密堆積空隙率低，為21%，骨料級配對混凝土工作性能及力學性能具有一定影響。砂石骨料整體空隙率對混凝土性能影響較大，隨著空隙率的增大，混凝土工作性能及力學性能降低。利用優異級配的骨料制備混凝土，相同強度等級，新拌混凝土狀態優于普通骨料混凝土，比普通骨料混凝土每方降低膠凝材料用量30~50kg/m3。經過成本計算，每立方米降低混凝土成本8元以上。
關鍵詞：堆積密度；空隙率；正交實驗；工作性能；成本
0引言
在混凝土拌和物中，水泥漿填充砂子孔隙，包裹砂粒形成砂漿，砂漿又填充石子孔隙，包裹石子顆粒，形成混凝土。降低混凝土骨料空隙率具有以下優勢：1.經濟性：填充空隙所需要膠凝材料用量減少，可以降低成本；2.工作性：相同膠材用量可以使混凝土漿體富裕，提高工作性；3.力學性能及耐久性能：可以減少混凝土內有害缺陷，提高強度以及耐久性[1]。
試驗表明：混凝土的水泥用量380kg/m3，骨料未經級配優化，配制C30混凝土標養28d，抗壓強度36.9MPa。而經三級級配優化的集料配制C30混凝土，水泥用量降低到340 kg/m3，而28d標養強度38.9 MPa，效果是十分顯著的[2]。
富勒最大密度理論認為當骨料的空隙率最小，密度最大時，骨料的級配為最優級配。利用現有普通骨料，通過一定技術手段優化其顆粒級配，使其達到更低的空隙率，更大的密度，探討骨料級配對混凝土工作性能及綜合成本的影響[3]。
1.原材料和實驗方法
1.1原材料
水泥：河北某品牌P·O42.5水泥，技術指標符合現行國家標準要求?；疚锢硇阅芤姳?-1。
設計砂石統一級配見表2-3。砂石統一級配骨料的密度及空隙率基本性能實驗結果見表2-4，圖示為圖2-2、圖2-3。
砂率為44%的砂石統一級配骨料，松堆空隙率和緊堆空隙率分別為29%，22%。級配得到進一步優化。
2.2骨料級配正交實驗優化設計
設計正交實驗優化砂石骨料統一級配，進一步降低砂石骨料統一級配的整體空隙率。影響砂石骨料整體空隙率的因素主要有石空隙率、砂空隙率及砂石比3個因素。設計正交實驗，分析各因素對整體空隙率的影響大小。正交實驗因素水平表如表2-5所示。
3．骨料級配對混凝土性能的影響
3.1骨料緊密堆積理論配合比設計及確定
骨料緊密堆積理論配合比設計思路主要有以下兩點：混凝土強度理論與骨料緊密堆積理論。
混凝土強度理論，以使用水泥配制混凝土為計算基礎，根據水泥強度、需水量和表觀密度求出1MPA強度水泥的用量，以此計算出滿足設計強度等級所需水泥的量, 其次根據摻合料的活性系數和填充系數用等活性替換和等填充替換求得膠凝材料的合理分配比例，最終確定配合比中各膠凝材料用量及膠材總量。然后用膠凝材料求得標準用水量對應的水膠比，在這一水膠比條件下確定合理的外加劑用量以及膠凝材料所需的攪拌用水量。
骨料緊密堆積理論混凝土模型簡述如下：在1立方米體積內，骨料完全填充其中，水、外加劑及混凝土含氣填充在骨料空隙中，膠凝材料分布在骨料與骨料界面處，占據骨料體積。當骨料處于緊密堆積狀態時，砂石緊密堆積的空隙體積與拌合水、外加劑的體積及混凝土含氣所占據的體積基本相同，互相抵消，不再考慮；砂石堆積的空隙體積與水、外加劑的體積及混凝土含氣所占據的體積的差值為混凝土的缺陷，是導致混凝土強度降低的原因，也是造成混凝土工作性能變差的原因。單位體積減去膠凝材料體積，即砂石骨料體積，把砂石看做統一骨料，采用緊密堆積密度乘以骨料體積即砂石骨料的質量。
C30混凝土配合比設計如下：
1）配制強度的確定：
骨料緊密堆積理論混凝土的配制強度按現行規范fcu，p=fcu，o+1.645σ確定。
因此，C30混凝土配制強度為fC30,p=30+1.645*5=38.2MPa。
2）膠凝材料用量的確定
通過計算，每兆帕混凝土對應的水泥、粉煤灰、礦粉用量分別是7.4 kg/MPa 、14.7kg/Mpa、7.9 kg/MPa。
根據原材料的來源及價格，考慮混凝土耐久性及水化熱等實際情況，確定最佳的膠凝材料比例，確定水泥、粉煤灰、礦粉的比例為
0.6:0.15:0.25
配制強度為38.2MPa的C30混凝土水泥用量為C0：
C0=0.6fC30，p×C=0.6×38.2MPa×7.4kg/MPa =170kg。
配制強度為38.2MPa的C30混凝土粉煤灰用量為F0：
F0=0.10fC30，p×C=0.15×38.2MPa×14.7kg/MPa =84kg。
配制強度為38.2MPa的C30混凝土礦粉用量為K0：
K0=0.30fC30，p×C=0.25×38.2MPa×7.9kg/MPa =75kg。
3）根據標準JGJ 55-2011《混凝土配合比設計》及實際經驗，C30混凝土配合比用水量確定為170kg/m3。外加劑摻量1.9%，為6.2kg/m3。含氣量設計為3%。
4）骨料用量的確定
經檢測，水泥密度3080kg/m3，粉煤灰密度2340 kg/m3，礦粉密度2880 kg/m3。膠凝材料所占體積為0.117 m3，因此骨料體積為1-0.117 m3=0.883 m3，經測定，骨料緊密堆積密度為2130 kg/m3，因此，骨料質量為1881kg/m3。砂率為46%，則砂單方用量為1881 kg/m3×0.46=865 kg/m3，石單方用量為1881 kg/m3=865 kg/m3=1016kg/m3。
綜上，得到基準配合比見表3-1。
4．骨料級配對企業綜合成本的影響
西青站普通砂石骨料配制的混凝土稱為普通骨料混凝土，采用技術手段級配得到優化的骨料配制的混凝土稱為級配優異骨料混凝土。對比分析級配優異骨料混凝土與普通骨料混凝土主材成本。
級配優異骨料混凝土配合比見表4-1，普通骨料混凝土配合比見表4-2。
結論
1.普通骨料不同粒級顆粒按一定比例重新搭配，能夠優化顆粒級配，降低骨料空隙率。較普通粗骨料，優化后骨料緊密堆積空隙率降低7%，較普通細骨料，優化后骨料緊密堆積空隙率降低5%。
2.空隙率小的粗骨料與空隙率小的細骨料搭配并不是降低骨料整體空隙率的最佳方式。影響骨料整體空隙率的三個因素是粗骨料空隙率、細骨料空隙率及砂石比；其中影響最顯著的因素是細骨料空隙率，其次是粗骨料空隙率、砂石比。
3.通過砂石級配正交實驗優化設計，得到級配優異的骨料級配，級配優異骨料緊密堆積空隙率為21%。篩余曲線如下表所示：
4. 骨料級配對混凝土工作性能及力學性能具有一定影響。砂石骨料整體空隙率對混凝土性能影響較大，隨著空隙率的增大，混凝土工作性能及力學性能降低。砂石整體空隙率不宜大于23%。
5.利用級配優異骨料制備混凝土，達到相同強度等級，級配優異骨料混凝土比普通骨料混凝土每方降低膠凝材料用量30~50kg/m3，新拌混凝土狀態優于普通骨料混凝土。經過成本計算，每立方米降低混凝土成本8元以上。
參考文獻
[1]王軍，趙日煦，陳耀麗，等. 砂石質量的差異對混凝土性能及其經濟性的影響[J].混凝土，2010（3）,97-99.
[2]王恒，曲俐俐.骨料級配優化在預拌混凝土生產中的應用[J].中國港灣建設，2013(5)，37-39.
[3]程寶軍，王軍，楊文，等. 基于最緊密堆積理論配制超高強混凝土的試驗研究[J].混凝土，2014(1)，101-105.
