第 ６期 ２ 年 ６月 广东水利水电 ＧＵＡＮＧＤＯＮＧＷＡＴＥＲＲＥＳ ＯＵＲＣＥＳＡＮＤＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ６ Ｎｏ Ｊ ｕ ｎ ２ 骨料级配优化对混凝土胶凝材料用量的影响 蔡杰龙 杨永民 李 伟 广东省水利水电科学研究院 广东省水利重点科研基地 广东 广州 ５６３５ 摘 要 骨料级配优化对于改善混凝土工作性能和节省胶凝材料用量具有重要的意义 该文分别对粗细骨料级配进行优 Ｃ２ ５ Ｃ３ 进行混凝土 化得到堆积密度大 空隙率小的细骨料和粗骨料 并分 ２种类型 直卸 泵送 和 ３种标号 Ｃ２ ３ ５ｍｍ 配合比试验对比骨料级配优化前后单方混凝土胶凝材料用量 最后通过实例进行验算 试验结果表明 当砂中 ５ｍｍ碎石或 ５ ２ ５ｍｍ碎石中掺入一定比例的 ５ ｍｍ石时 以下细砂含量控制在一定比例 并在连续级配的 ５ ３ ３ 每 ｍ 混凝土中胶凝材料用量均可得到一定程度的降低 与理论验算结果较为吻合 骨料级配优化可操作性强 适合在 混凝土生产企业中推广 关键词 粗骨料 细骨料 级配优化 混凝土 胶凝材料用量 ２ ８ 文献标志码 Ｂ 文章编号 ８ ２ ２ ６ ６ ５ 中图分类号 ＴＵ５ 随着建筑工程的蓬勃发展 混凝土的应用越来越 广泛 然而面对激烈的市场竞争 混凝土生产厂家迫 切需要通过各种技术手段降低企业生产成本才能适应 市场的发展 在混凝土拌合物中 水泥浆体填充砂 石空隙 并包裹砂 石表面起润滑作用 使混凝土获 得施工时必要的和易性 而砂 石骨料在混凝土中起 为此 优化粗细骨料级配使粗细颗 着骨架作用 粒配合得当 细骨料填充粗骨料空隙 水泥浆填充细 骨料空隙 可实现在一定程度上减少空隙率并达到降 低胶凝材料用量的目的 ａ 骨料级配优化前 然而 级配 优 化 理 论 所 建 立 的 理 想 模 型 与 实 际 应用存在 很 大 差 别 在 实 际 生 产 过 程 中 几 乎 所 有 砂石都是直 接 使 用 并 未 经 过 任 何 级 配 优 化 处 理 天然骨料 堆 积 形 成 的 空 隙 往 往 空 隙 率 较 大 如 图 ａ 所示 仍然具有较大的空间可降低 而骨料级配 优化后的 堆 积 空 隙 率 则 可 得 到 明 显 的 降 低 如 图 ｂ 所示 这对于生产企业来讲预示着粗细骨料级配 优化存在巨大的经济效应 ２ ３ ５ 鉴于此 本文通过 ｂ 骨料级配优化后 优化粗细骨料级配并将 级 配 优 化 前 后 的 粗 细 骨 料 应 用在混凝土 中 以 对 比 骨 料 级 配 优 化 对 单 方 混 凝 土 试验 胶凝材料用量的降低作用 然后结合实例进行验算 主要原材料 为企业合理使用粗细骨 料 和 降 低 生 产 成 本 提 供 重 要 的参考依据 水泥 图 骨料颗粒堆积模型示意 ５Ｒ水 本试验采用广东塔牌集团生产的 Ｐ Ⅱ２ 泥 其基本物理性能如表 所示 收稿日期 ２ ２ ７ 修回日期 ２ ３ ９ ８ ７ 男 硕士 助理工程师 主要从事水泥混凝土及外加剂等建筑材料研究 作者简介 蔡杰龙 ６
2014 年 6 月 第 6 期 蔡 杰 龙, 等 : 骨 料 级 配 优 化 对 混 凝 土 胶 凝 材 料 用 量 的 影 响 No 6 Jun.2014 表 1 水 泥 的 基 本 物 理 性 能 标 准 稠 度 比 表 面 积 密 度 凝 结 时 间 /min 安 定 性 抗 压 强 度 /MPa /% /(m 2 kg -1 ) /(g cm -3 ) 初 凝 终 凝 沸 煮 法 3d 28d 24 50 380 3 05 125 195 合 格 25 2 48 5 1 1 2 细 骨 料 1 1 3 粗 骨 料 天 然 河 砂, 属 于 级 配 Ⅱ 区, 细 度 模 数 为 2 60~ 共 有 3 种 不 同 尺 寸 的 碎 石, 均 属 花 岗 岩 碎 石,5~ 2 80, 表 观 密 度 为 2670kg/m 3, 含 泥 量 为 0 8%, 31 5mm 碎 石 和 5~25mm 碎 石 连 续 级 配, 基 本 物 理 8 12% 指 标 如 表 2 所 示 表 2 粗 骨 料 基 本 物 理 指 标 粗 骨 料 尺 寸 /mm 表 观 密 度 /(kg m -3 ) 堆 积 密 度 /(kg m -3 ) 紧 密 密 度 /(kg m -3 ) 5~31 5mm 碎 石 5~31 5 2680 1390 1510 5~25mm 碎 石 5~25 2670 1380 1500 5~10mm 石 5~10 2680 / / 1 1 4 其 它 原 材 料 1) 矿 渣 粉 :S95 矿 渣 粉, 为 广 东 韶 钢 嘉 羊 新 型 建 材 有 限 公 司 生 产, 表 观 密 度 为 2 80g/cm 3,28d 活 性 指 数 为 98%; 2) 粉 煤 灰 :Ⅱ 级 粉 煤 灰, 为 广 州 恒 达 资 源 综 合 利 用 有 限 公 司 黄 电 粉 煤 灰 加 工 厂 生 产, 表 观 密 度 为 2 38g/cm 3,28d 活 性 系 数 为 70%, 需 水 量 比 为 95%, 烧 失 量 为 7 15%; 3) 减 水 剂 : 使 用 深 圳 五 山 萘 系 减 水 剂, 固 含 量 为 30%,pH=6 3, 密 度 =1 10g/cm 3, 减 水 率 为 20% 1 2 试 验 方 法 1 2 1 粗 细 骨 料 样 品 制 备 不 同 空 隙 率 的 细 骨 料 主 要 通 过 控 制 0 315mm 以 下 细 砂 含 量 进 行 调 整, 细 骨 料 细 度 模 数 应 控 制 在 Ⅱ 区 中 砂 范 围 内 ; 不 同 空 隙 率 的 粗 骨 料 主 要 通 过 5~10mm 石 和 5~31 5mm 碎 石 或 5~25mm 碎 石 按 比 例 搅 拌 均 匀 后 进 行 测 定, 根 据 工 程 应 用 要 求, 直 卸 混 凝 土 主 要 使 用 5~31 5mm 碎 石, 泵 送 混 凝 土 主 要 使 用 5~ 25mm 碎 石 2 试 验 结 果 与 分 析 2 1 骨 料 级 配 优 化 2 1 1 细 骨 料 最 低 空 隙 率 本 试 验 中 使 用 0 315mm 以 下 细 砂 含 量 控 制 砂 的 空 隙 率, 主 要 基 于 以 下 2 点 考 虑 :(1) 混 凝 土 泵 送 施 工 技 术 规 范 (JGJ/T10-95) 中 指 明 细 骨 料 宜 采 用 中 砂, 通 过 0 315mm 筛 孔 的 砂, 不 应 少 于 15%;(2) 工 程 实 践 经 验 通 常 以 控 制 指 标, 以 改 善 混 凝 土 的 粘 聚 性 和 增 加 混 凝 土 的 密 实 性 由 图 2 可 知, 随 着 0 315mm 以 下 细 砂 含 量 的 不 断 增 大, 从 8 12% 逐 渐 增 大 到 31 0% 时, 细 骨 料 松 散 堆 积 和 紧 密 堆 积 的 空 隙 率 均 先 逐 渐 降 低 后 逐 渐 升 高 从 试 验 数 据 可 知, 其 在 17 84% 时 空 隙 率 达 到 最 低, 分 别 是 41 44% 和 35 18% 从 图 2 中 松 散 堆 积 对 应 的 空 隙 率 来 看,0 315mm 以 下 细 砂 含 量 在 20 20% 和 22 00% 时 空 隙 率 也 相 对 较 低, 分 别 为 41 48% 和 41 47%, 其 对 应 的 0 315mm 以 下 细 砂 含 量 均 可 作 为 工 程 参 考 指 标 图 2 0 315mm 以 下 细 砂 含 量 与 细 骨 料 空 隙 率 之 间 的 关 系 综 上 所 述, 17 84% 20 20% 和 22 00% 同 样 可 作 为 实 际 工 程 应 用 中 的 参 考 指 标 然 而, 由 于 0 315mm 以 下 细 砂 含 量 的 增 大 往 往 也 会 直 接 增 大 了 砂 的 含 泥 量, 同 时 砂 的 总 比 表 面 积 也 会 增 大, 从 而 导 致 其 需 水 量 增 大, 增 加 了 减 水 剂 的 掺 量 因 此, 为 了 满 足 工 程 要 求 的 同 时 找 出 相 对 较 低 的 空 隙 率, 可 将 0 315 mm 以 下 细 砂 含 量 控 制 在 65
2014 年 6 月 第 6 期 广 东 水 利 水 电 No 6 Jun.2014 17 84% 左 右 为 宜, 而 在 实 际 工 程 应 用 中, 泵 送 混 凝 土 要 求 0 315mm 以 下 细 砂 含 量 必 须 大 于 15%, 因 此 17 84% 左 右 的 控 制 指 标 符 合 工 程 实 际 要 求 2 1 2 粗 骨 料 最 低 空 隙 率 由 图 3(a) 可 知, 随 着 5~10mm 石 含 量 不 断 增 大, 5~10mm 石 与 5~31 5mm 碎 石 组 成 的 混 合 碎 石 堆 积 空 隙 率 先 降 低 后 升 高, 当 5~10mm 石 含 量 为 10% 时 松 散 堆 积 和 紧 密 堆 积 的 空 隙 率 均 达 到 最 低, 分 别 为 47 48% 和 42 69% 因 此, 通 过 试 验 结 果 表 明, 对 于 直 卸 混 凝 土, 为 了 控 制 碎 石 空 隙 率 使 其 达 到 最 低, 实 际 工 程 应 用 以 90% 的 5~31 5mm 碎 石 掺 10% 的 5~ 10mm 石 为 宜 由 图 3(b) 可 知, 随 着 5~10mm 石 含 量 不 断 增 大,5~10mm 石 与 5~25mm 碎 石 组 成 的 混 合 碎 石 堆 积 空 隙 率 先 降 低 后 升 高, 当 5~10mm 石 含 量 为 10% 时 松 散 堆 积 和 紧 密 堆 积 的 空 隙 率 均 达 到 最 低, 分 别 为 47 36% 和 42 50% 因 此, 通 过 试 验 结 果 表 明, 对 于 泵 送 混 凝 土, 为 了 控 制 碎 石 空 隙 率 使 其 达 到 最 低, 实 际 工 程 应 用 以 90% 的 5~20 碎 石 掺 10% 的 5~10mm 石 为 宜 图 3 5~10mm 石 含 量 与 空 隙 率 之 间 的 关 系 2 2 混 凝 土 配 合 比 试 验 胶 比 保 持 一 致, 砂 率 不 变, 碎 石 总 用 量 相 同, 且 坍 落 混 凝 土 骨 料 级 配 优 化 前 后 所 使 用 的 骨 料 类 型 如 表 度 相 差 均 在 10mm 以 内 ;(2) 胶 凝 材 料 中, 水 泥 与 粉 3 所 示 2 种 混 凝 土 数 据 对 比 前 提 条 件 为 :(1) 同 一 强 煤 灰 固 定 比 例 为 7 3;(3) 混 凝 土 粘 聚 性 均 良 好, 无 度 等 级 下 的 2 种 混 凝 土 ( 级 配 优 化 前 和 级 配 优 化 后 ) 水 明 显 泌 水 离 析 现 象 出 现 表 3 混 凝 土 中 骨 料 级 配 优 化 前 后 所 使 用 骨 料 类 型 类 型 直 卸 混 凝 土 泵 送 混 凝 土 细 骨 料 粗 骨 料 细 骨 料 粗 骨 料 级 配 优 化 前 100% 5~31 5mm 碎 石 100% 5~25mm 碎 石 8 12% 的 河 砂 8 12% 的 河 砂 级 配 优 化 后 90% 5~31 5mm 碎 石 和 10% 5~10mm 石 90% 5~31 5mm 碎 石 和 10% 5~10mm 石 17 84% 的 河 砂 17 84% 的 河 砂 2 2 1 直 卸 混 凝 土 由 表 4 可 知, 对 于 C20 直 卸 混 凝 土 来 讲, 在 混 凝 土 坍 落 度 坍 落 扩 展 度 和 28d 抗 压 强 度 相 近 的 情 况 下, 使 用 级 配 优 化 后 的 河 砂 和 碎 石 进 行 配 合 比 试 验 其 每 m 3 混 凝 土 中 胶 凝 材 料 用 量 相 比 级 配 优 化 前 的 降 低 了 15kg/m 3 究 其 原 因, 级 配 优 化 后 的 河 砂 和 碎 石 堆 积 更 加 密 实, 空 隙 率 得 到 一 定 程 度 的 降 低, 从 而 导 致 需 要 填 充 在 砂 石 空 隙 间 的 浆 体 用 量 减 少, 胶 凝 材 料 用 量 因 此 也 得 到 节 省 同 样, 从 C25 C30 配 合 比 试 验 数 据 同 时 可 以 看 出, 使 用 级 配 优 化 后 的 河 砂 和 碎 石 进 行 混 凝 土 配 合 比 试 验, 其 相 比 较 级 配 优 化 前 每 m 3 混 凝 土 中 胶 凝 材 料 用 量 均 降 低 了 10kg/m 3 因 此, 从 直 卸 混 凝 土 配 合 比 试 验 结 果 可 知, 通 过 优 化 河 砂 和 碎 石 级 配, 在 确 保 混 凝 土 工 作 性 能 和 力 学 性 能 的 前 提 下, 每 m 3 混 凝 土 中 的 胶 凝 材 料 用 量 可 得 到 一 定 程 度 的 降 低, 而 这 对 于 降 低 企 业 生 产 成 本 或 提 高 混 凝 土 的 性 能 具 有 重 要 的 指 导 作 用 66
2014 年 6 月 第 6 期 蔡 杰 龙, 等 : 骨 料 级 配 优 化 对 混 凝 土 胶 凝 材 料 用 量 的 影 响 No 6 Jun.2014 表 4 直 卸 混 凝 土 配 合 比 试 验 每 方 混 凝 土 原 材 料 用 量 /(kg m -3 ) C20-1 203 87 748 1145 177 6 38 39 5 0 61 195 515 24 2 C20-2 192 5 82 5 748 1145 168 6 05 39 5 0 61 190 505 23 8 C25-1 217 93 722 1177 177 6 82 38 0 57 188 480 28 5 C25-2 210 90 722 1177 171 6 60 38 0 57 183 476 28 9 C30-1 224 96 686 1193 176 7 04 36 5 0 55 180 465 33 4 C30-2 217 93 686 1193 171 6 82 36 5 0 55 184 468 32 8 说 明 : 中 -1 表 示 骨 料 级 配 优 化 前, -2 表 示 骨 料 级 配 优 化 后, 下 同 2 2 2 泵 送 混 凝 土 C30 则 降 低 10kg/m 3 其 降 低 幅 度 与 直 卸 混 凝 土 较 为 由 表 5 可 知, 对 于 不 同 标 号 的 泵 送 混 凝 土 来 讲, 一 致 从 表 5 试 验 数 据 同 样 可 以 说 明, 掺 入 级 配 优 化 掺 入 级 配 优 化 前 后 的 粗 细 骨 料 的 混 凝 土 坍 落 度 坍 落 前 后 的 粗 细 骨 料 的 混 凝 土 工 作 性 能 和 力 学 性 能 较 为 相 扩 展 度 和 28d 抗 压 强 度 均 较 为 相 近 其 中, 掺 入 级 配 近, 而 粗 细 骨 料 级 配 优 化 则 可 以 在 一 定 程 度 上 降 低 混 优 化 后 的 粗 细 骨 料 的 C20 和 C25 泵 送 混 凝 土 中 每 m 3 凝 土 中 胶 凝 材 料 用 量 胶 凝 材 料 用 量 相 比 级 配 优 化 前 的 均 降 低 15kg/m 3, 表 5 泵 送 混 凝 土 配 合 比 试 验 每 方 材 料 用 量 /(kg m -3 ) C20-1 227 5 97 5 825 1009 176 7 80 45 0 54 180 486 23 5 C20-2 217 93 825 1009 167 7 44 45 0 54 176 480 24 1 C25-1 241 5 103 5 786 1043 166 8 97 43 0 48 204 525 29 2 C25-2 231 99 786 1043 158 8 58 43 0 48 200 518 28 8 C30-1 248 5 106 5 767 1060 163 9 94 42 0 46 210 535 34 7 C30-2 241 5 103 5 767 1060 159 9 66 42 0 46 205 528 34 2 3 应 用 实 例 验 算 的 胶 凝 材 料 用 量 进 行 对 比, 最 终 验 证 两 者 数 据 是 否 相 以 C20 直 卸 混 凝 土 为 例 子 进 行 计 算 求 得 理 论 节 省 符 ( 本 理 论 计 算 忽 略 骨 料 表 面 积 改 变 对 胶 凝 材 料 用 量 胶 凝 材 料 用 量, 再 与 实 际 混 凝 土 配 合 比 应 用 中 所 节 省 的 影 响 ) C20 直 卸 混 凝 土 配 合 比 如 表 6 所 示 表 6 C20 直 卸 混 凝 土 配 合 比 试 验 每 方 混 凝 土 原 材 料 用 量 /(kg m -3 ) C20-1 203 87 748 1145 177 6 38 39 5 0 61 195 515 24 2 C20-2 192 5 82 5 748 1145 168 6 05 39 5 0 61 190 505 23 8 验 算 过 程 如 下 所 示 : 为 : 1145kg 1145kg 1)1m 3 混 凝 土 中, 级 配 优 化 后 的 河 砂 可 节 省 体 积 1390kg/m 3-0 012m 3 ; 1410kg/m 3 为 : 748kg 1320kg/m 3-748kg 级 配 优 化 前 碎 石 (100%5~31 5mm 碎 石 ) 松 散 0 004m 3 ; 1330kg/m 3 堆 积 密 度 :1390kg/m 3 ; 级 配 优 化 前 河 砂 ( 级 配 优 化 后 碎 石 (90% 的 5~31 5mm 碎 石 和 8 12%) 松 散 堆 积 密 度 :1320kg/m 3 ; 10% 的 5~10mm 石 ) 松 散 堆 积 密 度 :1410kg/m 3 ; 级 配 优 化 后 河 砂 ( 本 验 算 假 定 混 凝 土 中 碎 石 以 松 散 形 式 堆 积 17 84%) 松 散 堆 积 密 度 :1330kg/m 3 ; 3)1m 3 混 凝 土 中, 河 砂 和 碎 石 级 配 优 化 后 可 节 省 本 验 算 假 定 混 凝 土 中 河 砂 以 松 散 形 式 堆 积 体 积 为 :0 004m 3 +0 012m 3 =0 016m 3 ; 2)1m 3 混 凝 土 中, 级 配 优 化 后 的 碎 石 可 节 省 体 积 67
2014 年 6 月 第 6 期 广 东 水 利 水 电 No 6 Jun.2014 4) 以 1m 3 C20-1 混 凝 土 为 例, 净 浆 浆 体 密 度 : 177kg+202kg+97kg 177kg 1000kg/m 3+ 103kg 3030kg/m 3+ 97kg 1667kg/m 2330kg/m 3 3 ; 5)0 016m 3 可 填 充 净 浆 浆 体 质 量 :0 016m 3 1667kg/m 3 26 7kg; 6)1m 3 混 凝 土 理 论 节 省 胶 凝 材 料 用 量 : 26 7kg 202kg+97kg 177kg+203kg+97kg =16 6kg; 7)1m 3 混 凝 土 实 际 节 省 胶 凝 材 料 用 量 : (203kg+87kg)-(192 5kg+82 5kg)=15 0kg 通 过 以 上 验 算 得 知, 骨 料 级 配 优 化 后 的 混 凝 土 理 论 节 省 胶 凝 材 料 为 16 6kg, 而 实 际 应 用 中 的 混 凝 土 则 节 省 胶 凝 材 料 为 15 0kg, 虽 实 际 节 省 胶 凝 材 料 较 理 论 的 稍 低, 但 两 者 数 据 较 为 接 近, 实 际 和 理 论 基 本 吻 合 4 结 论 1) 实 际 工 程 进 行 混 凝 土 配 合 比 设 计 试 验 时, 将 河 砂 中 0 315mm 以 下 细 砂 含 量 控 制 在 17 84% 左 右, 同 时 确 保 细 度 模 数 落 在 Ⅱ 区 中 砂 范 围 内, 可 在 一 定 程 度 上 降 低 河 砂 空 隙 率 ; 2) 对 于 直 卸 和 泵 送 2 种 类 型 的 混 凝 土, 分 别 在 其 所 使 用 的 连 续 级 配 的 5~31 5mm 碎 石 和 5~25mm 碎 石 中 掺 入 10% 的 5~10mm 石 可 降 低 堆 积 空 隙 率 ; 3) 在 保 证 工 作 性 能 28d 抗 压 强 度 且 满 足 其 它 工 程 技 术 要 求 的 前 提 下, 骨 料 级 配 优 化 后 的 不 同 标 号 (C20,C25,C30) 的 直 卸 或 泵 送 混 凝 土, 在 进 行 配 合 比 设 计 试 验 时, 每 m 3 混 凝 土 胶 凝 材 料 用 量 可 降 低 10 ~15kg/m 3, 这 与 理 论 验 算 结 果 基 本 吻 合 参 考 文 献 : [1] 沈 威, 黄 文 熙, 闵 盘 荣. 水 泥 工 艺 学 [M]. 武 汉 : 武 汉 理 工 大 学 出 版 社,1998(3). [2] 山 启 江. 骨 料 级 配 优 化 对 普 通 混 凝 土 配 合 比 的 影 响 [J]. 内 蒙 古 煤 炭 经 济,2003(7):60-61. [3] 吴 国 诚, 王 立 华. 混 合 粗 骨 料 混 凝 土 性 能 的 模 型 研 究 [J]. 广 东 水 利 水 电,2007(3):59-62. [4] 李 燕, 申 向 东. 碎 石 浮 石 混 合 骨 料 级 配 优 化 试 验 研 究 [J]. 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报,2010,1(31):224-226. [5] 钟 贤 香. 沥 青 路 面 级 配 碎 石 基 层 配 合 比 设 计 应 用 技 术 [J]. 广 东 水 利 水 电,2007(12):65-67. ( 本 文 责 任 编 辑 王 瑞 兰 ) EfectofGradationOptimizationofAggregateonBinderContentinConcrete CAIJielong,YANGYongmin,LIWei (GuangdongResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower, GuangdongProvincialKeyScientificResearchBase,Guangzhou510635,China) Abstract:AggregateGradationoptimizationisofgreatimportanceinimprovingtheworkingperformanceofconcreteandsaving bindercontent.inthisarticle,gradationofcoarseaggregateandfineaggregateisrespectivelyoptimizedtoobtaintheaggregatewith higherbulkdensityandlowervoidage.thendesignmixofconcreteexperimentsontwokindsofconcrete(fieldconcrete,pump concrete)andthreekindsofgrades(c20,c25,c30)arecariedouttocomparedthebindercontentinanunitofconcretebefore andaftergradationofaggregateisoptimized.finaly,checkingcomputationsisimplementedbyexample.itisshownthatthebinder contentinanunitofconcretegetsancertaindegreeofreductioniftheratiooffinesand( 0.315mm)infineaggregateisproper andacertainproportionof5~10mm gravelismixedinto5~31.5mm or5~25mm gravel.andtheresultaccordswiththe theoreticalcheckingcomputations.gradationoptimizationofaggregateiseasilyoperabilityandsuitableforpromotioninconcrete manufacturingenterprise. Keywords:coarseaggregate;fineaggregate;gradationoptimization;concrete;bindercontent 68