自密實混凝土骨料級配優化研究

袁文韜，楊仕海，劉東，張武宗，張遠

（中建西部建設西南有限公司，四川 成都 610052）

0 引言

砂石作為混凝土中體積占比最高的原材料，對混凝土的工作性能、力學性能和耐久性能影響很大[1]。隨著近年來城市化建設不斷加快和生態環保壓力影響，天然砂石逐漸供不應求，機制砂石的使用已成為必然趨勢。同時，超高層建筑結構越來越多[2]，以及特殊結構超高的配筋率，對混凝土性能提出了極大了挑戰，要求混凝土性能自密實化，對骨料要求提高。在以往文獻中，大多數僅僅選用不同砂和調整砂率進行混凝土對比試驗[3-5]，在此類研究中，僅從砂的細度模數和隨機性的級配調整無法對混凝土性能影響進行系統分析。配制低強度等級混凝土所用砂的細度模數應小于高強度等級混凝土，而僅采用一種級配砂配制固定強度等級混凝土其結果并不能評價砂的適用性。因此，本文主要參照JG/T568—2019《高性能混凝土用骨料》對骨料級配進行設計，并通過不同膠材總量的混凝土性能探究了各條件下砂的最佳級配。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：峨勝P·O42.5R水泥，其性能指標見表1。

表1 水泥的基本性能

（2）粉煤灰：Ⅰ級，四川瀘州，細度9.8%，燒失量3.2%，需水量比92%。

（3）硅灰：四川朗天有限公司，堆積密度698 kg/m3、燒失量3.1%、需水量比111%、7、28 d活性指數分別為90%、97%。

（4）骨料：5～20 mm連續級配碎石；機制砂選用成智重工精品砂，其基本性能見表2。

表2 機制砂的基本性能

（5）水：自來水。

（6）外加劑：中建西部建設新材料科技有限公司產聚羧酸系減水劑，固含量15%，減水率20%。

1.2 試驗方法

機制砂性能參照GB/T 14684—2011《建設用砂》和JG/T 568—2019進行測試；混凝土性能參照JGJ/T283—2012《自密實混凝土應用技術規程》和GB/T50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行測試。

2 結果與討論

2.1 粗骨料級配對自密實混凝土性能影響

本研究將粗骨料分為3組級配區間：A（4.75～9.5 mm）、B（9.5～16.0 mm）、C（16.0～19.0 mm），通過調整各區間百分比形成不同級配的碎石，具體分布如表3所示。

表3 不同級配碎石分布

由表3可見，保持A區間顆粒含量不變，降低B區間、同時增加C區間顆粒含量時，級配碎石的松散堆積密度增大；保持B區間或C區間顆粒含量不變，增加A區間顆粒含量時，級配碎石的堆積密度增大。將上述12組級配碎石進行自密實混凝土配制，并通過測試自密實混凝土性能對碎石級配進行評價；為增大各組混凝土之間性能的差異，便于對結果進行分析，試驗采用低膠材（300 kg/m3）進行混凝土配制，同時為保證混凝土和易性，摻合料中引入硅灰，所用砂根據JG/T568—2019進行級配調整，具體級配見圖1，并通過試驗確定砂率，自密實混凝土最終配合比見表4，性能測試結果見表5。

圖1 試驗機制砂的級配曲線

表4 粗骨料試驗自密實混凝土的配合比 kg/m3

表5 不同級配粗骨料混凝土的性能

L1～L12分別對應采用G1～G12級配碎石制備，由表5可見，各組自密實混凝土的坍落度、擴展度之間差異性較小，但其J環擴展度與坍落擴展度之差、V漏斗流空時間之間卻存在著明顯差異，說明通過自密實混凝土性能檢測，能夠更準確的評價碎石級配對混凝土工作性能的影響。

當級配碎石中4.75～9.5 mm顆粒含量在20%～25%時，配制的混凝土（L4～L9）V漏斗流空時間相對較短，說明混凝土具有較好的和易性；G3級配碎石中16.0～19.0 mm顆粒含量為50%，配制的混凝土L3包裹性較差[見圖2（a）]，存在部分大粒徑碎石外漏現象，這是由于混凝土中大粒徑粗骨料過多后，漿體附著能力變差，粗骨料裹漿厚度降低，顆粒間的摩擦阻力增大，導致混凝土J環擴展度減小并出現堆積現象；G10碎石中4.75～9.5 mm顆粒含量為30%，16.0～19.0 mm顆粒含量僅為15%，其配制的混凝土L10漿體不足，包裹性差[見圖2（c）]，主要在于粗骨料粒徑減小時，顆粒比表面積增大，需要更多的漿體來包裹漿體，造成體系中起潤滑和填充作用的漿體減少，從而增大了顆粒之間的摩擦；G8碎石中4.75～9.5 mm、9.5～16.0 mm、16.0～19.0 mm顆粒含量分別為25%、45%、30%，配制的混凝土V漏斗流空時間為12.52 s，J環擴展度與坍落擴展度之差為0，性能最佳[見圖2（b）]。

圖2 自密實混凝土的工作性能

由表5還可以看出，碎石級配對自密實混凝土的抗壓強度影響較大，如L3組28、60 d抗壓強度分別為39.5、48.6 MPa，L8組28、60 d抗壓強度可達45.3、56.6 MPa，L10組28、60 d抗壓強度可達44.2、50.3MPa；當碎石中4.75～9.5mm顆粒含量分別為15%和30%時，混凝土的28、60 d抗壓強度較低。主要在于混凝土體系中分為粗骨料和砂漿兩部分，當碎石整體粒徑偏大時，碎石易出現沉底現象，混凝土均勻性較差，而碎石整體粒形偏小時，其表面積增大，需要更多漿體附著，導致起粘結作用的漿體變少，進而使混凝土強度降低。因此，碎石級配很大程度上影響包裹漿體和填充漿體的比例，混凝土早期由于膠凝材料水化程度不夠，整體強度差異不大，隨著齡期延長，水泥石強度逐漸提高，成為影響混凝土強度因素之一。

2.2 細集料級配設計及分析

在骨料堆積理論中，W.B.Fuller曾提出最大密度曲線理論，即富勒曲線；然后A.N.Talbol對該理論進一步優化，并認為骨料最大堆積密度存在一定的波動范圍，從而提出了著名的泰波公式：

式中：Pi——第i級通過率，%；

di——第i級粒徑尺寸，mm；

D——骨料最大粒徑尺寸，mm；

n——級配系數，一般為0.4～0.6，當n=0.5時即為富勒曲線。

美國《Superpave瀝青混合料設計規范》[6]規定n=0.45時最合理，同時國內也有部分研究表明泰波級配系數n=0.45時堆積密度最大，即堆積空隙率最小[7-8]。因此，本文首先對n=0.45和n=0.50時分別計算砂的級配分布情況，并與JG/T 568—2019進行對比，結果如圖3、圖4所示。

圖3 泰波公式級配分布情況

圖4 泰波公式與JG/T 568—2019對比

由圖3可見，由泰波公式計算出的級配中，其累計篩余隨著顆粒尺寸增大逐漸上升，且曲線斜率逐漸增大；同時由圖4可以明顯看出，隨著顆粒尺寸減小，通過泰波公式計算出的分計篩余也相應減小，與JG/T 568—2019中0.6 mm處“拋物線”式的分計篩余情況形成鮮明對比；另外GB/T 14684—2011中對砂子進行分區時以0.6 mm處累計篩余為界，表明0.6 mm處篩余量尤為重要。

因此本文對砂級配設計時參照JG/T 568—2019進行，為便于試驗，將砂的級配分為E（0～0.3 mm）、F（0.3～1.18 mm）、G（1.18～4.75 mm）3個區間，通過控制各區間的百分比調整細集料的級配，具體級配如表6和圖5所示。

表6 試驗細集料的級配分布

圖5 砂的級配分布

由表6可見，當E區間顆粒含量保持不變時，隨著G區間顆粒含量的增加，砂的松散空隙率逐漸減小，原因在于當粗顆粒在適當范圍增多時，能夠改善砂的堆積狀態，從而增大堆積密度；當G區間顆粒含量保持不變時，E區間顆粒含量從15%增加到30%時，空隙率基本也相應降低，這是由于細顆粒增多能夠起到更好的填充作用。

2.3 不同膠材總量下細骨料級配研究

混凝土在配制時，不同強度等級采用不同用量的膠材，為保證混凝土具有良好的工作性能，所使用的細集料細度模數和級配均應做相應調整。粗骨料級配為：4.75～9.5 mm（25%）+9.5～16.0 mm（45%）+16.0～19.0 mm（30%），針對300、400、500kg/m3膠材總量下混凝土配制對上述細集料級配展開研究，混凝土基準配合比見表7，混凝土性能見表8～表10。

表7 不同膠材總量下混凝土基準配合比 kg/m3

表8 300 kg/m3膠材總量下不同級配砂的混凝土性能

由表8可以看出，采用300 kg/m3膠材配制混凝土，砂中0～0.3 mm顆粒含量為15%時，J環擴展度與坍落擴展度差值較大，混凝土包裹性和保水性較差，導致V漏斗試驗時堵塞，隨著該區間顆粒含量增加，混凝土工作性能逐漸改善，當0～0.3 mm顆粒含量為25%～30%，混凝土具有較好的性能；當1.18～4.75 mm顆粒含量超過30%時，混凝土的工作性能有所降低；混凝土測得的表觀密度與各組砂的堆積密度變化趨勢基本一致。

表9 400 kg/m3膠材總量下不同級配砂的混凝土性能

由表9可見，采用400 kg/m3膠材配制混凝土時，混凝土整體性能有所改善，當0～0.3mm顆粒含量在20%～30%時，混凝土具有較佳的工作性能，但1.18～4.75 mm顆粒含量超過35%時，混凝土工作性能降低。

表10 500 kg/m3膠材總量下不同級配砂的混凝土性能

由表10可見，采用500 kg/m3膠材配制混凝土時，當0～0.3 mm顆粒含量在20%左右時，混凝土具有較佳的性能，而當其含量達到30%時，由于體系中細顆粒過多，導致混凝土黏度增大，V漏斗流空時間反而延長。

綜上所述，在進行不同強度等級混凝土配制時，由于膠材用量變化，為使混凝土達到更好的工作性能，應對砂的級配進行相應調整。總的來說，機制砂中0～0.3mm顆粒含量均不應低于15%，否則易造成混凝土保水性不足，包裹性不佳，產生泌漿甚至離析等現象。

3 結論

（1）通過低膠材自密實混凝土性能對設計碎石級配驗證發現，4.75～9.5 mm顆粒含量過低或過高均對混凝土工作性能產生不利影響，當4.75～9.5mm、9.5～16.0mm、16.0～19.0 mm顆粒含量為25%、45%、30%混凝土的工作性能和力學性能均最佳。

（2）對泰波理論公式進行計算分析發現，其顆粒尺寸越大占比越高，與實際砂的級配差異較大，尤其不適用于低強度等級混凝土配制。

（3）針對不同膠材用量的混凝土，為保證混凝土具有更佳的性能，應當對砂子級配進行相應調整，僅采用相同砂子進行砂率調整配制的混凝土性能仍可能存在不足；砂中0～0.3 mm顆粒含量均不應低于15%，否則易造成混凝土保水性不足，包裹性不佳，產生泌漿甚至離析等現象。

（4）300 kg/m3膠材混凝土中，由于膠材相對較少，為保證混凝土良好的工作性能，機制砂中0～0.3mm顆粒含量應適當提高，宜在25%～30%；400 kg/m3膠材混凝土中，機制砂0～0.3mm顆粒含量宜在20%～30%，同時1.18～4.75 mm顆粒含量不宜高于35%；500 kg/m3膠材混凝土中，機制砂0～0.3 mm顆粒含量宜在20%左右，含量過高易造成混凝土黏度過大。