混凝土骨料多元級配體系的研究與設(shè)計
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。
1.3.1 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)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。
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 |
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:
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 |
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。
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 |
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。
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。
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