利用堆積密度優(yōu)化混凝土配合比的研究

吳偉，羅小東，陶俊，肖世玉，吳濤

（成都建工賽利混凝土有限公司，成都 610015）

0 前言

混凝土單方成本一直是各工程與商品混凝土企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，特別是目前水泥、砂石等受環(huán)保壓力與運(yùn)輸限制，混凝土單方成本不斷攀升。本文針對(duì)常用強(qiáng)度等級(jí) C30 在不改變?cè)胁牧掀焚|(zhì)的條件下，對(duì)粗細(xì)骨料進(jìn)行優(yōu)化，使其具有更大的堆積密度，降低空隙率，從而實(shí)現(xiàn)配合比的優(yōu)化，降低混凝土單方成本。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用最大堆積密度優(yōu)化后的配合比，在水膠比不變條件下，可節(jié)約膠凝材料用量并配制出與基準(zhǔn)混凝土同和易性、同強(qiáng)度的混凝土。

1 原材料

（1）水泥：洋房 P·O42.5 水泥，勃氏法比表面積353m2/kg，密度 3.08g/cm3，物檢數(shù)據(jù)見表 1。

（2）粉煤灰：四川博磊Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度 8%，需水量比 95%，密度 2.3g/cm3，28d 活性指數(shù) 75%。

（3）石灰石粉：成都某廠產(chǎn)石粉，細(xì)度 3.2%，MB 值 0.3，密度 2.78g/cm3。

（4）砂：成都建工賽利混凝土有限公司人工機(jī)制中Ⅱ砂與中 Ⅲ 砂。中Ⅱ細(xì)度模數(shù) 2.8，含泥量 3.2%；中 Ⅲ 細(xì)度模數(shù) 2.2，含泥量 5.6%。

（5）石子：成都建工賽利混凝土有限公司 5～31.5mm 連續(xù)級(jí)配碎石，針片狀含量 1.1%，壓碎值5.7%，表觀密度 2840kg/m3，堆積密度 1617kg/m3，空隙率 43%。

（6）外加劑：石家莊市長(zhǎng)安育才建材有限公司 GK-3000磷酸基減水劑[1-2]，固含量 18%，減水率31%。

表 1 水泥物檢數(shù)據(jù)

2 試驗(yàn)與討論

混凝土配合比設(shè)計(jì)方法按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》重量法設(shè)計(jì)。砂石堆積密度和空隙率按 GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 石子空隙率優(yōu)化

石子空隙率決定了填充空隙需要的漿體，也就是決定了干砂漿所需體積的多少。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3-4]中對(duì)于干砂漿的定義，可知其由砂、水泥和摻合料體積共同組成。因此減少石子空隙率可以相應(yīng)地減少填充空隙的膠凝材料用量。在保持富余漿體體積和水膠比不變的條件下，可以得到相同和易性與強(qiáng)度的混凝土。

2.1.1 石子級(jí)配優(yōu)化

使用篩網(wǎng)對(duì)現(xiàn)有 5～31.5mm 碎石進(jìn)行篩分，得到5～16mm 和 16～31.5mm 二級(jí)配碎石。將二級(jí)配碎石按不同重量比例進(jìn)行搭配，測(cè)試其堆積密度并繪制曲線見圖 1。

圖 1 碎石不同比例堆積密度

對(duì)圖 1 曲線擬合公式求導(dǎo)，可以得到最大堆積密度所需石子配比：49% 的 5～16mm 碎石和 51% 的16～31.5mm 碎石，最大堆積密度為 1667kg/m3，空隙率為 41.3%。和原未篩分碎石對(duì)比，空隙率降低了1.7%。由全計(jì)算法[4]可知，干砂漿體積可以減少 17L，可以計(jì)算得出水泥 8.4kg，粉煤灰 3.2kg，即總膠凝材料可以在原配合比基礎(chǔ)上減少約 11kg 的條件下，混凝土的和易性和強(qiáng)度不變。

2.1.2 混凝土對(duì)比試驗(yàn)

將實(shí)際生產(chǎn)配合比作為基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比（表 2），保持水膠比和砂率不變，外加劑摻量為 1.3%，分別減少8kg 水泥和 3kg 粉煤灰，出機(jī)和易性和強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表3。

表 2 石子優(yōu)化后配合比對(duì)比 kg/m3

表 3 石子優(yōu)化后和易性與強(qiáng)度對(duì)比

混凝土對(duì)比試驗(yàn)可以看出，當(dāng)按 2.1.1 堆積密度計(jì)算結(jié)果減少 8kg 水泥和 3kg 粉煤灰條件下，保持水膠比和砂率不變，混凝土出機(jī)和易性與強(qiáng)度均未出現(xiàn)變化，與基準(zhǔn)配合比相當(dāng)。

2.2 砂空隙率優(yōu)化

2.2.1 不同砂復(fù)配

分別將中砂Ⅱ與中砂 Ⅲ 按不同質(zhì)量比復(fù)配[5]，測(cè)試其堆積密度，測(cè)試數(shù)據(jù)見圖 2。

圖 2 兩種砂復(fù)配堆積密度

對(duì)圖 2 擬合曲線進(jìn)行求導(dǎo)，中砂Ⅱ用量 68%，中砂Ⅲ 用量 32%，得到最大堆積密度為 1564kg/m3。此條件空隙率達(dá)到最低，為 41%。

2.2.2 石粉替砂

固定砂復(fù)配比例為中砂Ⅱ : 中砂 Ⅲ = 0.68:0.32 不變，利用石粉替代砂，再次測(cè)試堆積密度，測(cè)試結(jié)果見圖 3。

圖 3 石粉替砂堆積密度

對(duì)圖 3 擬合曲線求導(dǎo)，得到最大堆積密度為1646kg/m3，石粉替代率為 8%，空隙率為 38%，比基準(zhǔn)降低了 3%。

2.2.3 混凝土對(duì)比

由 2.1 得到最佳碎石級(jí)配，采用 5～16mm 碎石49%、16～31.5mm 碎石 51% 固定復(fù)配。由 2.2.2 最佳比例中砂Ⅱ: 中砂 Ⅲ = 0.68:0.32，并加入 8% 石粉替代總用砂量。保持水膠比和外加劑用量（摻量為 1.3%）不變，砂率為 48%，考察分別降低 10kg、20kg、30kg和 40kg 膠凝材料對(duì)于強(qiáng)度和和易性的影響。配合比見表 4。分別對(duì)混凝土出機(jī)和易性以及 3d、7d 和 28d 強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表 5。

表 4 替代石粉配合比 kg/m3

表 5 混凝土強(qiáng)度與和易性數(shù)據(jù)

首先從強(qiáng)度上對(duì)比，使用最大堆積密度的方案從減少 10kg 膠材到 30kg 膠材，無(wú)論是早期強(qiáng)度還是后期強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)生產(chǎn)配比。只有當(dāng)減少膠材到 40kg 才出現(xiàn)后期強(qiáng)度低于基準(zhǔn)生產(chǎn)配比強(qiáng)度，這是因?yàn)槭壑饕鸬轿⒓闲?yīng)，填充空隙，降低水性硬性材料到一定水平后，石粉對(duì)水化產(chǎn)物稀釋作用放大，從而導(dǎo)致了強(qiáng)度下降。再次單獨(dú)關(guān)注 3d 早期強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)加入石粉后，強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)，這是因?yàn)槭鄄⒎峭耆栊裕芗铀偎?yīng)[6]。從本次試驗(yàn)來(lái)看，優(yōu)化配比減少 30kg 膠材最為合適，其強(qiáng)度數(shù)據(jù)略高于基準(zhǔn)。

從和易性觀察發(fā)現(xiàn)，在固定外加劑用量的條件下，逐漸減少膠凝材料用量，混凝土倒筒時(shí)間先減少后增加，混凝土擴(kuò)展度先增加后減小。這是因?yàn)楦挥酀{體體積的變化，開始減少少量膠凝材料時(shí)，由于空隙率小，富余漿體比基準(zhǔn)配合比豐富，所以擴(kuò)展度與倒筒時(shí)間得到了優(yōu)化。當(dāng)繼續(xù)減少膠材時(shí)，為了控制容重必須增加砂石用量，整個(gè)體系骨料表面積增加，包裹骨料所需的漿體體積增加，而通過降低空隙率增加的富余漿體不足以補(bǔ)充時(shí)，就造成擴(kuò)展度與倒筒時(shí)間劣化。因此從和易性角度出發(fā)，在此次試驗(yàn)材料基準(zhǔn)上，配合比優(yōu)化不宜減少膠材總量超過 30kg。

綜合強(qiáng)度、和易性和經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，選用中砂Ⅱ : 中砂 Ⅲ = 0.68:0.32、5～16mm 碎石 : 16～31.5mm 碎石=0.49:0.51、石粉 8% 替代總用砂量，保持水膠比不變的條件下，降低 30kg 膠材可達(dá)到與基準(zhǔn)配合比等同的和易性，同時(shí)強(qiáng)度略高于基準(zhǔn)配合比。優(yōu)化后的配合比對(duì)比基準(zhǔn)生產(chǎn)配合比，單方成本有所降低。

3 結(jié)論

（1）采用二級(jí)配碎石搭配優(yōu)于使用連續(xù)級(jí)配碎石。當(dāng)碎石比為 49:51 時(shí)，得到最大堆積密度，可降低粗骨料 1.7% 空隙率。對(duì)比基準(zhǔn)生產(chǎn)配比可降低 11kg 膠材用量，同時(shí)混凝土強(qiáng)度與和易性不變，與理論計(jì)算節(jié)約量吻合。

（2）采用兩種砂復(fù)配同時(shí)加入 8% 石粉替砂，可得到最大堆積密度 1646kg/m3，空隙率為 38%，改進(jìn)后空隙率降低 3%。

（3）采用最緊密堆積粗細(xì)骨料，對(duì)比基準(zhǔn)生產(chǎn)配比可降低 30kg 膠材用量，同時(shí)混凝土和易性與基準(zhǔn)相當(dāng)，早期 3d 強(qiáng)度高于基準(zhǔn)，28d 后期強(qiáng)度略高于基準(zhǔn)。

（4）采用最緊密堆積法對(duì)粗細(xì)骨料進(jìn)行優(yōu)化后，28d 強(qiáng)度達(dá) 43MPa，出機(jī)擴(kuò)展度 570mm，倒筒時(shí)間6.1s，滿足 C30 混凝土使用條件，且 C30 混凝土單方成本相對(duì)于生產(chǎn)基準(zhǔn)配比有所降低。