混凝土骨料多元級配體系的研究與設(shè)計

上海市建筑科學(xué)研究院 李陽 · 2009-02-05 00:00 留言
  0 前言

  骨料一般占泵送混凝土體積的65%~72%,即膠凝材料凈漿與骨料的體積比(漿骨比)為28:72~35:65。在保證施工和易性的前提下,提高骨料體積即減小漿骨比,對混凝土的技術(shù)性和經(jīng)濟性具有重要的意義。但是現(xiàn)有的混凝土技術(shù)大多側(cè)重于膠凝材料和外加劑領(lǐng)域,對骨料的研究成果相對較少。我國現(xiàn)行的《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55)[1]以砂率來定義粗細骨料的比例關(guān)系,取值時任意性較大。美國混凝土協(xié)會的ACI規(guī)范根據(jù)粗骨料的緊密密度、最大粒徑和細骨料的細度模數(shù)等參數(shù)來確定粗骨料的用量,用重量法或體積法確定細骨料用量。這兩項規(guī)范僅涉及兩種粗細骨料,均屬于半經(jīng)驗化設(shè)計模式。

  我國建筑工程上使用的碎石,一直采用名義上的連續(xù)粒級[2],但是實際上往往達不到顆粒級配的技術(shù)要求(筆者稱此類碎石為劣級配碎石)。近年來由于優(yōu)質(zhì)天然骨料的日益匱乏,再生骨料、采石場的尾礦石和尾礦砂、細砂或特細砂等各種骨料也逐步被采用。多元化的骨料品種對混凝土的優(yōu)化配制技術(shù)提出了較高的要求。

  由于骨料品質(zhì)的下降,加上骨料級配技術(shù)的缺乏,預(yù)拌混凝土生產(chǎn)企業(yè)往往采用提高砂率、提高漿骨比等方法來保證混凝土的和易性,易造成膠凝材料用量偏大,提高了混凝土生產(chǎn)成本,還影響到混凝土的收縮性能和水化熱性能。

  本文提出一種混凝土骨料多元級配體系,使混凝土骨料配制技術(shù)科學(xué)化、定量化,以期達到提高混凝土的和易性、體積穩(wěn)定性和耐久性,節(jié)約資源、降低生產(chǎn)成本的目的。

  1   技術(shù)模型

  1.1  技術(shù)目標

  在輸入若干種骨料(一般為2~4種)原材料基本性能的前提下,可通過系統(tǒng)運算,定量地輸出混合骨料的最佳合成級配和各種骨料的體積百分比,并提出骨料級配優(yōu)化技術(shù)方案。

  1.2 設(shè)計思路

  建立理想的骨料目標級配模型,通過計算機程序運算,使混合骨料的合成級配最接近目標級配,并適當提高混合骨料的細度模數(shù),從而減少起填充骨料空隙、包裹骨料表面的作用的膠凝材料用量。

  1.3  設(shè)計路線

  1.3.1 采用DingerFunk方程,建立骨料目標級配模型

  不同粒徑的粗細骨料互相摻混,只有一種狀態(tài)是最緊密堆積的。Andreasen提出了一種基于連續(xù)尺寸分布顆粒的堆積理論。滿足該理論的級配曲線接近拋物線,骨料顆粒處于最緊密堆積狀態(tài),空隙率最小。

  20 世紀70 年代,Dinger 和Funk引入最小顆粒粒徑的概念,對Andreasen 方程進行修正,提出了著名的DingerFunk 方程:CPTF/100=(Dn-Dsn) /(DLn-Dsn)。

  其中:CPTF——小于粒度D的含量百分率(%),

  n——分布模數(shù),取0.30--0.60,

  DL——最大顆粒粒徑,

  Ds——最小顆粒粒徑。

  本文采用DingerFunk方程,建立基于不同分布模數(shù)的骨料目標級配模型。

  1.3.2 根據(jù)我國混凝土技術(shù)規(guī)范[3],設(shè)定邊界條件

  1)以碎石、再生骨料和尾礦石等作為粗骨料,以尾礦砂、中砂、細砂和特細砂等作為細骨料。鑒于預(yù)拌混凝土公司的生產(chǎn)設(shè)備條件,每次取2~4種骨料投入運算。泵送混凝土砂率在35%至45%之間;

  2)細骨料中通過0.315mm篩孔的顆粒含量不應(yīng)小于15%,且不大于30%;通過0.16mm篩孔的顆粒含量不應(yīng)小于5%。根據(jù)砂率值,可計算出混合骨料中0.3mm篩孔通過率為5.25%~13.5%,0.16mm篩孔通過率大于1.75%。

  1.3.3 利用計算機應(yīng)用程序,獲得最佳合成級配與每種骨料的體積百分比

  1)在邊界條件限定范圍內(nèi),對投入運算的骨料進行體積百分比隨機取值,將混合骨料的合成級配與目標級配進行比對,以偏差系數(shù)K來描述兩者之間的差異。偏差系數(shù)越小,合成級配與目標級配越接近。偏差系數(shù)一般為50-150。

  2)以偏差系數(shù)K最小化作為目標,通過計算機程序的重復(fù)循環(huán)運算,找出該批投入運算的骨料的最佳合成級配,以匹配眾多基于不同分布模數(shù)的目標級配,并確定每種骨料的體積百分比。

  3) 根據(jù)每種骨料的細度模數(shù)和體積百分比,計算出混合骨料的細度模數(shù)M。細度模數(shù)越大,混合骨料總表面積越小,細度模數(shù)一般為5.5-6.1。

  4)根據(jù)偏差系數(shù)K和細度模數(shù)M,確定最佳的骨料配比。

  2    設(shè)計案例

  2.1 原材料

  現(xiàn)有以下九種骨料[4],需通過運算,獲得一份最佳的四級配骨料。
 
表1 各種骨料原材料性能
骨料
品種
累計篩余,%
細度模數(shù)
表觀
密度kg/m3
31.5
mm
26.5
mm
19
mm
16
mm
9.5
mm
4.75
mm
2.36
mm
1.18
mm
0.6
mm
0.3
mm
0.15
mm
0.075
mm
劣級配碎石
0
20
50
74
97
100
100
100
100
100
100
100
8.41
2720
尾礦石
0
0
0
0
41
99.0
100
100
100
100
100
100
6.40
2750
尾礦砂
0
0
0
0
0
19.0
59.0
68.0
83.0
90.0
98.0
100
4.17
2750
特細砂A
0
0
0
0
0
0.1
0.2
0.2
0.5
20.2
92.3
100
1.13
2660
特細砂B
0
0
0
0
0
1.0
2.0
3.0
4.0
33.0
83.0
100
1.21
2660
特細砂C
0
0
0
0
0
0
0
1.0
5.0
47.0
77.0
100
1.30
2660
特細砂D
0
0
0
0
0
0
0
1.0
3.0
48.0
93.0
100
1.45
2660
細砂
0
0
0
0
0
6.2
8.7
10.6
17.5
72.6
96.4
100
1.86
2660
中砂
0
0
0
0
0
6.7
19.5
28.8
45.9
80.1
98.3
100
2.56
2560
 
  注:1. 細骨料的細度模數(shù)按《建筑用砂》(GB/T 14684)計算。

  2. 粗骨料的細度模數(shù)為各篩孔(0.15mm以上)累計篩余之和。

  3. 混合骨料的細度模數(shù)是基于各種骨料體積百分比的加權(quán)平均數(shù)。

  2.2  匹配不同目標級配的骨料體積百分比

  以劣級配碎石、尾礦石、尾礦砂和特細砂A組成混合骨料,利用編制的計算機應(yīng)用程序,運算出十二組合成級配(略),以匹配不同的目標級配(n=0.30-0.60),各組合成級配對應(yīng)的骨料體積百分比如下:
 
表2 匹配不同目標級配的骨料體積百分比
n值
體積百分比,%
砂率
%
0.3mm通過率
%
0.16mm通過率
%
K值
M值
劣級配碎石
尾礦石
尾礦砂
特細砂A
0.60
43.6
18.8
35.5
2.1
37.7
5.2
0.9
268
6.37
0.50
36.1
22.2
34.1
7.6
41.7
9.4
1.3
151
5.96
0.46
33.5
23.7
33.5
9.3
42.9
10.8
1.4
127
5.84
0.44
32.4
24.3
33.3
10.0
43.4
11.4
1.4
121
5.78
0.43
31.7
24.6
33.1
10.6
43.7
11.8
1.5
119
5.74
0.42
31.0
25.0
32.9
11.1
44.0
12.1
1.5
118
5.70
0.41
30.3
25.4
32.7
11.6
44.3
12.5
1.5
116
5.67
0.40
29.8
25.7
32.4
12.1
44.5
12.9
1.6
119
5.64
0.39
29.0
25.9
32.1
13.0
45.1
13.6
1.6
122
5.58
0.38
28.5
26.4
32.1
13.0
45.1
13.6
1.6
126
5.57
0.36
27.8
27.1
32.1
13.0
45.1
13.6
1.6
143
5.56
0.30
25.7
29.2
32.1
13.0
45.1
13.6
1.6
289
5.52
 
  由表2可知,本文涉及的劣級配碎石、尾礦石、尾礦砂和特細砂A四種骨料,難以匹配分布模數(shù)偏大或偏小的目標級配,原因是偏差系數(shù)K過大。當n=0.42時,偏差系數(shù)K幾乎最小(118),細度模數(shù)M也較合適(5.70),理論上為該批骨料所能獲得的最佳合成級配。

  2.3  針對不同特細砂、細砂和中砂的運算結(jié)果

  將特細砂B~D、細砂、中砂,分別取代特細砂A,逐一進行運算,按本文2.2的方法,確定每批骨料的最佳合成級配。如果將混凝土漿骨比統(tǒng)一為30:70,根據(jù)各種骨料的體積百分比和表觀密度,可計算出每種骨料的用量(kg/m3)。計算結(jié)果列于下表。
 
表3針對不同特細砂、細砂和中砂的運算結(jié)果
n值
每方混凝土骨料用量(kg/m3
砂率
%
0.3mm通過率%
0.16mm通過率%
偏差系數(shù)
K值
細度模數(shù)
M值
備注
尾礦石
尾礦砂
(特)細砂或中砂
0.42
590
482
663
207
44.0
12.1
1.5
118
5.70
特細砂A
0.40
588
470
593
260
44.7
12.4
3.0
104
5.61
特細砂B
0.37
612
440
534
323
45.0
12.0
4.5
109
5.55
特細砂C
0.38
623
430
540
315
45.0
11.6
1.7
127
5.58
特細砂D
0.50
725
453
544
190
38.5
5.6
1.0
72
6.08
細砂
0.50
767
395
436
307
39.2
5.6
0.7
44
6.07
中砂
 
  由表3可知:

  隨著特細砂細度模數(shù)的提高(從1.13至1.45),在混凝土中的摻量可逐步提高(從207 kg/m3至323 kg/m3)。其中特細砂B配制的混合骨料,偏差系數(shù)最?。?04),最接近目標級配,混合料的細度模數(shù)較粗(5.61),0.3mm篩孔通過率(12.4%)、0.16mm篩孔通過率(3.0%)也較好。因此,在以上幾種特細砂中,與其它骨料匹配效果最好的是特細砂B。

  2.4  以細砂、中砂配制混合料的合成級配

  由表3可知,如果使用細砂,其最佳用量反而降低,但是混合骨料的合成級配趨向于n值較高的目標級配。如果使用中砂,其最佳用量基本上與特細砂持平。但是,使用細砂和中砂獲得的合成級配與目標級配非常接近(K=44~72,合成級配詳見表4),砂率較低(38.5%~39.2%),細度模數(shù)較高(6.07~6.08),骨料的空隙和總表面積都可降低,對配制混凝土更有利。
 
表4 以細砂、中砂配制混合料的合成級配
目標級配和
合成級配
篩孔通過率,%
31.5
mm
26.5
mm
19
mm
16
mm
9.5
mm
4.75
mm
2.36
mm
1.18
mm
0.6
mm
0.3
mm
0.15
mm
0.075
mm
目標級配
n=0.50
100.0
91.4
76.8
70.1
53.1
36.4
24.5
16.2
10.4
6.2
3.2
1.1
合成級配細砂1.86
100.0
92.5
81.0
67.2
53.5
32.7
20.9
18.2
13.2
5.6
1.0
0
合成級配中砂
100.0
91.9
79.8
68.1
52.5
34.0
22.6
19.0
12.8
5.6
0.7
0

  將細砂和中砂配制的兩種骨料混合料進行比較,盡管前者的偏差系數(shù)略大些,但是0.16mm篩孔通過率較好,細度模數(shù)較高,效果較理想。說明經(jīng)過精心、科學(xué)的配制,可實現(xiàn)細砂資源的合理利用。

  此外,表4中兩組合成級配的19mm篩孔通過率較目標級配明顯偏大,而4.75mm和2.36mm篩孔通過率較目標級配偏小。如果劣級配碎石略粗一些、尾礦砂略細一些,可使合成級配更理想?;诒疚牡墓橇霞壟潴w系,可對骨料原材料提出明確的優(yōu)化技術(shù)要求,以實現(xiàn)持續(xù)改進。

  3   小結(jié)

  3.1 骨料原材料性能的變化,會明顯影響混合骨料的最佳級配。在本文中,如果特細砂的細度模數(shù)發(fā)生細微變化,即使保持其它骨料不變,也導(dǎo)致最終結(jié)果差異較大。說明骨料配比的取值不能照搬別人的結(jié)論,必須建立在骨料品質(zhì)的基礎(chǔ)上,因“料”制宜。

  3.2 本文以偏差系數(shù)K、細度模數(shù)M作為技術(shù)指標,以砂率、0.3mm和0.16mm篩孔通過率作為邊界條件,通過計算機應(yīng)用程序的運算,理論上可獲得定量化的骨料最佳合成級配。此時的骨料混合料空隙最小,總表面積較小,填充骨料空隙、包裹骨料表面所用的膠凝材料最省,配制混凝土的工作性也較好,不易分層離析。

  3.3 本文提出的混凝土骨料多元級配技術(shù)體系,需通過大量試驗和工程實踐進行驗證,部分邊界條件需不斷補充完善。 

(中國混凝土與水泥制品網(wǎng) 轉(zhuǎn)載請注明出處)

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