預拌混凝土配合比設計中骨料級配的優化方法研究

彭浩，宋少民

（北京建筑大學，北京 100044）

預拌混凝土配合比設計中骨料級配的優化方法研究

彭浩，宋少民

（北京建筑大學，北京 100044）

隨著我國工程建設的大規模開展，砂石資源消耗量巨大。優質天然骨料資源已日漸匱乏，而人工砂石從總體上看，質量仍較差，混凝土企業廣泛使用的多是一些低品質的骨料。其中配合比設計時粗細骨料比例不合理會造成骨料整體上沒有達到相對最佳的狀態，對新拌混凝土的工作性產生不良影響，同時降低耐久性以及經濟性。因此，為了保證混凝土質量，需要尋求一種科學、實用的方法確定砂石合理比例，實現對混凝土骨料整體級配的優化。在本研究中，利用最大密度曲線，粗糙度—工作性因子優化和評價混凝土骨料的級配。試驗研究結果表明，此技術效果好，具有工程應用價值。

最大密度曲線；粗糙度因子；工作性因子；配合比設計；骨料級配優化

0 前言

建筑施工要求預拌混凝土首先應該具備良好的工作性。混凝土配合比中骨料級配是影響混凝土工作性的重要原因，良好的顆粒級配可用較少的用水量制得流動性好、離析泌水少的混凝土拌合物，并能在同樣的施工條件下，得到均勻致密、強度較高的混凝土，達到提高耐久性及降低經濟成本的效果。隨著近年來混凝土的用量不斷增大，優質的天然骨料資源已日漸匱乏，人工骨料來源渠道相對較多，品質波動較大，這更加大了實際生產中對骨料級配有效控制的難度。

根據調研，目前市場上骨料級配不合格的現象普遍存在（以 2008 年北京抽檢為例，砂不合格率在 70% 以上，石不合格率 56%），嚴重制約著混凝土的質量[1]。因此，對如何有效地優化和控制混凝土骨料級配進行研究是非常必要的。

1 最大密度曲線簡介

最大密度曲線是目前常用的級配理論，它主要描述了連續級配的粒徑分布，可用于計算連續級配。A.N.Talbol 曲線（即所謂的 n 法）是常用的方法之一，其認為骨料的級配應允許在一定范圍內波動，故在 Fuller 曲線的基礎上將指數由0.5 改成 n 次冪的通式[2]。

在此基礎上，20 世紀 40 年代美國的 Nijboer 指出 n=0.45時不同級配的礦料混合可獲得最大密度，60 年代 Goodle、Lutsey 驗證認為 n=0.45 時可獲得最大密度，80 年代美國瀝青協會（AI）再次驗證得出當 n=0.45 不同的級配礦料確實可獲得最大密度。《美國 Superpave 混合料設計規范》也規定骨料級配指數應取 n=0.45。目前，n=0.45 的最大密度理論已經得到世界各國公認，尤其是在瀝青混合料的級配設計中得到廣泛的應用[3]。故在本研究中同樣采用 n=0.45 的關系式對顆粒級配進行評價，其關系式為：

式中：

Pi——各粒級的通過率，%；

di——各級顆粒粒徑，mm；

D——最大顆粒粒徑，mm；

以篩孔直徑的 0.45 次冪為橫坐標，以骨料的累計通過率為縱坐標建立級配曲線圖，最大密度曲線在級配曲線圖上的反映即連接左下角原點（0,0）和右上角（Dmax0.45,100）的直線。

文獻 [4] 指出對于混凝土而言，良好的顆粒級配大致應在此直線 ±7% 的范圍內，在此范圍外的級配組合將導致混凝土流動性差，且會加大減水劑用量。如圖 1 所示。

圖 1 最大密度級配曲線（n=0.45）

2 粗糙度—工作性因子簡介

美國學者 J. M. Shilstone 教授一直從事混凝土級配優化方面的相關研究，并于上世紀 90 年代提出了用粗糙度因子和工作性因子這兩個參數來反映顆粒級配和混凝土工作性能之間的相關性。通過這兩個參數可簡單、有效地實現對混凝土骨料級配的合理控制，從而優化混凝土的工作性[5-6]。其計算如下。

2.1 粗糙度因子（Workability Factor；CF）

式中：

Q——骨料在 9.5mm 篩子上的累計篩余百分比，%。

R——骨料在 2.36mm 篩子上的累計篩余百分比，%。

2.2 工作性因子（Workability Factor；WF）

式中：

W——骨料在 2.36mm 篩子上的通過率，%。

B——每方混凝土中的膠凝材料用量，kg/cm3。

Shilstone 還對粗糙度因子、工作性因子與混凝土工作性之間的影響關系做了定性的研究分析，根據不同的適用情況給出了五個不同的區域。鑒于我國預拌混凝土骨料的最大粒徑均 ≥20mm，因此其粗糙度因子和工作性因子的取值宜在 II區范圍之內。各區域見圖 2。

圖 2 粗糙度—工作性因子

3 試驗與結果分析

3.1 試驗原材料

原材料均為北京通州某攪拌站現有原材料，具體種類及品質如下：

（1）水泥：采用北京金隅 P·O42.5 水泥，其主要的性能指標見表 1。

表 1 水泥主要性能指標

（2）礦粉：采用北京某公司生產的 S95 級礦粉，主要的性能指標見表 2。

表 2 礦粉主要性能指標

（3）粉煤灰：采用北京某公司生產的 II 級粉煤灰，其主要的性能指標見表 3。

表 3 粉煤灰主要性能指標

（4）細骨料：進場原材料中包括兩種細骨料，天然河砂及機制砂。天然砂的細度模數 2.3，表觀密度為 2670kg/cm3。機制砂的細度模數 2.7，表觀密度為 2700kg/cm3。

（5）粗骨料：進場原材料中包括兩種石灰質碎石，表觀密度分別為 2640kg/cm3和 2830kg/cm3。粒徑范圍分別為5～10mm，10～25mm。

所有細、粗骨料的原有級配情況如表 4。

表 4 骨料篩分表 %

（6）減水劑：采用金隅科技 JY-PS-1 聚羧酸型高效減水劑，減水率為 20% 左右。

3.2 生產現狀與問題

該攪拌站實際使用的普通混凝土生產配合比如表 5 所示，所用原材料如前所述。在該配合比中，采用了一種細骨料即天然砂，粗骨料采用兩種石灰質碎石，粒徑范圍分別為5～10mm，10～25mm，小石子與大石子的用量比例為 1:1。

根據實際生產中所反映的情況來看：該配合比雖然在設計強度上能滿足要求，但和易性方面有時會出現離析泌水的情況，而且該攪拌站希望能進一步實現成本的降低。

主要的改善措施仍是通過降低水泥用量和減水劑用量。即在維持膠凝材料總量大致相當的前提下，通過降低水泥用量，增加礦物摻合料的取代量來獲得成本上的優勢。同時為了保證設計強度的要求，還應減少用水量，以降低水膠比。但是此舉容易導致漿體過稠，新拌混凝土工作性不確定的情況。因此這一技術措施可以實現的前提是骨料整體級配更合理。

為解決這一矛盾，本研究擬采用前述的最大密實理論、粗糙度—工作性因子相結合的方式，在現有進場原材料的基礎上，通過改善混凝土整體的砂石級配狀態為主要的技術路線，在保證強度和工作性的前提下，同時滿足經濟成本上的要求。

表 5 該攪拌站生產配合比

對攪拌站使用的生產配合比進行整體的級配分析后發現：如圖 2 所示，II 區范圍的四個邊界點（CF，WF）分別為：（75,28.5）、（75,39）、（45,33）、（45.4,3.5），該配合比的落點全部在推薦的 II 區范圍外，而且混凝土的骨料連續級配曲線（圖 3 所示）與圖 1 所推薦的范圍偏差較大。

表 6 試驗配合比

圖 3 生產配合比骨料連續級配曲線

3.3 優化方案及試驗結果分析

對圖 3 進一步分析可發現，生產配合比砂石骨料的整體級配中，骨料在 1.18mm 篩上的通過率相對偏大，即說明骨料在 1.18mm 篩上的篩余量偏少。參照表 4 的篩分結果，細骨料中機制砂在 1.18mm 篩上具有相對較高的篩余量，達到了 16.5%，因此，可以起到一定的補充作用。同樣，骨料在 16mm 和 9.5mm 篩上的篩余量偏小。另一方面根據表 7 可知，該生產配合比中粗糙度因子（CF）普遍偏低，而根據式（2）粗糙度因子的定義可知，可通過增加粒徑大于 9.5mm骨料的比例，來提高粗糙度因子。綜上分析，級配的優化方案可確定為：一定比例的機制砂與天然砂搭配使用，并適當的提高粗骨料中大石子所占的比例。

本研究分別對 C20、C30、C40 強度等級的混凝土進行配合比設計，在設計階段利用最大密度曲線、粗糙度因子及工作性因子對骨料的級配進行合理的控制，確定細骨料天然砂與機制砂的比例為 6:4，粗骨料小石子與大石子的比例為2:8。同時分別選取了三組不同的砂率進行試配與調整，以期得到最優的混凝土配合比。具體試驗配合比見表 6。

按照表 6 中的配合比配制的各組混凝土，其新拌混凝土的工作性，不同齡期的抗壓強度以及粗糙度因子，工作性因子的參數值見表 7。在不同的砂率條件下，混凝土骨料的連續級配曲線見圖 4。

表 7 試配結果

從表 7 及圖 4 中可以看出，當砂率在 46% 左右時，骨料的整體級配更接近理想狀態，且粗糙度因子—工作性因子的落點均控制在合理的區域內。部分新拌混凝土工作性狀態如圖 5 所示。

The research of ready-mix concrete aggregate optimize in mix designment

Peng Hao, Song Shaomin
(Beijing Architecture University, Beijing 100044)

With development of massive construction aggregate resources are exhausting. Quality natural aggregate resources are increasingly scare and of poor quality artificial grave overall, the widespread use of aggregates are mostly low-quality. As we know, the negative impact on workability ,durability and cost of fresh concrete due mainly to their inappropriate aggregate gradation in mix designment. Therefore, in order to guarantee fresh concrete workable and consistent , a scientific and effective approach must be found to control the best aggregate gradation of raw materials. In this study, theoretical gradation curve cooperating with aggregate Coarseness Factor (CF) and Workability Factor (WF) were used as the criterion of blended concrete gradation is appropriate. Experimental study indicates that this is a reliable approach to optimize aggregate gradation and obtain quality concrete. It’s also has vast engineering practical value.

maximum density gradation curve; aggregate Coarseness Factor; Workability Factor; designment of concrete mix proportion; aggregate gradation optimize