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)關注的熱點，特別是目前水泥、砂石等受環(huán)保壓力與運輸限制，混凝土單方成本不斷攀升。本文針對常用強度等級 C30 在不改變原有材料品質(zhì)的條件下，對粗細骨料進行優(yōu)化，使其具有更大的堆積密度，降低空隙率，從而實現(xiàn)配合比的優(yōu)化，降低混凝土單方成本。試驗結(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混凝土同和易性、同強度的混凝土。

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級粉煤灰，細度 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制中Ⅱ砂與中 Ⅲ 砂。中Ⅱ細度模數(shù) 2.8，含泥量 3.2%；中 Ⅲ 細度模數(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 試驗與討論

混凝土配合比設計方法按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》重量法設計。砂石堆積密度和空隙率按 GB/T 14684—2011《建設用砂》進行試驗。

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)相關文獻[3-4]中對于干砂漿的定義，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度的混凝土。

2.1.1 石子級配優(yōu)化

使用篩網(wǎng)對現(xiàn)有 5～31.5mm 碎石進行篩分，得到5～16mm 和 16～31.5mm 二級配碎石。將二級配碎石按不同重量比例進行搭配，測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

對圖 1 曲線擬合公式求導，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%。和原未篩分碎石對比，空隙率降低了1.7%。由全計算法[4]可知，干砂漿體積可以減少 17L，可以計算得出水泥 8.4kg，粉煤灰 3.2kg，即總膠凝材料可以在原配合比基礎上減少約 11kg 的條件下，混凝土的和易性和強度不變。

2.1.2 混凝土對比試驗

將實際生產(chǎn)配合比作為基準進行對比（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，出機和易性和強度數(shù)據(jù)見表3。

表 2 石子優(yōu)化后配合比對比 kg/m3

表 3 石子優(yōu)化后和易性與強度對比

混凝土對比試驗可以看出，當按 2.1.1 堆積密度計算結(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，混凝土出機和易性與強度均未出現(xiàn)變化，與基準配合比相當。

2.2 砂空隙率優(yōu)化

2.2.1 不同砂復配

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

圖 2 兩種砂復配堆積密度

對圖 2 擬合曲線進行求導，中砂Ⅱ用量 68%，中砂Ⅲ 用量 32%，得到最大堆積密度為 1564kg/m3。此條件空隙率達到最低，為 41%。

2.2.2 石粉替砂

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

圖 3 石粉替砂堆積密度

對圖 3 擬合曲線求導，得到最大堆積密度為1646kg/m3，石粉替代率為 8%，空隙率為 38%，比基準降低了 3%。

2.2.3 混凝土對比

由 2.1 得到最佳碎石級配，采用 5～16mm 碎石49%、16～31.5mm 碎石 51% 固定復配。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 膠凝材料對于強度和和易性的影響。配合比見表 4。分別對混凝土出機和易性以及 3d、7d 和 28d 強度進行測試，測試結(jié)果見表 5。

表 4 替代石粉配合比 kg/m3

表 5 混凝土強度與和易性數(shù)據(jù)

首先從強度上對比，使用最大堆積密度的方案從減少 10kg 膠材到 30kg 膠材，無論是早期強度還是后期強度均高于基準生產(chǎn)配比。只有當減少膠材到 40kg 才出現(xiàn)后期強度低于基準生產(chǎn)配比強度，這是因為石粉主要起到微集料效應，填充空隙，降低水性硬性材料到一定水平后，石粉對水化產(chǎn)物稀釋作用放大，從而導致了強度下降。再次單獨關注 3d 早期強度發(fā)現(xiàn)加入石粉后，強度均高于基準，這是因為石粉并非完全惰性，能加速水化效應[6]。從本次試驗來看，優(yōu)化配比減少 30kg 膠材最為合適，其強度數(shù)據(jù)略高于基準。

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，混凝土倒筒時間先減少后增加，混凝土擴展度先增加后減小。這是因為富余漿體體積的變化，開始減少少量膠凝材料時，由于空隙率小，富余漿體比基準配合比豐富，所以擴展度與倒筒時間得到了優(yōu)化。當繼續(xù)減少膠材時，為了控制容重必須增加砂石用量，整個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充時，就造成擴展度與倒筒時間劣化。因此從和易性角度出發(fā)，在此次試驗材料基準上，配合比優(yōu)化不宜減少膠材總量超過 30kg。

綜合強度、和易性和經(jīng)濟性來看，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 膠材可達到與基準配合比等同的和易性，同時強度略高于基準配合比。優(yōu)化后的配合比對比基準生產(chǎn)配合比，單方成本有所降低。

3 結(jié)論

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

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

（3）采用最緊密堆積粗細骨料，對比基準生產(chǎn)配比可降低 30kg 膠材用量，同時混凝土和易性與基準相當，早期 3d 強度高于基準，28d 后期強度略高于基準。

（4）采用最緊密堆積法對粗細骨料進行優(yōu)化后，28d 強度達 43MPa，出機擴展度 570mm，倒筒時間6.1s，滿足 C30 混凝土使用條件，且 C30 混凝土單方成本相對于生產(chǎn)基準配比有所降低。