基于碎石最大堆積密度的C30泵送混凝土膠凝材料用量?jī)?yōu)化研究
時(shí)間：2023-02-27 來(lái)源：混凝土世界 分享：
本文以實(shí)際生產(chǎn)C30泵送混凝土為對(duì)照組，通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中所用碎石進(jìn)行分級(jí)復(fù)配，對(duì)最大堆積密度條件下制備的混凝土膠凝材料的用量進(jìn)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(jì)南 250000
摘 要：預(yù)拌混凝土生產(chǎn)中多采用連續(xù)級(jí)配的碎石，然而由于碎石顆粒級(jí)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(huì)導(dǎo)致混凝土生產(chǎn)成本提高，開(kāi)裂敏感性增加?；诖?，本文以實(shí)際生產(chǎn)C30泵送混凝土為對(duì)照組，通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中所用碎石進(jìn)行分級(jí)復(fù)配，對(duì)最大堆積密度條件下制備的混凝土膠凝材料的用量進(jìn)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(jí)復(fù)配，相比于實(shí)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(shí)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(jí)復(fù)配；最大堆積密度；膠凝材料
碎石的顆粒級(jí)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(jí)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(shí)，碎石如能達(dá)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(jìn)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(jì)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(jí)配的石灰?guī)r碎石生產(chǎn)時(shí)，石子的顆粒級(jí)配大多不夠合理，且在堆放和裝卸過(guò)程中，大顆粒石子易滾落到料堆底部，導(dǎo)致骨料堆場(chǎng)不同部位的石子顆粒級(jí)配差別很大。石子的顆粒級(jí)配不穩(wěn)定、空隙率變化大，會(huì)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(dòng)性差以及離析、泌水等現(xiàn)象[5]。為解決混凝土產(chǎn)生的問(wèn)題，常見(jiàn)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(shí)勢(shì)必會(huì)增加混凝土的開(kāi)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(jí)配不合理引起的混凝土質(zhì)量問(wèn)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(shí)，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(lái)包裹骨料，也會(huì)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(jìn)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(guò)程中的這一常見(jiàn)質(zhì)量控制難題，同時(shí)考慮預(yù)拌混凝土生產(chǎn)過(guò)程中的可操作性和成本控制，本文以實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)C30泵送混凝土配合比為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中所用碎石進(jìn)行分級(jí)復(fù)配，對(duì)最大堆積密度條件下制備的混凝土膠凝材料用量進(jìn)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(tuán)P·O 42.5水泥；山東黃臺(tái)火電廠II級(jí)粉煤灰；魯新S95級(jí)礦粉。膠凝材料的化學(xué)成分見(jiàn)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(jí)配Ⅱ區(qū)，堆積密度1485kg/m3。石子：未分級(jí)碎石，級(jí)配見(jiàn)表2，性能指標(biāo)見(jiàn)表3；單粒級(jí)碎石，未分級(jí)碎石經(jīng)篩分獲得粒徑5~10mm和10~25mm的單粒級(jí)碎石。
表 2 碎石級(jí)配
表 3 碎石性能指標(biāo)
將碎石分別按照5~10mm和10~25mm進(jìn)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(cè)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(duì)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(jìn)行復(fù)配時(shí)，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(shí)，得到碎石的最大堆積密度為1520kg/m3，因此本試驗(yàn)采用5~10mm和10~25mm石子質(zhì)量比為20∶80。試驗(yàn)以使用量大且廣泛的C30預(yù)拌泵送混凝土為主要研究對(duì)象，配合比見(jiàn)表5。其中C30-A為目前攪拌站采用連續(xù)級(jí)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(jí)復(fù)配的碎石設(shè)計(jì)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(jí)復(fù)配的碎石設(shè)計(jì)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(jí)復(fù)配的碎石設(shè)計(jì)的C30泵送混凝土配合比。
表 5 C30泵送混凝土試驗(yàn)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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)定混凝土坍落度和擴(kuò)展度，同時(shí)為模擬實(shí)際工程應(yīng)用情況，測(cè)定新拌混凝土1h的混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失和擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失。（2）混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法采用150mm×150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)試模成型，24h后進(jìn)行拆模，同時(shí)放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至7d和28d齡期時(shí)根據(jù)GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試混凝土的抗壓強(qiáng)度。混凝土干燥收縮試驗(yàn)的步驟和數(shù)據(jù)處理按照GB/T 50082—2019《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。混凝土干燥收縮試驗(yàn)采用架設(shè)千分表的形式進(jìn)行測(cè)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(kuò)展度和1h后的坍落度經(jīng)時(shí)損失以及擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失，C30泵送混凝土的主要工作性見(jiàn)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(dòng)性更大，其出機(jī)坍落度和出機(jī)擴(kuò)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(shí)損失和1h擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失均小于C30-A混凝土。這說(shuō)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(jìn)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(dòng)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?yàn)槭臃旨?jí)復(fù)配提高了石子的堆積密實(shí)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(jìn)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(jī)坍落度和出機(jī)擴(kuò)展度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。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(jī)坍落度、出機(jī)擴(kuò)展度、1h擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)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(dòng)性明顯降低，粘聚性和保水性變差，工作性明顯降低，其出機(jī)坍落度和出機(jī)擴(kuò)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(shí)可適當(dāng)降低膠凝材料用量達(dá)到20kg/m3。同時(shí)對(duì)于本研究的C30泵送混凝土而言，膠凝材料用量降低過(guò)大，會(huì)劣化混凝土工作性，影響混凝土的施工進(jìn)度。按表5配合比配制C30泵送混凝土，其抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化如圖2所示。圖 2 不同配合比對(duì)C30泵送混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)度均高于C30-A混凝土，其中7d強(qiáng)度提高8.9%，28d強(qiáng)度提高11.9%，60d強(qiáng)度提高11.2%。這說(shuō)明將混凝土中所用石子按5~10mm和10~25mm以質(zhì)量比20∶80進(jìn)行復(fù)配，能夠更好的提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，這主要是因?yàn)椴捎米畲蠖逊e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(shí)的填充骨料的空隙，從而使得混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提高。（2）對(duì)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(qiáng)度逐漸降低。（3）對(duì)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(jìn)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(shí)，其不同齡期的抗壓強(qiáng)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(shí)，其抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降，低于C30-A混凝土。這主要是因?yàn)殡S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(qiáng)度，但如果膠凝材料用量降低幅度過(guò)大，勢(shì)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(qiáng)度降低。上述分析說(shuō)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(guò)改善石子顆粒級(jí)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(píng)價(jià)混凝土開(kāi)裂敏感性的最重要指標(biāo)之一。本文進(jìn)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(duì)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(dá)180d干燥收縮的90%以上。這說(shuō)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(jìn)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(zhǎng)期耐久性。（2）對(duì)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(duì)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(jìn)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(shí)，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(shí)，其干燥收縮明顯升高，高于C30-A混凝土8%左右。由此可見(jiàn)，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(guò)大，反而會(huì)增大混凝土的干燥收縮。對(duì)于干燥收縮的解釋有很多學(xué)說(shuō)，如毛細(xì)管張力學(xué)說(shuō)、凝膠體顆粒表面能變化學(xué)說(shuō)、層間水遷移學(xué)說(shuō)和拆開(kāi)壓力學(xué)說(shuō)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(huì)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(jìn)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(guò)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(jìn)行復(fù)配制備混凝土同時(shí)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(guò)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(guò)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(qiáng)度和干燥收縮等試驗(yàn)可以看出，對(duì)于C30強(qiáng)度等級(jí)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(jìn)行復(fù)配可以有效改善混凝土工作性、強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度和干燥收縮等性能。但膠凝材料用量降低幅度過(guò)大會(huì)劣化混凝土的綜合性能。
本文以實(shí)際生產(chǎn)C30泵送混凝土為對(duì)照組，通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中所用碎石進(jìn)行分級(jí)復(fù)配，對(duì)最大堆積密度條件下制備的混凝土膠凝材料的用量進(jìn)行了優(yōu)化研究。得出以下結(jié)論：（1）試驗(yàn)碎石中5~10mm和10~25mm粒徑碎石復(fù)配達(dá)到最大堆積密度的質(zhì)量比為20∶80。（2）相比于實(shí)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(jī)坍落度和擴(kuò)展度分別提高了20mm和50mm，而1h經(jīng)時(shí)變化量有所降低；7d、28d和60d抗壓強(qiáng)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(jí)復(fù)配能夠顯著降低膠凝材料的用量20kg/m3。
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