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粗骨料颗粒粒级对混凝土质量的影响

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发布日期:2015-01-07  点击数:2106

摘要:随着科学技术的发展,混凝土工程基本实现了机械化或半机械化施工,这对混凝土用原材料质量标准也提出了较高要求。各种原材料对混凝土质量影响是不同的,但粗骨料颗粒粒级对混凝土质量的影响在工程施工中没有得到足够重视。针对这种问题,通过对粗骨料不同粒级掺配成的连续粒级进行试验分析,总结出了粗骨料的最大料级组配方法,可作为混凝土施工质量控制的参考资料。

  1 概述
  
  随着科学技术的发展,混凝土由传统的普通混凝土向具有高耐久性能要求的高性能混凝土发展,而高性能混凝土对所组成材料具有较高的要求,特别是粗骨料,除母岩强度和化学指标必须满足要求外,其粒级组成也是质量控制的重要指标。在混凝土配合比设计时,粗骨料粒级基本采用连续级配进行配置,主要是为了防止粗骨料在施工过程中产生离析,影响混凝土质量,一般采用二级配或多级配。但在实际施工过程中,粗骨料在加工生产和运输过程中的颗粒粒级与原理论配合比采用的颗粒粒级存在一定差异,因此,需要现场实际筛分后对粒级掺配比例进行调整,使粗骨料粒级掺配比例尽可能达到连续粒级要求。混凝土用粗骨料粒级组成直接影响混凝土的工作性,对混凝土的力学性能也将产生重大影响,特别是高性能混凝土,还会影响其耐久性能。
  
  一般情况下,在保证混凝土不离析的情况下,可用单粒级进行施工,但这主要针对塑性混凝土(坍落度≤70 mm)而言,对于机械化(泵送)施工要求较高的流动性(坍落度>170 mm)混凝土或高流态(坍落度≥180 mm)混凝土就不适合了,因为单粒级在流动性混凝土中容易产生离析。所以,配制流动性混凝土时,要求粗骨料采用两级配或多级配,以达到最佳粒级级配和最大紧密密度的目的。在试验室计算级配组成时,一般都是以达到连续级配就行了,因为两种级配的组成,有多种组合都能达到级配要求,这并不是粗骨料的最大紧密状态,紧密密度越大、空隙率越小、比表面积越小,所需要包裹粗骨料表面的胶凝材料浆体就越少,在同水胶比的情况下可节约成本。为了发挥粗骨料在混凝土中的最大效率,级配组成应选取级配曲线的上限,笔者通过多年的工作实践和大量的混凝土实际应用,总结出了粗骨料的最大料级组配方法,在混凝土工程应用中取得了较好的社会效益和经济效益。
  
  2 粗骨料粒级的组配方案
  

  按照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52—2006)要求,单粒级宜用于组合成满足要求的连续粒级;也可与连续粒级混合使用,以改善其级配或配成较大粒度的连续粒级。但实际工程中配合比设计和施工,大部分都按经验估计掺配比例进行组配,没有进行分析验证试验其达到最佳级配范围。碎石或卵石的颗粒级配范围列表1。



  为了最大限度满足粗骨料达到最佳级配要求,笔者通过长期试验工作的实践,推导并总结出混凝土用粗骨料采用两种粒级(或多种粒级)组合成连续粒级的试验分析和计算方法,其计算公式为:


A= A× a% + A× (100 - a)


  式中:Ai ——混合连续粒级;
  
     A1 ——第1种粒级的累计筛余;
  
     A2 ——第2种粒级的累计筛余;
  
     a ——粗骨料在该粒级所占百分比。
  
  在混凝土工程中,一般都用两种粒级(或称二级配)组合成连续粒级;用3种及以上粒级组合成连续级配较少,这类粒级主要用于沥青混凝土工程等。
  
  例如:将5~10与16~31.5两粒级混合成为常用的5~31.5的连续粒级,表2和表3为5~10和16~31.5的筛分结果,根据该筛分结果按公式(1)将它们按一定比例进行优化组配。




  计算实例:首先将5~10 mm 颗粒按10%、20% 、30% 、40% 与16~31.5 mm 颗粒的90%、80% 、70%、60%掺配比例进行计算。
  
  (1) A(5~31.5)=A1×10% +A2× (100-10)
  
  A2.36=A1×10%+A2×90%
      =100×0.1+100×0.9=100
  
  A4.75=A1×10%+A2×90%  
          =96×0.1+100×0.9=100
  
  A9.5 =A1×10%+A2×90% 
         =11×0.1+97×0.9=88
  
  A19.5=A1×10%+A2×90%  
          =0×0.1+64×0.9=58
  
  A31.5=A1×10%+A2×90% 
          =0×0.1+7×0.9=6


  (2) A(531.5)=A1×20%+A2×(100-20)
  
  A2.36=A1×20%+A2×80%  
          =100×0.2+100×0.8=100
  
  A4.75 =A1×20%+A2×80%
           =96×0.2+100×0.8=99
  
  A9.5 =A1×20+A2×80%
         =11×0.2+97×0.8=80
  
  A19.5=A1×20%+A2×80%
          = 0×0.2+64×0.8=51
  
  A31.5=A1×20%+A2×80%
          = 0×0.2+7×0.8=6


  (3) A(5~31.5)=A1 X 30% +A2×(100-30)
  
  A2.36 =A1×30% +A2×70 
     =100×0.3+100×0.7=100
  
  A4.75 =A1×30%+A2×70 
     = 96×0.3+100×0.7=99
  
  A9.5 =A1×30%+A2×70%
     =11×0.3+97×0.7=71
  
  A19.5 =A1×30% +A2×70
     = 0×0.3-I-65×0.7=45
  
  A31.5 =A1×30%+A2×70%

           =0×0.3 +7 X0.7=5
  
  (4) Ai(5~31.5)=A1×40%+A2×(100-40)
  
  A2.36 =A1×40%+A2×60%
     =100×0.4+100×0.6=100
  
  A4.75=A1×40%+A2×60%
     = 96×0.4+100×0.6=98
  
  A9.5 =A1×40%+A2×60%
      =11×0.4+97×0.6=63
  
  A19.5 =A1×40%+A2×60% 
     =0×0.4+64×0.6=38
  
  A31.5=A1×40%+A2×60%  
     =0×
0.4+7×0.6=4


  以上4组掺配出来的计算结果与表1对照,只有(3)组合成的粒级能达到连续粒级要求,但这是不是达到了唯一的连续级配范围,还可根据(3)结果可再细化到按5%梯度(也可按1%梯度)计算,可知(5)的计算结果也能满足连续级配要求。


  (5)Ai(5~31.5)=A1×30% +A2×(100-30)
  
  A2.36 =A1×30%+A2×70%
     = 100×0.35+100×0.65=100
  
  A4.75 =A1×30%+A2×70% 
     = 96×0.35+100×0.65=98
  
  A9.5 =A1×30%+A2×70% 
      =11×0.35+97×0.65=76
  
  A19.5 =A1×30% +A2×70  
     =0×0.35+65×0.65=43
  
  A31.5 =A1×30%+A2×70%  
     = 0×0.35+7×0.
65=5

  在(3)、(5)两组(或更多组)粒级都能符合连续级配的情况下,再用容重筒做紧密密度,紧密密度最大的,空隙率最小,说明该组粒级级配最好。在实际工作中,大部分对粗骨料粒级的组合掺配比例都要是用估算方法进行掺配的,估算方法掺配出来的粗骨料基本达不到最佳粒级级配要求,用估算的方法与筛分析计算方法相比较,其空隙率比筛分析计算方法大2%左右,因此,要得到较好的级配,必须先对粗骨料各粒级进行准确地筛分析,根据各粒级的颗粒含量进行计算,然后按照计算结果得出的掺配比例再进行组合筛分验证,最后再用容重筒做紧密密度,使其达到最大紧密密度和最小空隙率。如结果经筛分析与计算结果不符,再重新取具有代表性试样复筛,一般情况下,计算结果和实际筛分是相符的。
  
  3 粗骨料不同颗粒粒级的组成对混凝土质量的影响
  
  不同粒级组成对混凝土质量的影响是不同的,按第2章计算实例的5种掺配出来的粗骨料,配制成混凝土检验其性能,结果见表4。



  从表4掺配比例得知,不同掺配比例的紧密密度和孔隙率是不一样的,无论从颗粒筛分结果还是混凝土物理性能检验,第(3)组的掺配比例是最合理的,因此,粗骨料级配的好坏直接影响混凝土拌和物工作性能、力学性能和耐久性能。众所周知,粗骨料级配越好,紧密密度就越大、空隙率就越小、比表面积也就越小,所配制的混凝土用水量相对要少,混凝土的力学性能和耐久性能就会得到提高。笔者按上述方法已经在渝怀铁路、宜万铁路、石太客专、哈齐客专近400万m3混凝土(其中300万m3为高性能混凝土)工程中应用效果显著。
  
  4 结束语
  
  但实际工程中配合比设计和施工,大部分都按经验估计粗骨料粒级掺配比例进行组配,没有进行分析验证试验其达到最佳级配范围,由于混凝土理论配合比的粗骨料粒级级配与施工现场粗骨料粒级级配有一定的差异,需要试验人员根据现场粗骨料的颗粒级配隋况进行认真分析,计算验证后得出最佳掺配比例,以现场实际得出的最佳掺配比例作为施工配合比用掺配比例。凡是最佳掺配比例配制出来的混凝土,其各项技术指标都比较好,因为粗骨料最佳掺配比的比表面积小、紧密密度大、孔隙率也是小,在同一水灰比的情况下所配制出来的混凝土工作性好、力学性能最高与最低相差10%~15%、耐久性指标相差15%-20%,水泥用量可节约5 kg/m3 左右,如果全国的混凝土工程都能将粗骨料颗粒粒级进行精确配制,假设全国每年使用5亿m3混凝土,则节约水泥250万t,节约资金上亿元,而且少开采矿石,对保护环境也起到十分重要的意义。因此,混凝土用粗骨料颗粒粒级的影响是不能忽视的,它对社会、环境、经济效益的影响巨大。


  参考文献
  
  1 JGJ 52-2006 普通混凝土用砂石质量及检验方法标准[S]