基于排水法的混凝土骨料級配優(yōu)化研究

孫慶武

（安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑設(shè)計學(xué)院，安徽 合肥 230011）

隨著基礎(chǔ)工程的興建和城市化的高速推進，混凝土的消耗量急劇增加，無論是過去的塑性混凝土還是現(xiàn)代多組分混凝土， 骨料在混凝土中所占的體積比例通常為混凝土總體積的60%～80%［1］。 生 產(chǎn) 商 為 了 提 高 混 凝 土 的 經(jīng) 濟 性能， 將骨料視為一種惰性材料應(yīng)用到混凝土中，所以很多的實驗研究都是針對水泥、摻和料與外加劑的比例進行的， 而忽略了骨料對混凝土的作用［2］。 骨料的品質(zhì)以及骨料的級配好壞直接影響著混凝土工作性能的好壞［3］，良好的級配能夠保證在減少混凝土拌合物用水量的情況下制得流動性以及強度等工作性能較好的混凝土，而且可以在與其他普通混凝土相同的制作條件下，得到均勻致密、強度較高的混凝上［4］。 本文在對混凝土級配理論進行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國預(yù)拌混凝土生產(chǎn)的實際狀況，提出一種簡便、實用的混凝土配合比設(shè)計及骨料的優(yōu)化方法， 應(yīng)用fuller級配曲線計算出3 種骨料各自的級配指數(shù)和最佳值，同時，對3 種骨料分別進行試塊制作，并且分別記錄抗壓強度、流動性等工作性能，對比骨料級配的好壞和砂石粒徑大小對混凝土工作性能的影響。

2 試驗材料、設(shè)備與方法

2.1 試驗材料和試驗設(shè)備

材料：PII52.5 型水泥（安徽海螺水泥股份有限公司），采用石灰?guī)r和白云巖自制的機制砂，海砂（國藥集團股份有限公司），石英砂（北京北科綠潔環(huán)?？萍加邢薰荆V粉（桂林靈川縣新華輝超微細(xì)粉廠），外加劑包括減水劑、膨脹劑、消泡劑（山東龍華鑫環(huán)保科技有限公司），自來水。

試驗設(shè)備：YAW-30T 萬能試驗機（測量范圍12～3 000 kN， 濟南吉蒂艾思儀器設(shè)備有限公司），BH35300 型超聲波篩分儀（孔徑0.1～5 mm，江蘇百杭超聲科技有限公司），GFJ-0.45 型實驗室砂漿攪拌機（杭州齊威儀器有限公司），NLD-3 型水泥膠砂流動度測定儀（上海魅宇儀器科技有限公司）。

2.2 試驗方法

2.2.1 最優(yōu)級配確定

首先根據(jù)fuller 級配曲線［5］，使用排水法初步確定3 種骨料的最優(yōu)級配指數(shù)。 具體確定方法為：將人為級配篩分后的300 g 機制砂、 石英砂和海砂骨料，分別裝到7 個燒瓶里面（270 mL)，7 個燒瓶分別代表不 同 的 級 配 分 維 數(shù)（0.4、0.425、0.45、0.475、0.5、0.525、0.55），然后加水、加熱、排除氣泡，最終稱取剩余水的質(zhì)量， 根據(jù)水的質(zhì)量判斷最佳的骨料級配分 配情況。 不同粒徑骨料質(zhì)量分配結(jié)果見表1。

表1 不同級配分維數(shù)下骨料質(zhì)量分配結(jié)果

2.2.2 抗壓強度試驗

根據(jù)表2 中的配比，將水泥和礦粉按一定比例伴均后將石英砂、機制砂、海砂分別放入攪拌機內(nèi)，加入各類外加劑，攪拌2 min，再緩慢加入水和減水劑，進行攪拌，攪拌完成以后先用濕抹布把攪拌鍋的邊緣潤濕，防止水分被吸走，最后將水泥拌合物倒入事先刷好油的模具（模具尺寸為150 mm×150 mm×150 mm）中，排除水泥拌合物中的氣泡后將模具密封放置24 h。 根據(jù)GB/T 50081—2019（混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)）分別在第1 d、第3 d 和第7 d 測定樣品的抗壓強度，并進行濕潤養(yǎng)護。

表2 不同骨料混凝土配比

2.2.3 流動度實驗

根據(jù)文獻［6］報道的流動度測試方法，將攪拌好的不同骨料（機制砂、石英砂、海砂）拌合物緩慢倒入水泥膠砂流動度測定儀的圓錐形模具里， 直到拌合物稍稍溢出模具，且肉眼觀察拌合物靜止為止，使用尺子測量膠砂擴散的最長邊及其垂直邊長度。

3 結(jié)果與分析

3.1 級配分維數(shù)對混凝土抗壓強度的影響

為了使得出的實驗數(shù)據(jù)更加具有科學(xué)性， 分別將不同級配分維數(shù)下的骨料（石英砂、機制砂和海砂）與水泥、礦粉、水等物料混勻制備成150 mm×150 mm×150 mm 混凝土試樣，測試不同骨料在不同養(yǎng)護時間（第1 d、3 d 和7 d）下的抗壓強度，每組樣品平行測定3 次， 取3 次測試值的平均值作為測試結(jié)果， 最終得到不同級配分維數(shù)情況下的混凝土的抗壓強度（圖1）。

圖1 不同級配分維數(shù)情況下混凝土的抗壓強度

從圖1 可以看出： 隨著養(yǎng)護時間的延長混凝土的抗壓強度逐漸增大；隨著級配分維數(shù)的增加，混凝土的抗壓強度先增大后減?。?在級配分維數(shù)為0.475 時，利用3 種骨料所制備的混凝土的抗壓強度均達到峰值；在養(yǎng)護時間為第7 d 時，抗壓強度最大值分別為97.5、107.7 和95.5 MPa； 按照抗壓強度由大至小各骨料的排序為機制砂、石英砂、海砂。

3.2 級配分維數(shù)對混凝土流動度的影響

為剖析級配分維數(shù)對混凝土流動度的影響，分別測量不同骨料制備的混凝土在剛制備完成時和制備完成后30 min 時的流動度，結(jié)果見表3。

表3 不同級配分維數(shù)下骨料的流動度mm

從表3 可以看出， 不同骨料混凝土的流動度從0 min 到30 min 呈減小趨勢。 隨著級配分維數(shù)的增加，不同骨料的流動度先逐漸減小后逐漸增大。當(dāng)級配分維數(shù)小于0.45 時， 隨著級配分維數(shù)的增大，骨料流動度逐漸增大； 當(dāng)級配分維數(shù)大于0.45 時，隨著級配分維數(shù)的增大流動度逐漸增大并趨于平穩(wěn)。在30 min 后， 不同骨料之間的流動度差異性不明顯， 說明流動度只與物料的級配分維數(shù)有關(guān)而與骨料的類型無關(guān)。

4 結(jié)語

本文采用在PII52.5 硅酸鹽水泥中加礦粉、膨脹劑、減水劑、消泡劑和水配制混凝土試塊，并比較不同粒徑和骨料種類對混凝土性能的影響， 得到以下結(jié)論。

（1）隨著養(yǎng)護時間的增加混凝土的抗壓強度逐漸增大；隨著級配分維數(shù)的增加，混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

（2）在級配分維數(shù)為0.475 時，3 種骨料所制備的混凝土的抗壓強度達到峰值， 按照抗壓強度由大至小排序為機制砂、石英砂、海砂。

（3）隨著級配分維數(shù)的增加，不同骨料的流動度先逐漸減小后逐漸增大。