骨料级配对混凝土工作性能及企业综合成本的影响研究

唐玉超1，罗作球2，袁启涛1，王宁2，陈全滨1

（1.中建商品混凝土天津有限公司，天津 300000；2.中建西部建设北方有限公司，西安 710000；）

摘要：对于商品混凝土搅拌站，在现有砂石原材料的基础上，基于最紧密堆积理论对砂石级配进行优化，提高砂石品质是保证混凝土质量的一种技术手段，是混凝土企业降本增效的一个有效方式。将普通骨料筛分成不同粒级颗粒，按一定比例重新搭配，能够优化颗粒级配，降低骨料空隙率。通过砂石级配正交实验优化设计，得到级配优异的骨料，优异级配骨料的紧密堆积空隙率低，为21%，骨料级配对混凝土工作性能及力学性能具有一定影响。砂石骨料整体空隙率对混凝土性能影响较大，随着空隙率的增大，混凝土工作性能及力学性能降低。利用优异级配的骨料制备混凝土，相同强度等级，新拌混凝土状态优于普通骨料混凝土，比普通骨料混凝土每方降低胶凝材料用量30~50kg/m3。经过成本计算，每立方米降低混凝土成本8元以上。

关键词：堆积密度；空隙率；正交实验；工作性能；成本

0引言

在混凝土拌和物中，水泥浆填充砂子孔隙，包裹砂粒形成砂浆，砂浆又填充石子孔隙，包裹石子颗粒，形成混凝土。降低混凝土骨料空隙率具有以下优势：1.经济性：填充空隙所需要胶凝材料用量减少，可以降低成本；2.工作性：相同胶材用量可以使混凝土浆体富裕，提高工作性；3.力学性能及耐久性能：可以减少混凝土内有害缺陷，提高强度以及耐久性[1]。

试验表明：混凝土的水泥用量380kg/m3，骨料未经级配优化，配制C30混凝土标养28d，抗压强度36.9MPa。而经三级级配优化的集料配制C30混凝土，水泥用量降低到340 kg/m3，而28d标养强度38.9 MPa，效果是十分显著的[2]。

富勒最大密度理论认为当骨料的空隙率最小，密度最大时，骨料的级配为最优级配。利用现有普通骨料，通过一定技术手段优化其颗粒级配，使其达到更低的空隙率，更大的密度，探讨骨料级配对混凝土工作性能及综合成本的影响[3]。

1.原材料和实验方法

1.1原材料

水泥：河北某品牌P·O42.5水泥，技术指标符合现行国家标准要求。基本物理性能见表1-1。

设计砂石统一级配见表2-3。砂石统一级配骨料的密度及空隙率基本性能实验结果见表2-4，图示为图2-2、图2-3。

砂率为44%的砂石统一级配骨料，松堆空隙率和紧堆空隙率分别为29%，22%。级配得到进一步优化。

2.2骨料级配正交实验优化设计

设计正交实验优化砂石骨料统一级配，进一步降低砂石骨料统一级配的整体空隙率。影响砂石骨料整体空隙率的因素主要有石空隙率、砂空隙率及砂石比3个因素。设计正交实验，分析各因素对整体空隙率的影响大小。正交实验因素水平表如表2-5所示。

3．骨料级配对混凝土性能的影响

3.1骨料紧密堆积理论配合比设计及确定

骨料紧密堆积理论配合比设计思路主要有以下两点：混凝土强度理论与骨料紧密堆积理论。

混凝土强度理论，以使用水泥配制混凝土为计算基础，根据水泥强度、需水量和表观密度求出1MPA强度水泥的用量，以此计算出满足设计强度等级所需水泥的量, 其次根据掺合料的活性系数和填充系数用等活性替换和等填充替换求得胶凝材料的合理分配比例，最终确定配合比中各胶凝材料用量及胶材总量。然后用胶凝材料求得标准用水量对应的水胶比，在这一水胶比条件下确定合理的外加剂用量以及胶凝材料所需的搅拌用水量。

骨料紧密堆积理论混凝土模型简述如下：在1立方米体积内，骨料完全填充其中，水、外加剂及混凝土含气填充在骨料空隙中，胶凝材料分布在骨料与骨料界面处，占据骨料体积。当骨料处于紧密堆积状态时，砂石紧密堆积的空隙体积与拌合水、外加剂的体积及混凝土含气所占据的体积基本相同，互相抵消，不再考虑；砂石堆积的空隙体积与水、外加剂的体积及混凝土含气所占据的体积的差值为混凝土的缺陷，是导致混凝土强度降低的原因，也是造成混凝土工作性能变差的原因。单位体积减去胶凝材料体积，即砂石骨料体积，把砂石看做统一骨料，采用紧密堆积密度乘以骨料体积即砂石骨料的质量。

C30混凝土配合比设计如下：

1）配制强度的确定： 

骨料紧密堆积理论混凝土的配制强度按现行规范fcu，p=fcu，o+1.645σ确定。

因此，C30混凝土配制强度为fC30,p=30+1.645*5=38.2MPa。

2）胶凝材料用量的确定

通过计算，每兆帕混凝土对应的水泥、粉煤灰、矿粉用量分别是7.4 kg/MPa 、14.7kg/Mpa、7.9 kg/MPa。

根据原材料的来源及价格，考虑混凝土耐久性及水化热等实际情况，确定最佳的胶凝材料比例，确定水泥、粉煤灰、矿粉的比例为

0.6:0.15:0.25   

配制强度为38.2MPa的C30混凝土水泥用量为C0：

C0=0.6fC30，p×C=0.6×38.2MPa×7.4kg/MPa =170kg。

配制强度为38.2MPa的C30混凝土粉煤灰用量为F0：

F0=0.10fC30，p×C=0.15×38.2MPa×14.7kg/MPa =84kg。

配制强度为38.2MPa的C30混凝土矿粉用量为K0：

K0=0.30fC30，p×C=0.25×38.2MPa×7.9kg/MPa =75kg。

3）根据标准JGJ 55-2011《混凝土配合比设计》及实际经验，C30混凝土配合比用水量确定为170kg/m3。外加剂掺量1.9%，为6.2kg/m3。含气量设计为3%。

4）骨料用量的确定

经检测，水泥密度3080kg/m3，粉煤灰密度2340 kg/m3，矿粉密度2880 kg/m3。胶凝材料所占体积为0.117 m3，因此骨料体积为1-0.117 m3=0.883 m3，经测定，骨料紧密堆积密度为2130 kg/m3，因此，骨料质量为1881kg/m3。砂率为46%，则砂单方用量为1881 kg/m3×0.46=865 kg/m3，石单方用量为1881 kg/m3=865 kg/m3=1016kg/m3。

综上，得到基准配合比见表3-1。

4．骨料级配对企业综合成本的影响

西青站普通砂石骨料配制的混凝土称为普通骨料混凝土，采用技术手段级配得到优化的骨料配制的混凝土称为级配优异骨料混凝土。对比分析级配优异骨料混凝土与普通骨料混凝土主材成本。

级配优异骨料混凝土配合比见表4-1，普通骨料混凝土配合比见表4-2。

结论

1.普通骨料不同粒级颗粒按一定比例重新搭配，能够优化颗粒级配，降低骨料空隙率。较普通粗骨料，优化后骨料紧密堆积空隙率降低7%，较普通细骨料，优化后骨料紧密堆积空隙率降低5%。

2.空隙率小的粗骨料与空隙率小的细骨料搭配并不是降低骨料整体空隙率的最佳方式。影响骨料整体空隙率的三个因素是粗骨料空隙率、细骨料空隙率及砂石比；其中影响最显著的因素是细骨料空隙率，其次是粗骨料空隙率、砂石比。

3.通过砂石级配正交实验优化设计，得到级配优异的骨料级配，级配优异骨料紧密堆积空隙率为21%。筛余曲线如下表所示：

4. 骨料级配对混凝土工作性能及力学性能具有一定影响。砂石骨料整体空隙率对混凝土性能影响较大，随着空隙率的增大，混凝土工作性能及力学性能降低。砂石整体空隙率不宜大于23%。

5.利用级配优异骨料制备混凝土，达到相同强度等级，级配优异骨料混凝土比普通骨料混凝土每方降低胶凝材料用量30~50kg/m3，新拌混凝土状态优于普通骨料混凝土。经过成本计算，每立方米降低混凝土成本8元以上。

参考文献

[1]王军，赵日煦，陈耀丽，等. 砂石质量的差异对混凝土性能及其经济性的影响[J].混凝土，2010（3）,97-99.

[2]王恒，曲俐俐.骨料级配优化在预拌混凝土生产中的应用[J].中国港湾建设，2013(5)，37-39.

[3]程宝军，王军，杨文，等. 基于最紧密堆积理论配制超高强混凝土的试验研究[J].混凝土，2014(1)，101-105.