混凝土中集料的摻配比例與外加劑的合理應(yīng)用

賈 文

(山西遠(yuǎn)方路橋集團(tuán)總公司第一分公司，山西 大同 037006)

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混凝土中集料的摻配比例與外加劑的合理應(yīng)用

賈 文

(山西遠(yuǎn)方路橋集團(tuán)總公司第一分公司，山西 大同 037006)

結(jié)合北京—烏魯木齊國家高速公路路基工程實例，檢測了施工中配制混凝土所需原材料的各項指標(biāo)，并從粗集料摻配比例、水膠比、用水量、砂率等方面，闡述了混凝土的配合比設(shè)計方案，分析了粗集料與外加劑對混凝土強(qiáng)度的影響，指出合理設(shè)計配合比可降低成本，滿足混凝土的工作性能。

混凝土，配合比，粗集料，水膠比

在水泥混凝土配合比的設(shè)計中，如何合理地設(shè)計各種粗集料的摻配比例,如何確定一個合理的砂率,這是筆者作為一個試驗室主任一直思考的問題。多年的工作實踐發(fā)現(xiàn)如果在水泥混凝土配合比的設(shè)計過程中，粗集料的摻配比例合理、砂率適中，外加劑應(yīng)用恰當(dāng)，既可滿足現(xiàn)場施工的要求，又能最大限度地節(jié)約水泥，可給施工企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益。為此，筆者通過參考大量的資料，結(jié)合自己的工作實踐，經(jīng)過反復(fù)試配，總結(jié)出了在水泥混凝土配合比的設(shè)計過程中的一些心得和經(jīng)驗，希望和業(yè)界同仁們共享。

眾所周知：在水泥混凝土中，粗集料(各種規(guī)格的碎石或卵石)起到主要“支架”作用，它構(gòu)成了混凝土的骨架，砂子分布于碎石或卵石之間的空隙中間，起到填充作用，而作為膠凝材料的水泥主要是包裹于碎石或卵石和砂子顆粒的表面，形成膠凝體將它們膠凝成為一個整體。隨著時間的推移，該膠凝材料逐步硬化，強(qiáng)度會逐步提高。技術(shù)規(guī)范規(guī)定：水泥混凝土試件的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度以邊長為150 mm的立方體試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后的抗壓強(qiáng)度表示。那么，影響水泥混凝土試件強(qiáng)度的因素有哪些，水泥的強(qiáng)度等級、單位膠凝材料用量(主要為單位水泥用量)、水膠比的大小固然是主要因素。但粗集料連續(xù)級配的范圍、粗集料母巖的抗壓強(qiáng)度、砂率的大小、試件成型振搗方式、試件的養(yǎng)護(hù)條件等也很大程度地影響著混凝土的強(qiáng)度。

在北京至烏魯木齊國家高速公路路基工程的施工過程中，我工地試驗室配制路基排水溝、急流槽及附屬工程用混凝土，設(shè)計強(qiáng)度等級為C20。在試配過程中，試驗室檢測人員對所用原材料進(jìn)行各項指標(biāo)檢測，檢測結(jié)果如下所示。

1 試驗用原材料檢測結(jié)果

1)水泥選用大同冀東P.O42.5，其各項指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示。

表1 水泥各項指標(biāo)檢測結(jié)果

2)粉煤灰選用大同二電廠產(chǎn)，符合Ⅱ級灰標(biāo)準(zhǔn)，其各項指標(biāo)檢測結(jié)果如表2所示。

3)砂選用曹家灣晶礫砂場天然砂，其各項指標(biāo)檢測結(jié)果如表3所示。

表2 粉煤灰各項指標(biāo)檢測結(jié)果

表3 砂各項指標(biāo)檢測結(jié)果

4)碎石選用張家口左衛(wèi)石料廠生產(chǎn)的10 mm～20 mm,5 mm～10 mm兩種碎石按比例進(jìn)行摻配，摻配后其級配符合JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范表6.4.3中5 mm～20 mm連續(xù)級配的要求。其各項指標(biāo)檢測結(jié)果如表4所示。

表4 碎石各項指標(biāo)檢測結(jié)果

其篩分結(jié)果如表5所示。

表5 碎石篩分結(jié)果

5)減水劑選用北京京城匯實有限公司生產(chǎn)的JH-2聚羧酸高效減水劑，該產(chǎn)品委托甲級試驗室檢測，各項指標(biāo)均符合有關(guān)規(guī)程要求。

2 配合比設(shè)計

2.1 各種粗集料的最佳摻配比例的確定

由于JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范表6.4.3中5 mm～20 mm連續(xù)級配的范圍很寬，不同的摻配比例均能滿足該粗集料5 mm～20 mm連續(xù)級配的要求。那么，究竟哪一種摻配比例才是最佳的，我們可以用下面的方法確定：

為了運(yùn)算方便、直觀，我們借助了Excel電子表格。將表6與圖1的“JJ05a-10-1”和“JJ05a-10-2”鏈接起來，在“JJ05a-10-1”表格的單元格中輸入相關(guān)公式，其中數(shù)據(jù)就在“JJ05a-10-2”電子表格直觀地顯示出來(本圖表兩種碎石的摻配比例為：10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20)。在這里，有的同事也許會提出：每個篩孔的累計篩余越接近中值越好。其實并不完全是這樣。我們的理念是：合成級配曲線(即中間那根粗實線)盡可能是一條平順圓滑的實線，而不應(yīng)該是鋸齒狀的折線。盡管這樣也在級配曲線范圍內(nèi)，但實踐證明這是一組不良的摻配比例，粗集料之間不會形成很好的“咬合”，這樣摻配成的混合料振實密度也不會很高。為證實這一點可做如下試驗：我們先選定2種～3種不同的摻配比例，當(dāng)然合成級配必須在規(guī)定級配范圍。本次試驗中，我們選定的2種摻配比例分別是：10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20和10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=60∶40；我們將這兩種碎石按以上比例分別進(jìn)行摻配，并分別測其振實密度，經(jīng)過反復(fù)多次的測試，得出：按10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20的比例進(jìn)行摻配的碎石的平均振實密度為1.78 g/cm3，而按10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=60∶40的比例進(jìn)行摻配的碎石的平均振實密度為1.71 g/cm3。這充分說明了按10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20的比例進(jìn)行摻配的碎石的“咬合”程度更好，其空隙更小。

表6 水泥混凝土顆粒級配組成計算表(JJ05a-10-1)

合同段號： 記錄編號：

2.2 基準(zhǔn)水膠比的確定

首先，需測膠凝材料28 d的實測抗壓強(qiáng)度。在這里，選定水泥和粉煤灰的摻量分別為70%和30%。按這個比例成型膠砂試件，測得其28 d抗壓強(qiáng)度為29.7 MPa(也可以通過42.5×0.7=29.8 MPa近似地計算得出)。這樣，就可以將有關(guān)參數(shù)代入下列公式計算出基準(zhǔn)水膠比。

W/B=αa·fce/(fcu,0+αa·αb·fce)=0.53。

其中，W/B為水膠比;αa,αb均為回歸系數(shù)，αa=0.53,αb=0.2;fce為膠凝材料28 d的實測抗壓強(qiáng)度，MPa;fcu,0為混凝土試配強(qiáng)度(這里按公式fcu,0≥fcu,k+1.645·σ，fcu,k為混凝土強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，這里為20 MPa，σ為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，這里取4.0 MPa。這樣計算結(jié)果為fcu,0≥26.6 MPa，此處取26.6 MPa)。

2.3 確定單位用水量

根據(jù)經(jīng)驗，并參考設(shè)計坍落度(這里為100 mm～140 mm)、粗集料最大粒徑、粗集料種類、砂率、外加劑摻量減水率范圍等進(jìn)行綜合確定，進(jìn)行多次反復(fù)調(diào)整，經(jīng)多次混凝土試拌，測其工作性能，最終確定為：單位用水量：180 kg/m3，外加劑摻量為0.9%。

2.4 砂率的確定

根據(jù)經(jīng)驗，并參考JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程、粗集料種類等諸方面因素，經(jīng)多次試拌，最終確定砂率為41%。

2.5 確定單位混凝土各材料用量

采用假定容重法，計算各材料用量。這里假定容重為2 430 kg/m3。

為了驗證兩種不同摻配比例的集料對混凝土強(qiáng)度的影響，用兩種不同摻配比例的集料按照同樣的成型方法各成型6組不同水膠比(即0.53,0.48,0.58)的試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)到規(guī)定的齡期，測試其7 d和28 d抗壓強(qiáng)度，其結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表7 不同集料摻配比例下不同齡期的抗壓強(qiáng)度單組值及平均值 MPa

通過以上分析，同樣的水膠比、同樣的成型方法、同樣的養(yǎng)護(hù)條件，按兩種不同摻配比例的集料成型的混凝土試件，其7 d和28 d抗壓強(qiáng)度有著顯著的不同。按10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20的摻配比例成型的混凝土試件抗壓強(qiáng)度明顯較高。對兩種不同摻配比例的集料成型的混凝土試件28 d抗壓強(qiáng)度利用“Excel圖表”功能進(jìn)行一元線性回歸，結(jié)果如圖2所示。

由圖2中的一次函數(shù)關(guān)系式可以得出：當(dāng)混凝土的強(qiáng)度為26.6 MPa時，膠水比為1.54，即水膠比為W/B=0.65；由此可以得出：每立方米混凝土的膠凝材料用量為180/0.65=277 kg。其中，水泥：277×70%=194 kg；粉煤灰：277×30%=83 kg；減水劑：277×0.009%=2.493 kg，滿足素混凝土最小膠凝材料用量250 kg/m3的要求。

10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=60∶40的混凝土28 d強(qiáng)度與膠水比關(guān)系圖見圖3。

由圖3中的一次函數(shù)關(guān)系式可以求出：當(dāng)混凝土的強(qiáng)度為26.6 MPa時，膠水比為1.746，即水膠比為W/B=0.57；由此可以求出：每立方米混凝土的膠凝材料用量為180/0.57=316 kg。其中，水泥：316×70%=221 kg；粉煤灰：316×30%=95 kg；減水劑：316×0.009%=2.844 kg，滿足素混凝土最小膠凝材料用量250 kg/m3的要求。

3 混凝土經(jīng)濟(jì)效果評價

通過以上試驗分析得出：兩種不同粗集料摻配比例的混凝土所用粗、細(xì)集料上的成本雖然相差無幾，但在膠凝材料和減水劑上的差別卻十分明顯。如按照水泥市場價格350 元/t，粉煤灰160 元/t，減水劑6 000 元/t計算；用10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20的混凝土配合比每立方米可節(jié)約成本：(221-194)/1 000×350+(2.844-2.493)/1 000×6 000+(95-83)/1 000×160=13.48元。這對于任何一個工程項目無疑是一筆可觀的資金。就拿京烏工地路基排水溝、急流槽及附屬工程用混凝土12 000 m3來說，就可節(jié)約：12 000×13.48=161 760 元。因此，在混凝土施工中，只要配合比設(shè)計合理，就可以在滿足工作性能要求的基礎(chǔ)上，最大限度地節(jié)約成本，降低工程造價。

[1] JGJ 55—2011,普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S].

[2] JTG E30—2005,公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程[S].

[3] JTG E42—2005,公路工程集料試驗規(guī)程[S].

[4] JTG/T F50—2011,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

Rational application of concrete aggregate mixing proportion and admixture

Jia Wen

(Shanxi Yuanfang Highway & Bridge Group Corporation 1st Branch Company, Datong 037006, China)

Combining with Beijing-Urumqi national highway subgrade engineering example, the paper detects raw material indicators needing in concrete preparation of the detection construction process, describes concrete mixing proportion design scheme from aspects of coarse aggregate mixing proportion, water-binder ratio, water volume and sandy ratio, analyzes the impact of coarse aggregate and admixture upon concrete strength, and finally points out that: rationally designing mixing proportion can reduce cost and meet concrete working performance as well.

concrete, mixing proportion, coarse aggregate, water-binder ratio

1009-6825(2017)08-0122-03

2017-01-05

賈 文(1973- )，男，工程師

TU528

A