混凝土骨料多元級配體系的研究與設計

    前言

 

    骨料一般占泵送混凝土體積的65%~72%，即膠凝材料凈漿與骨料的體積比（漿骨比）為28:72~35:65。在保證施工和易性的前提下，提高骨料體積即減小漿骨比，對混凝土的技術性和經濟性具有重要的意義。但是現有的混凝土技術大多側重于膠凝材料和外加劑領域，對骨料的研究成果相對較少。我國現行的《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55）[1]以砂率來定義粗細骨料的比例關系，取值時任意性較大。美國混凝土協會的ACI規范根據粗骨料的緊密密度、最大粒徑和細骨料的細度模數等參數來確定粗骨料的用量，用重量法或體積法確定細骨料用量。這兩項規范僅涉及兩種粗細骨料，均屬于半經驗化設計模式。

 

    我國建筑工程上使用的碎石，一直采用名義上的連續粒級[2]，但是實際上往往達不到顆粒級配的技術要求（筆者稱此類碎石為劣級配碎石）。近年來由于優質天然骨料的日益匱乏，再生骨料、采石場的尾礦石和尾礦砂、細砂或特細砂等各種骨料也逐步被采用。多元化的骨料品種對混凝土的優化配制技術提出了較高的要求。

 

    由于骨料品質的下降，加上骨料級配技術的缺乏，預拌混凝土生產企業往往采用提高砂率、提高漿骨比等方法來保證混凝土的和易性，易造成膠凝材料用量偏大，提高了混凝土生產成本，還影響到混凝土的收縮性能和水化熱性能。

本文提出一種混凝土骨料多元級配體系，使混凝土骨料配制技術科學化、定量化，以期達到提高混凝土的和易性、體積穩定性和耐久性，節約資源、降低生產成本的目的。

 

    1   技術模型

   

    1.1  技術目標

 

    在輸入若干種骨料（一般為2~4種）原材料基本性能的前提下，可通過系統運算，定量地輸出混合骨料的最佳合成級配和各種骨料的體積百分比，并提出骨料級配優化技術方案。

 

    1.2 設計思路

 

    建立理想的骨料目標級配模型，通過計算機程序運算，使混合骨料的合成級配最接近目標級配，并適當提高混合骨料的細度模數，從而減少起填充骨料空隙、包裹骨料表面的作用的膠凝材料用量。

 

    1.3  設計路線

 

    1.3.1 采用DingerFunk方程，建立骨料目標級配模型

 

    不同粒徑的粗細骨料互相摻混，只有一種狀態是最緊密堆積的。Andreasen提出了一種基于連續尺寸分布顆粒的堆積理論。滿足該理論的級配曲線接近拋物線，骨料顆粒處于最緊密堆積狀態，空隙率最小。

 

    20 世紀70 年代，Dinger 和Funk引入最小顆粒粒徑的概念，對Andreasen 方程進行修正，提出了著名的DingerFunk 方程：CPTF/100=(Dn-Dsn) /(DLn-Dsn)。

其中：CPTF——小于粒度D的含量百分率（%），

n——分布模數，取0.30--0.60，

DL——最大顆粒粒徑，

Ds——最小顆粒粒徑。

 

    本文采用DingerFunk方程，建立基于不同分布模數的骨料目標級配模型。

 

    1.3.2 根據我國混凝土技術規范[3]，設定邊界條件

 

    1）以碎石、再生骨料和尾礦石等作為粗骨料，以尾礦砂、中砂、細砂和特細砂等作為細骨料。鑒于預拌混凝土公司的生產設備條件，每次取2~4種骨料投入運算。泵送混凝土砂率在35%至45%之間；

 

    2）細骨料中通過0.315mm篩孔的顆粒含量不應小于15％，且不大于30％；通過0.16mm篩孔的顆粒含量不應小于5％。根據砂率值，可計算出混合骨料中0.3mm篩孔通過率為5.25%~13.5%，0.16mm篩孔通過率大于1.75%。

 

    1.3.3 利用計算機應用程序，獲得最佳合成級配與每種骨料的體積百分比

 

    1）在邊界條件限定范圍內，對投入運算的骨料進行體積百分比隨機取值，將混合骨料的合成級配與目標級配進行比對，以偏差系數K來描述兩者之間的差異。偏差系數越小，合成級配與目標級配越接近。偏差系數一般為50-150。

 

    2）以偏差系數K最小化作為目標，通過計算機程序的重復循環運算，找出該批投入運算的骨料的最佳合成級配，以匹配眾多基于不同分布模數的目標級配，并確定每種骨料的體積百分比。

 

    3） 根據每種骨料的細度模數和體積百分比，計算出混合骨料的細度模數M。細度模數越大，混合骨料總表面積越小，細度模數一般為5.5-6.1。

 

    4）根據偏差系數K和細度模數M，確定最佳的骨料配比。

 

    2    設計案例

 

    2.1 原材料

 

    現有以下九種骨料[4]，需通過運算，獲得一份最佳的四級配骨料。

表1 各種骨料原材料性能

注：1. 細骨料的細度模數按《建筑用砂》（GB/T 14684）計算。

 

    2. 粗骨料的細度模數為各篩孔（0.15mm以上）累計篩余之和。

 

    3. 混合骨料的細度模數是基于各種骨料體積百分比的加權平均數。

 

    2.2  匹配不同目標級配的骨料體積百分比

 

    以劣級配碎石、尾礦石、尾礦砂和特細砂A組成混合骨料，利用編制的計算機應用程序，運算出十二組合成級配（略），以匹配不同的目標級配（n=0.30-0.60），各組合成級配對應的骨料體積百分比如下：

表2 匹配不同目標級配的骨料體積百分比

 

    由表2可知，本文涉及的劣級配碎石、尾礦石、尾礦砂和特細砂A四種骨料，難以匹配分布模數偏大或偏小的目標級配，原因是偏差系數K過大。當n=0.42時，偏差系數K幾乎最小（118），細度模數M也較合適（5.70），理論上為該批骨料所能獲得的最佳合成級配。

 

    2.3  針對不同特細砂、細砂和中砂的運算結果

 

    將特細砂B~D、細砂、中砂，分別取代特細砂A，逐一進行運算，按本文2.2的方法，確定每批骨料的最佳合成級配。如果將混凝土漿骨比統一為30:70，根據各種骨料的體積百分比和表觀密度，可計算出每種骨料的用量（kg/m3）。計算結果列于下表。

表3針對不同特細砂、細砂和中砂的運算結果

 

    由表3可知：隨著特細砂細度模數的提高（從1.13至1.45），在混凝土中的摻量可逐步提高（從207 kg/m3至323 kg/m3）。其中特細砂B配制的混合骨料，偏差系數最?。?04），最接近目標級配，混合料的細度模數較粗（5.61），0.3mm篩孔通過率（12.4%）、0.16mm篩孔通過率（3.0%）也較好。因此，在以上幾種特細砂中，與其它骨料匹配效果最好的是特細砂B。

 

    2.4  以細砂、中砂配制混合料的合成級配

 

    由表3可知，如果使用細砂，其最佳用量反而降低，但是混合骨料的合成級配趨向于n值較高的目標級配。如果使用中砂，其最佳用量基本上與特細砂持平。但是，使用細砂和中砂獲得的合成級配與目標級配非常接近（K=44~72，合成級配詳見表

   

    4），砂率較低（38.5%~39.2%），細度模數較高（6.07~6.08），骨料的空隙和總表面積都可降低，對配制混凝土更有利。

表4 以細砂、中砂配制混合料的合成級配

 

    將細砂和中砂配制的兩種骨料混合料進行比較，盡管前者的偏差系數略大些，但是0.16mm篩孔通過率較好，細度模數較高，效果較理想。說明經過精心、科學的配制，可實現細砂資源的合理利用。

 

    此外，表4中兩組合成級配的19mm篩孔通過率較目標級配明顯偏大，而4.75mm和2.36mm篩孔通過率較目標級配偏小。如果劣級配碎石略粗一些、尾礦砂略細一些，可使合成級配更理想。基于本文的骨料級配體系，可對骨料原材料提出明確的優化技術要求，以實現持續改進。

 

    3   小結

 

    3.1 骨料原材料性能的變化，會明顯影響混合骨料的最佳級配。在本文中，如果特細砂的細度模數發生細微變化，即使保持其它骨料不變，也導致最終結果差異較大。說明骨料配比的取值不能照搬別人的結論，必須建立在骨料品質的基礎上，因“料”制宜。

 

    3.2 本文以偏差系數K、細度模數M作為技術指標，以砂率、0.3mm和0.16mm篩孔通過率作為邊界條件，通過計算機應用程序的運算，理論上可獲得定量化的骨料最佳合成級配。此時的骨料混合料空隙最小，總表面積較小，填充骨料空隙、包裹骨料表面所用的膠凝材料最省，配制混凝土的工作性也較好，不易分層離析。