基于碎石最大堆積密度的C30泵送混凝土膠凝材料用量優(yōu)化研究
時間：2023-02-27 來源：混凝土世界 分享：
本文以實際生產(chǎn)C30泵送混凝土為對照組，通過對實際生產(chǎn)中所用碎石進行分級復(fù)配，對最大堆積密度條件下制備的混凝土膠凝材料的用量進行了優(yōu)化研究。
于林玉 陸豪 嚴(yán)家江 趙婷
山東魯橋建材有限公司 山東 濟南 250000
摘 要：預(yù)拌混凝土生產(chǎn)中多采用連續(xù)級配的碎石，然而由于碎石顆粒級配大多不夠合理，為保證混凝土性能，往往需要提高膠凝材料用量，這樣會導(dǎo)致混凝土生產(chǎn)成本提高，開裂敏感性增加。基于此，本文以實際生產(chǎn)C30泵送混凝土為對照組，通過對實際生產(chǎn)中所用碎石進行分級復(fù)配，對最大堆積密度條件下制備的混凝土膠凝材料的用量進行了優(yōu)化研究。結(jié)果表明，在相同的C30泵送混凝土拌合物、力學(xué)性能和干燥收縮要求下，碎石中5~10mm和10~25mm粒徑石子按質(zhì)量比20∶80分級復(fù)配，相比于實際生產(chǎn)用碎石制備的混凝土能夠顯著降低膠凝材料的用量20kg/m3，為實際生產(chǎn)中優(yōu)化C30泵送混凝土性能及降本增效提供了參考。
關(guān)鍵詞：碎石；分級復(fù)配；最大堆積密度；膠凝材料
碎石的顆粒級配和空隙率的大小是影響混凝土質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)，使用級配優(yōu)良的碎石是制備優(yōu)質(zhì)混凝土的基礎(chǔ)[1-2]。在獲得相同工作性能時，碎石如能達到最大堆積密度可使骨料的空隙率大幅度降低，從而可顯著降低填充于骨料空隙中的漿體用量，進而提高混凝土這種復(fù)合材料的堆積密度，全面提高混凝土質(zhì)量[3-4]。目前，山東濟南及周邊地區(qū)生產(chǎn)預(yù)拌混凝土在采用5~25mm連續(xù)級配的石灰?guī)r碎石生產(chǎn)時，石子的顆粒級配大多不夠合理，且在堆放和裝卸過程中，大顆粒石子易滾落到料堆底部，導(dǎo)致骨料堆場不同部位的石子顆粒級配差別很大。石子的顆粒級配不穩(wěn)定、空隙率變化大，會大大降低混凝土質(zhì)量及其穩(wěn)定性，導(dǎo)致新拌混凝土工作狀態(tài)起伏變化不定，易出現(xiàn)流動性差以及離析、泌水等現(xiàn)象[5]。為解決混凝土產(chǎn)生的問題，常見的方法主要有提高膠凝材料用量和提高砂率，然而，膠凝材料用量提高不僅增加了混凝土的生產(chǎn)成本，同時勢必會增加混凝土的開裂敏感性[6]。提高混凝土砂率雖然能夠在一定程度上緩解由于碎石級配不合理引起的混凝土質(zhì)量問題，這一做法也經(jīng)常被預(yù)拌混凝土攪拌站使用。但增加砂率的同時，骨料的總比表面積必然隨之增大，從而需要更多的膠凝材料來包裹骨料，也會增大單位體積混凝土中水和水泥的用量。而提高骨料堆積密度不僅可以全面提高混凝土質(zhì)量，而且可以有效降低填充骨料顆粒間隙所需水泥漿體用量，進一步減少膠凝材料的用量，降低生產(chǎn)成本。 基于此，為有效解決預(yù)拌混凝土生產(chǎn)過程中的這一常見質(zhì)量控制難題，同時考慮預(yù)拌混凝土生產(chǎn)過程中的可操作性和成本控制，本文以實際生產(chǎn)設(shè)計C30泵送混凝土配合比為基礎(chǔ)，通過對實際生產(chǎn)中所用碎石進行分級復(fù)配，對最大堆積密度條件下制備的混凝土膠凝材料用量進行了優(yōu)化研究，以期為混凝土生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。膠凝材料：山水集團P·O 42.5水泥；山東黃臺火電廠II級粉煤灰；魯新S95級礦粉。膠凝材料的化學(xué)成分見表1。
表 1 膠凝材料化學(xué)成分
%
砂：河砂，中砂，細(xì)度模數(shù)2.6，顆粒級配Ⅱ區(qū)，堆積密度1485kg/m3。石子：未分級碎石，級配見表2，性能指標(biāo)見表3；單粒級碎石，未分級碎石經(jīng)篩分獲得粒徑5~10mm和10~25mm的單粒級碎石。
表 2 碎石級配
表 3 碎石性能指標(biāo)
將碎石分別按照5~10mm和10~25mm進行篩分，按照表4的比例復(fù)配后混合均勻，按GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》的相關(guān)規(guī)定檢測碎石的堆積密度，確定最大堆積密度，如圖1所示。
表 4 5~10mm和10~25mm碎石復(fù)配比例
圖 1 不同粒徑碎石復(fù)配比例對堆積密度的影響
由圖1可知，當(dāng)采用5~10mm和10~25mm粒徑的碎石進行復(fù)配時，復(fù)配碎石的堆積密度隨著5~10mm石子復(fù)配比例的增加先升高后降低。在5~10mm碎石比例為20%時，得到碎石的最大堆積密度為1520kg/m3，因此本試驗采用5~10mm和10~25mm石子質(zhì)量比為20∶80。試驗以使用量大且廣泛的C30預(yù)拌泵送混凝土為主要研究對象，配合比見表5。其中C30-A為目前攪拌站采用連續(xù)級配碎石生產(chǎn)的C30泵送混凝土配合比；C30-B為將粗骨料替換為最大堆積密度分級復(fù)配的碎石設(shè)計的C30泵送混凝土配合比；C30-C為降低膠凝材料用量20kg/m3并采用最大堆積密度分級復(fù)配的碎石設(shè)計的C30泵送混凝土配合比；C30-D為降低膠凝材料用量40kg/m3并采用最大堆積密度分級復(fù)配的碎石設(shè)計的C30泵送混凝土配合比。
表 5 C30泵送混凝土試驗配合比
kg/m3
混凝土工作性按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測定混凝土坍落度和擴展度，同時為模擬實際工程應(yīng)用情況，測定新拌混凝土1h的混凝土坍落度經(jīng)時損失和擴展度經(jīng)時損失。采用150mm×150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)試模成型，24h后進行拆模，同時放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，養(yǎng)護至7d和28d齡期時根據(jù)GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土的抗壓強度。混凝土干燥收縮試驗的步驟和數(shù)據(jù)處理按照GB/T 50082—2019《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行。混凝土干燥收縮試驗采用架設(shè)千分表的形式進行測試，試件尺寸為100mm×100mm×400mm。
新拌混凝土的工作性能是預(yù)拌混凝土最重要的性能指標(biāo)之一。為此研究了混凝土坍落度、擴展度和1h后的坍落度經(jīng)時損失以及擴展度經(jīng)時損失，C30泵送混凝土的主要工作性見表6。
表 6 C30混凝土的主要工作性能
mm
由表6的結(jié)果可以看出，采用相同膠凝材料用量的C30-A和C30-B相比，C30-B混凝土的和易性更好。相比于C30-A，其流動性更大，其出機坍落度和出機擴展度均優(yōu)于C30-A混凝土，分別提高了20mm和50mm，1h坍落度經(jīng)時損失和1h擴展度經(jīng)時損失均小于C30-A混凝土。這說明，將混凝土中所用石子按5~10mm和10~25mm粒徑以質(zhì)量比20∶80進行復(fù)配，能夠更好的提高新拌混凝土的和易性，保證新拌混凝土更好的粘聚性和流動性，能夠更好地滿足混凝土的泵送工作要求，更利于混凝土的泵送施工。這主要是因為石子分級復(fù)配提高了石子的堆積密實性，降低了石子的空隙率，所以新拌混凝土中的漿體富余量得到增大，使得混凝土的工作性能大大提高。在上述基礎(chǔ)上，為進一步降低混凝土的生產(chǎn)成本，在混凝土容重、水灰比、砂率、外加劑摻量均保持不變的情況下，降低混凝土中膠凝材料的用量，研究新拌混凝土工作性能的變化，表5配合比中C30-C和C30-D，膠凝材料分別降低了20kg/m3和40kg/m3。由表6中可以看出，隨著膠凝材料用量的降低，混凝土的出機坍落度和出機擴展度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。但是，降低膠凝材料用量20kg/m3后，制備的C30-C混凝土和易性更好，其出機坍落度、出機擴展度、1h擴展度經(jīng)時損失仍明顯優(yōu)于采用常規(guī)技術(shù)制備的C30-A混凝土；當(dāng)膠凝材料用量降低40kg/m3以后，新拌混凝土的流動性明顯降低，粘聚性和保水性變差，工作性明顯降低，其出機坍落度和出機擴展度略低于采用常規(guī)技術(shù)制備的C30-A混凝土。從上述分析可以看出，在保持混凝土配合比主要技術(shù)參數(shù)不變的情況下，采用碎石中5~10mm和10~25mm粒徑石子的復(fù)配比例為的20∶80復(fù)配方式可以很好地改善混凝土的工作性，同時可適當(dāng)降低膠凝材料用量達到20kg/m3。同時對于本研究的C30泵送混凝土而言，膠凝材料用量降低過大，會劣化混凝土工作性，影響混凝土的施工進度。按表5配合比配制C30泵送混凝土，其抗壓強度隨齡期的變化如圖2所示。圖 2 不同配合比對C30泵送混凝土抗壓強度的影響
由圖2可知，（1）采用相同膠凝材料用量的C30-A和C30-B相比較，C30-B混凝土的7d、28d和60d抗壓強度均高于C30-A混凝土，其中7d強度提高8.9%，28d強度提高11.9%，60d強度提高11.2%。這說明將混凝土中所用石子按5~10mm和10~25mm以質(zhì)量比20∶80進行復(fù)配，能夠更好的提高混凝土的抗壓強度，這主要是因為采用最大堆積密度復(fù)配石子，骨料的空隙率降低，在漿體量不變的情況下，漿體可以更密實的填充骨料的空隙，從而使得混凝土的抗壓強度得到提高。（2）對比C30-B、C30-C、C30-D混凝土可以看出，隨著膠凝材料的降低，混凝土的抗壓強度逐漸降低。（3）對比C30-A、C30-C、C30-D混凝土可以看出，采用5~10mm和10~25mm粒徑石子以質(zhì)量比20∶80進行復(fù)配制備混凝土C30-C和C30-D，當(dāng)膠凝材料用量降低20kg/m3時，其不同齡期的抗壓強度依然均略高于C30-A混凝土，當(dāng)膠凝材料用量降低40kg/m3時，其抗壓強度出現(xiàn)下降，低于C30-A混凝土。這主要是因為隨著膠凝材料用量的降低，填充骨料空隙的漿體也相應(yīng)較少。所以，適量降低膠凝材料用量能夠較好地保證混凝土的工作性和強度，但如果膠凝材料用量降低幅度過大，勢必使得填充空隙的漿體不足，在混凝土內(nèi)部埋下質(zhì)量缺陷，從而使得混凝土的工作性和強度降低。上述分析說明，在混凝土容重、水灰比、砂率、外加劑摻量等配合比參數(shù)均保持不變條件下，通過改善石子顆粒級配可以降低膠凝材料的用量20kg/m3而不影響混凝土的力學(xué)性能。混凝土的干燥收縮是體積穩(wěn)定性最重要的組成部分，也是評價混凝土開裂敏感性的最重要指標(biāo)之一。本文進一步研究了按表5配合比配制的C30泵送混凝土不同齡期的干燥收縮變化，如圖3所示。
圖 3 不同配合比對C30泵送混凝土干燥收縮的影響
由圖3可知，（1）采用相同膠凝材料用量的C30-A和C30-B相比較，C30-B混凝土不同齡期的干燥收縮均明顯降低，其穩(wěn)定值降低6%。2種混凝土的干燥收縮90d后均慢慢趨于穩(wěn)定，達180d干燥收縮的90%以上。這說明將混凝土中所用石子按5~10mm和10~25mm粒徑以質(zhì)量比20∶80進行復(fù)配，有助于降低混凝土的干燥收縮，提高混凝土的體積穩(wěn)定性，有助于提高混凝土的長期耐久性。（2）對比C30-B、C30-C、C30-D混凝土可以看出，隨著膠凝材料單位用量的降低，混凝土的干燥收縮逐漸變大。（3）對比C30-A、C30-C、C30-D混凝土可以看出，采用5~10mm和10~25mm粒徑石子以質(zhì)量比20∶80進行復(fù)配制備混凝土C30-C和C30-D，當(dāng)膠凝材料用量降低20kg/m3時，其不同齡期的干燥收縮依然小于C30-A混凝土，其180d的穩(wěn)定干燥收縮約降低5%。當(dāng)膠凝材料用量降低40kg/m3時，其干燥收縮明顯升高，高于C30-A混凝土8%左右。由此可見，適量降低膠凝材料用量可以降低混凝土的干燥收縮，但降凝材料用量降低幅度過大，反而會增大混凝土的干燥收縮。對于干燥收縮的解釋有很多學(xué)說，如毛細(xì)管張力學(xué)說、凝膠體顆粒表面能變化學(xué)說、層間水遷移學(xué)說和拆開壓力學(xué)說等。一般認(rèn)為，大于100nm的毛細(xì)孔失水主要是引起水泥基材料質(zhì)量的減小而不會引起明顯的干燥收縮，而100nm以下的毛細(xì)孔失水將產(chǎn)生較大的干燥收縮應(yīng)力，其中50nm以下的毛細(xì)孔失水影響更大。如果混凝土配合比不變，采用5~10mm和10~25mm粒徑石子以質(zhì)量比20∶80進行復(fù)配制備混凝土，從而節(jié)省出更多填充空隙的漿體，以用于改善碎石的界面過渡區(qū)性能和細(xì)化混凝土孔結(jié)構(gòu)，特別是降低影響干燥收縮的100nm以下的孔的體積含量。一般認(rèn)為，混凝土干燥收縮隨膠凝材料用量的增加而增加。所以采用5~10mm和10~25mm粒徑石子以質(zhì)量比20∶80進行復(fù)配制備混凝土同時降低20kg/m3膠凝材料的情況下，混凝土的干燥收縮也得到降低；而降低40kg/m3膠凝材料的混凝土反而增加了干燥收縮，其原因在于，過少的膠凝材料用量不足以填充碎石空隙以及改善碎石界面過渡區(qū)性能，在混凝土內(nèi)部埋下了質(zhì)量缺陷，反而粗化了其孔結(jié)構(gòu)，增加了影響干燥收縮的孔體積含量，從而導(dǎo)致混凝土干燥收縮的增加。結(jié)合混凝土工作性、強度和干燥收縮等試驗可以看出，對于C30強度等級泵送混凝土而言，在不改變混凝土配合比各組分比例的情況下，采用5~10mm和10~25mm粒徑石子以質(zhì)量比20∶80進行復(fù)配可以有效改善混凝土工作性、強度和干燥收縮等性能；而在混凝土容重、水灰比、砂率、外加劑摻量等配合比參數(shù)均保持不變條件下，采用5~10mm和10~25mm粒徑石子以質(zhì)量比20∶80進行復(fù)配制備，即使膠凝材料用量降低20kg/m3也可明顯改善混凝土的工作性、強度和干燥收縮等性能。但膠凝材料用量降低幅度過大會劣化混凝土的綜合性能。
本文以實際生產(chǎn)C30泵送混凝土為對照組，通過對實際生產(chǎn)中所用碎石進行分級復(fù)配，對最大堆積密度條件下制備的混凝土膠凝材料的用量進行了優(yōu)化研究。得出以下結(jié)論：（1）試驗碎石中5~10mm和10~25mm粒徑碎石復(fù)配達到最大堆積密度的質(zhì)量比為20∶80。（2）相比于實際生產(chǎn)所用碎石，C30泵送混凝土中所用碎石經(jīng)最大堆積密度復(fù)配后能夠顯著提高混凝土的工作性能、力學(xué)性能和干燥收縮性能。其中，出機坍落度和擴展度分別提高了20mm和50mm，而1h經(jīng)時變化量有所降低；7d、28d和60d抗壓強度分別提高了8.9%、11.9%和11.2%；180d干燥收縮穩(wěn)定值降低了6%。（3）在相同的C30泵送混凝土拌合物、力學(xué)性能和干燥收縮要求下，碎石中5~10mm和10~25mm粒徑石子按質(zhì)量比20∶80分級復(fù)配能夠顯著降低膠凝材料的用量20kg/m3。
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