骨料級配對水工混凝土保塑性和強度的影響研究

李金朋

(遼寧省白石水庫管理局有限責(zé)任公司,遼寧 朝陽 122000)

為解決骨料生產(chǎn)系統(tǒng)大石、特大石產(chǎn)量占粗骨料總量比例為40%～45%,而大壩混凝土設(shè)計配合比中大石、特大石該比例達(dá)到55%～60%,出現(xiàn)小石太多產(chǎn)生棄料而大石生產(chǎn)無法滿足使用要求的問題,促使骨料使用與生產(chǎn)的級配平衡,有必要優(yōu)化骨料級配以獲取更好的效益[1]。針對混凝土性能受骨料級配和品質(zhì)的影響,領(lǐng)域內(nèi)專家學(xué)者們開展了廣泛研究,如吳錦光等探究了高強混凝土耐久性、工作性和強度受粗骨料粒徑的影響作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)骨料粒徑在一定程度上影響著混凝土耐久性和工作性,一般選用5～16mm連續(xù)級配骨料配制高強混凝土;方躍等試驗分析了混凝土壓折比、抗壓與抗壓強度受骨料粒徑的影響,結(jié)果表明選用較小粒徑粗骨料能夠避免較多的內(nèi)部缺陷,更好地保證混凝土質(zhì)量;劉恒等研究發(fā)現(xiàn)骨料體積分?jǐn)?shù)不變時,隨骨料最大粒徑的增大混凝土抗率離子侵蝕性增強;吳火兵等研究認(rèn)為摻最大粒徑60mm骨料相比于40mm骨料的拌合物和易性更好,在保證強度不明顯改變的情況下可以減少用水量和膠材用量,有利于降低混凝土開裂風(fēng)險和水化熱[2-5]。鑒于此,文章通過級配最優(yōu)組合和基準(zhǔn)配合比分析,試驗探究了骨料配組合對水工混凝土強度、保塑性和浮漿厚度的影響,旨在為優(yōu)化骨料級配和解決使用與生產(chǎn)不平衡問題提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

試驗所用材料與工程現(xiàn)場材料保持抑制,特大石、大石、中石、小石、人工砂等骨料來源于大連建材廠人工骨料生產(chǎn)系統(tǒng),經(jīng)檢測除特大石、大石、中石堆積密度及小石含泥量不符合工程使用要求外,粗骨料其它各項指標(biāo)均符合要求,其中級配不良是導(dǎo)致特大石、大石、中石堆積密度較低的主要原因。試驗材料主要有鞍山誠達(dá)F類Ⅰ級粉煤灰、渾河P·MH42.5中熱硅酸鹽水泥、西卡540P聚羧酸高效減水劑和安諾AN001型引氣劑,按照二次篩分要求沖洗粗細(xì)骨料。不同骨料組合級配曲線的曲率系數(shù)Cc、不均勻系數(shù)Cu按最大密度曲線理論進(jìn)行計算,通過最佳密度曲線的曲率系數(shù)Cc、不均勻系數(shù)Cu、擬合度及各級配曲線圖確定最優(yōu)級配。試驗分析推薦級配和基準(zhǔn)級配對水工混凝土強度、保塑性、浮漿厚度等性能影響,并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)確定工程生產(chǎn)用最優(yōu)級配。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 確定組合級配

考慮到骨料系統(tǒng)生產(chǎn)的大石、特大石產(chǎn)量占比只有40%～45%的情況,試驗過程中使用的大石與特大石占比不得超過50%。因此,本試驗固定砂率20%～26%,特大石比例25%和20%,級配指數(shù)取值區(qū)間0.3～0.6,不同骨料組合級配曲線的曲率系數(shù)Cc、不均勻系數(shù)Cu按最大密度曲線理論進(jìn)行計算分析。其中,Cu<5代表骨料級配不良,屬于均粒骨料,Cu值越大粒組分布越廣泛;Cu>10代表骨料級配良好,Cu過大則會導(dǎo)致不連續(xù)級配,該條件利用曲率系數(shù)Cc進(jìn)行分析。曲率系數(shù)是從整體上反映累計曲線形狀的主要參數(shù),13代表級配較差。

試驗選取的9種骨料級配組合與理論級配曲線具有較高擬合度,通過容重復(fù)核試驗分析其與2種擬合度較低的級配組合,如表1所示。

表1 組合骨料拌合物容重

從表1可以看出,大石+特大石比例達(dá)到50%時,隨著級配指數(shù)的增加骨料組合容重逐漸減小,相應(yīng)的偏差系數(shù)不斷增大;骨料組合曲率系數(shù)Cc<3時具有較大的振實容重,拌合物抗離散性良好;當(dāng)大石+特大石比例達(dá)到50%時選擇級配指數(shù)0.4較為合理,當(dāng)大石+特大石比例處于45%～48%范圍選擇級配指數(shù)0.3較為合理。依據(jù)施工現(xiàn)場骨料加工、生產(chǎn)情況和試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果,在優(yōu)化分析時推薦選擇編號1、4、6、8四種組合級配。

配合比對比試驗選取水膠比0.38(A型)、0.42(B型)、0.46(C型)的四級配基準(zhǔn)混凝土,控制拌合物含氣量4%～6%之間,坍落度處于30～50mm范圍,基準(zhǔn)配合比如表2所示。

表2 基準(zhǔn)配合比

2.2 浮漿厚度及最優(yōu)砂率

通過室內(nèi)試驗確定4種推薦配合比和A型、B型、C型3類混凝土各5種骨料組合的最優(yōu)砂率。在不改變單位用水量的條件下可以適當(dāng)調(diào)整減水劑用量,以滿足新拌混凝土溫控及和易性要求,各級配最優(yōu)砂率試驗數(shù)據(jù),見表3所示。

表3 各級配最優(yōu)砂率試驗數(shù)據(jù)

從表3可以看出:①水膠比相同時,在不改變單位用水量及和易性的情況下,每降低5%的大石+特大石比例,減水劑摻量需要提高0.01%,引氣劑摻量也有所增大;②骨料級配和水膠比相同時,隨砂率的增大混凝土30s浮漿厚度不斷增加,60s、90s、120s浮漿厚度增幅減小;水膠比不變時,砂石粒徑和用量均在一定程度上影響著界面過渡區(qū)數(shù)量、厚度及混凝土強度,適當(dāng)增加砂率并不會提高浮漿厚度;③骨料級配不同、水膠比相同時,隨大石+特大石比例的減少混凝土浮漿厚度逐漸下降,為降低表面浮漿厚度可以適當(dāng)增大粗骨料比表面積[6-8]。因此,調(diào)整骨料級配對混凝土表面浮漿厚度及最優(yōu)砂率的影響規(guī)律基本相同,A型、B型、C型混凝土的最優(yōu)砂率如表4所示。

2.3 新拌混凝土保塑性

以A型混凝土為例,試驗分析級配調(diào)整對最優(yōu)砂率混凝土凝結(jié)時間、泌水率、含氣量及坍落度的影響,即混凝土施工工藝受級配優(yōu)化組合的影響作用,如表5所示。

表5 新拌混凝土試驗數(shù)據(jù)

結(jié)果表明,隨中石與小石總量的增加用不同組合級配骨料配制的混凝土泌水性有不同程度的增加,隨減水劑摻量的增加混凝土含氣量和坍落度損失率均表現(xiàn)出上升趨勢,凝結(jié)時間也有一定的延長,并且骨料級配調(diào)整對A型、B型、C型混凝土性能的影響基本相同[9]。

2.4 硬化混凝土強度

在粗骨料摻量與水膠比相同的情況下,混凝土抗壓強度隨粗骨料級配的變化而變化[10]。在最優(yōu)砂率條件下,試驗分析不同組合級配混凝土7d和28d不同時段的劈拉、抗壓強度及壓拉比,以探究混凝土強度受砂率和骨料級配變化的影響,試驗數(shù)據(jù)如表6。

表6 級配與砂率優(yōu)化混凝土強度

從表6可以看出,調(diào)整骨料組合級配并不會顯著改變水工混凝土7d和28d劈拉、抗壓強度及壓拉比,能夠滿足混凝土工作性、抗裂性和耐久性要求。

3 結(jié) 論

1)試驗分析了混凝土強度、工作性能、浮漿厚度,最優(yōu)砂率受級配組合的影響作用,針對使用與生產(chǎn)過程中存在的骨料級配差異問題提出了有效的解決方法,通過骨料級配優(yōu)化避免了小石太多而大石、特大石偏少導(dǎo)致的棄料問題,該方法有利于降低工程成本,具有顯著的社會與經(jīng)濟效益。

2)試驗表明,在特大石或大石使用量無法達(dá)到工程使用要求時,可以對粗骨料級配做適當(dāng)調(diào)整,在不改變單位用水量的情況下,通過適當(dāng)調(diào)整減水劑用量保證混凝土和易性符合施工使用要求,為水利工程建設(shè)和預(yù)期生產(chǎn)效益目標(biāo)的實現(xiàn)提供技術(shù)支持。

3)為了更好地解決骨料級配不平衡問題,試驗時還可以摻入碳纖維、鋼纖維等材料,從而增強混凝土的抗拉性能,通過優(yōu)化骨料級配或摻入其它材料來促進(jìn)生產(chǎn)。