基于砂石緊密堆積理論的混凝土配合比研究

馮愛(ài)權(quán)

上海建工建材科技集團(tuán)股份有限公司 上海 200086

混凝土配合比設(shè)計(jì)遵循最緊密堆積原則，混凝土越密實(shí)則強(qiáng)度越高。在中低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土中，骨料為混凝土提供骨架作用并承擔(dān)大部分載荷，膠凝材料則作為黏結(jié)材料承擔(dān)小部分載荷。

因此，骨料的緊密堆積有利于充分發(fā)揮骨料的骨架作用。膠凝材料填充骨料空隙并為混凝土提供工作性，骨料的緊密堆積有利于減少膠凝材料用量。

本研究根據(jù)Dinger-Funk方程[1]，研究骨料的級(jí)配及砂率對(duì)混凝土性能的影響。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證Dinger-Funk方程在混凝土骨料級(jí)配設(shè)計(jì)中的適用性。

1 試驗(yàn)原材料

1）水泥：安徽海螺水泥集團(tuán)有限公司P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。

2）機(jī)制砂細(xì)度3.6，細(xì)砂細(xì)度1.5，特細(xì)砂細(xì)度0.9。級(jí)配如表1所示。

表1 砂級(jí)配

3）石子，江西5.00～26.50 mm碎石；細(xì)石，江西5.00～16.00 mm碎石。級(jí)配如表2所示。

表2 石子及細(xì)石級(jí)配

4）水：自來(lái)水。

5）外加劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司的PCA-10型高效減水劑。

6）粉煤灰：南京揚(yáng)子粉煤灰開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司的Ⅰ級(jí)粉煤灰。

7）礦粉：南京南鋼嘉華新型建材有限公司的S95級(jí)礦粉。

2 試驗(yàn)研究

20世紀(jì)70年代，Dinger和Funk基于Andreessen方程，考慮顆粒在實(shí)際堆積狀態(tài)中的最小顆粒尺寸，得到Dinger-Funk方程〔式（1）〕：

其中，D為顆粒粒徑，n為顆粒分布系數(shù)，DL為最大顆粒粒徑，Ds為最小顆粒粒徑，UD為粒徑小于D顆粒的累計(jì)百分?jǐn)?shù)。

三維情況下，n的取值在0.37附近時(shí)，球體顆?？梢詫?shí)現(xiàn)最緊密堆積。

2.1 砂率及石子級(jí)配

根據(jù)Dinger-Funk方程，計(jì)算顆粒粒徑為0～26.50 mm的理論顆粒級(jí)配。在n＝0.37附近，隨著n的變化，顆粒級(jí)配變化并不明顯，因此，研究過(guò)程中可直接取n＝0.37。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 粒徑0～26.50 mm理論最佳級(jí)配篩下百分?jǐn)?shù)

計(jì)算顆粒粒徑為4.75～26.50 mm的理論顆粒級(jí)配以及不同比例石子與細(xì)石混合后的累計(jì)篩下，4.75 mm以下顆粒由砂漿補(bǔ)充。將不同比例石子和細(xì)石混合后與n＝0.37時(shí)的累計(jì)篩下各級(jí)差的絕對(duì)值，用來(lái)表征其顆粒分布與理論顆粒分布的偏差。砂漿體積分?jǐn)?shù)和偏差的關(guān)系如圖1所示。

圖1 砂漿體積分?jǐn)?shù)與偏差的關(guān)系

從圖1可以看出，當(dāng)石子∶細(xì)石≤5∶5時(shí)，砂漿體積在53%附近，實(shí)際級(jí)配與理論級(jí)配偏差最小。而當(dāng)石子∶細(xì)石＝5∶5時(shí)，骨料的堆積最為緊密。當(dāng)砂漿體積繼續(xù)增大時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)富余砂漿代替石子顆粒，堆積密度開(kāi)始降低。因此，最佳石子與細(xì)石的比例為5∶5，既能充分利用大石子的密實(shí)性，降低比表面積，又能有比較小的空隙率，從而產(chǎn)生更多富余砂漿提供流動(dòng)性。

2.2 砂的級(jí)配

根據(jù)Dinger-Funk方程，計(jì)算顆粒粒徑為0～4.75 mm的理論顆粒級(jí)配。同樣，在n＝0.37附近，隨著n的變化，顆粒級(jí)配變化并不明顯，取n＝0.37。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 0～4.75 mm理論最佳級(jí)配篩下百分?jǐn)?shù)

0.15 mm以下顆粒由水泥漿體補(bǔ)充，將砂與水泥漿混合后與n＝0.37時(shí)的累計(jì)篩下各級(jí)差的絕對(duì)值，用來(lái)表征其顆粒分布與理論顆粒分布的偏差。石子∶細(xì)石＝5∶5時(shí)，水泥漿體積分?jǐn)?shù)和偏差的關(guān)系如圖2所示。

圖2 水泥漿體積分?jǐn)?shù)與偏差的關(guān)系一

從圖2可以看出，細(xì)砂摻量越低，則偏差達(dá)到最小時(shí)的水泥漿用量越高，當(dāng)機(jī)制砂∶細(xì)砂＝8∶2時(shí)，偏差最小，此時(shí)填滿(mǎn)砂子空隙的水泥漿占砂漿的體積分?jǐn)?shù)約為27%。但此時(shí)砂子比表面積過(guò)小，無(wú)法與水泥漿形成流動(dòng)性良好的砂漿[2]。

砂漿的流動(dòng)性對(duì)混凝土的流動(dòng)性有至關(guān)重要的影響，砂中加入的水泥漿不僅要保證有足夠的富余系數(shù)使砂漿產(chǎn)生流動(dòng)，更要使砂漿產(chǎn)生足夠的黏度，保證混凝土不會(huì)發(fā)生離析泌漿的現(xiàn)象。在偏差達(dá)到最低點(diǎn)后，所有的漿體均為富余漿體。

可見(jiàn)砂越細(xì)，填充空隙需要的漿體越少，能產(chǎn)生更多的富余漿體，但此時(shí)砂的比表面積也越大，產(chǎn)生相同厚度的水泥漿體膜需要的富余砂漿更多，且比表面積增大會(huì)增加水泥漿和砂子界面薄弱部分。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的細(xì)度模數(shù)，在中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中，細(xì)砂與機(jī)制砂的比例在7∶3時(shí)，砂漿具有較好的流動(dòng)性和黏聚性。

使用特細(xì)砂時(shí)，特細(xì)砂顆粒級(jí)配均在0.5 mm以下，對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)已經(jīng)不明顯。此時(shí)將特細(xì)砂算入漿體，將0.5 mm以上部分進(jìn)行緊密堆積。此時(shí)，水泥漿體積分?jǐn)?shù)和偏差的關(guān)系如圖3所示。

圖3 水泥漿體積分?jǐn)?shù)與偏差的關(guān)系二

此方法將0.5 mm以下無(wú)活性顆粒算入漿體，雖然可以調(diào)整漿體稠度，達(dá)到良好的流動(dòng)性，但同時(shí)也會(huì)影響漿體強(qiáng)度，因此仍需選擇合適的比例。從圖3可以看出，隨著機(jī)制砂比例提高，填充滿(mǎn)空隙所需水泥漿越來(lái)越多，且所需的漿體越來(lái)越稠。

2.3 確定試驗(yàn)配合比

根據(jù)以上計(jì)算，在不考慮流動(dòng)度的情況下，體積比為石∶砂∶膠凝材料∶水＝47∶38.7∶6∶8.3時(shí)，堆積可以達(dá)到最緊密狀態(tài)。根據(jù)密度計(jì)算質(zhì)量比為石∶砂∶膠凝材料∶水＝1 297∶1 010∶176∶83。為了確保流動(dòng)性，需對(duì)漿體體積進(jìn)行調(diào)整。水膠比不變，砂石比例保持不變。經(jīng)過(guò)試配、修正，實(shí)際配合比如表5所示[3-4]。

表5 實(shí)際配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)以上配合比進(jìn)行試配，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 試驗(yàn)結(jié)果

從表6可以看到，粗骨料級(jí)配緊密堆積對(duì)混凝土流動(dòng)性產(chǎn)生有利影響，通過(guò)調(diào)整砂子級(jí)配和摻入特細(xì)砂都能滿(mǎn)足混凝土對(duì)砂漿流動(dòng)性和稠度的要求。通過(guò)機(jī)制砂和特細(xì)砂復(fù)配，混凝土強(qiáng)度略增大，但包裹性比較差，這主要是由于機(jī)制砂多了，漿體較少。幾種級(jí)配的強(qiáng)度相差不大。

4 結(jié)語(yǔ)

最緊密堆積原理應(yīng)用于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，在石子級(jí)配選擇時(shí)有比較好的效果，能在對(duì)流動(dòng)性和強(qiáng)度產(chǎn)生很小影響的情況下，降低膠凝材料用量。在砂級(jí)配選擇時(shí)則需要兼顧混凝土拌和物的狀態(tài)，增大砂的比表面積以滿(mǎn)足混凝土和易性要求[5-12]。

機(jī)制砂、細(xì)砂和特細(xì)砂按適當(dāng)比例混合，可以得到包裹性和流動(dòng)性良好的砂漿，采用3種砂混合時(shí)可以達(dá)到較好的流動(dòng)狀態(tài)，優(yōu)于其中2種砂的混合。

隨著混凝土原材料的日益緊缺，混凝土行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，需要對(duì)配合比，尤其是大量使用的低強(qiáng)度等級(jí)配合比，根據(jù)原材料進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。這不僅有利于攪拌站的經(jīng)濟(jì)效益，更是符合當(dāng)前社會(huì)環(huán)保節(jié)能的發(fā)展方向。