利用組合級配的粗骨料改善混凝土性能的試驗與研究

周承明

(萬源華新混凝土有限公司，四川萬源636350)

粗骨料是指粒徑在5 mm以上的巖石顆粒，是混凝土的重要組成成分，約占混凝土體積的70%左右，其性能直接影響著混凝土的性能。現實生產中混凝土廠家使用的石子，尤其是碎石，一般多為5～20 mm連續級配的碎石和16～31.5 mm單一級配的碎石。雖然各種規格的石子基本符合級配要求，但根據工程需要，往往5～31.5 mm連續級配的石子更能滿足要求。基于此種情況，本文對兩種規格的碎石按不同比例進行了組合，并用其拌制混凝土，通過對比分析，試圖找出最利于改善混凝土性能的粗骨料組合級配。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥：華新P.O42.5水泥，各項性能指標滿足標準要求。

粉煤灰：達州電廠Ⅱ級粉煤灰，細度17.2%(45 μm篩余)，需水量比98%，燒失量3.5%。

碎石：5～20 mm連續級配和16～31.5 mm單一級配，含泥量分別為0.8%和0.9%，壓碎值指標分別為9%和8%。

砂：普通河砂，細度模數3.4，含泥量2.4%。

外加劑：聚羧酸高效減水劑，減水率25%。

1.2 配合比確定

試驗選取的混凝土強度等級為C30,為貼近實際情況，使試驗過程能指導生產，配合比接近實際生產使用配合比，各組試驗混凝土配合比見表1。

表1 各組混凝土配合比及相關性能測試結果

1.3 試驗方法

將5～20 mm連續級配的碎石與16～31.5 mm單一級配的碎石按3∶1、2∶1、1∶1、1∶2的比例進行組合，再根據《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)和《預拌混凝土》(GB/T 14902-2012)等規范分別測試兩種規格碎石和各種比例組合級配碎石的緊密堆積密度以及用其拌制的混凝土的工作性(坍落度、擴展度)及立方體抗壓強度。

2 試驗結果及分析

2.1 各組碎石緊密堆積密度

從圖1中可以看出全5～20 mm連續級配碎石的緊密堆積密度最小，而隨著16～31.5 mm碎石所占比例的提高，碎石的緊密堆積密度也呈現出增大的趨勢；當兩種規格碎石的組合比例達到1∶1時，緊密堆積密度達到峰值，隨后呈下降趨勢。碎石的級配越好，空隙率就越小，可由公式P=(1-ρ0/ρ1)×100%計算，其中P為空隙率，ρ0為試樣的松散(或緊密)堆積密度，ρ1為試樣的表觀密度[1]。可見隨著16～31.5 mm碎石所占比例的提高，碎石的空隙率呈減小、級配變好的趨勢；當兩種規格碎石的組合比例達到1∶1時，空隙率最小，級配情況最好，隨后也呈反向趨勢。

圖1 各組碎石緊密堆積密度

2.2 混凝土的工作性

石子的粒徑越大，其總體比表面積就越小，所需要的漿體就越少，則在保證一定工作性的情況下可以減少用水量而增加強度；而在不減少用水量即保持相同水膠比的情況下就能大大改善混凝土工作性[2]。表1中的數據正好與此理論相一致，通過在5～20 mm連續級配碎石中加入一定比例的16～31.5 mm單一級配碎石以達到更大粒徑級配情況的碎石，從而減小碎石的總體比表面積，使得混凝土的坍落度和擴展度都呈現出增大趨勢，并且隨著16～31.5 mm單一及配碎石所占比例越高，這種趨勢越顯著。

2.3 混凝土的抗壓強度

從表1可以看到，在相同水膠比及砂率情況下，全5～20 mm連續級配碎石強度最低，而隨著16～31.5 mm碎石所占比例的提高，混凝土立方體抗壓強度呈現出增大的趨勢，當兩種規格碎石的組合比例達到1∶1時，強度增大到最大值；當16～31.5 mm碎石所占比例進一步提高時，強度出現下降趨勢。這是完全符合圖1中反應出的兩種規格的碎石通過不同比例組合后，堆積密度與級配情況變化的規律。同時還看到，當16～31.5 mm粒級碎石比例達到100%時，碎石的緊密堆積密度雖然比全5～20 mm粒級碎石大，但兩種情況下

的混凝土強度基本沒有太大差異。這是因為在混凝土中碎石粒徑過大存在粒徑效應，粒徑越大，顆粒內部存在缺陷的幾率就越大，而且大粒徑石子可能在混凝土拌合過程中與其它組分分層，導致混凝土強度離散性大，這在現實生產的大坍落度混凝土中會更加明顯[3]。

3 總結

(1)通過對5～20 mm連續級配碎石與16～31.5 mm單一級配碎石進行一定比例的組合，可以提高碎石的堆積密度，改善其級配，從而提高混凝土立方體強度。當兩種規格的碎石按1∶1組合時，可以得到最大的堆積密度、最好的級配效果以及最高的混凝土立方體抗壓強度。

(2)粗骨料中16～31.5 mm粒級碎石的摻加能顯著改善混凝土工作性，且新拌混凝土的坍落度和擴展度的增加與16～31.5 mm粒級碎石比例的增加成正比。

[1] 張承志.商品混凝土[M].北京：化學工業出版社，2006

[2] 王華生,趙慧如.混凝土工程便攜手冊[M].北京:機械工業出版社，2001

[3] 王雨利，管學茂，潘啟東，等.粗骨料顆粒級配對混凝強度的影響土[J].焦作工學院學報:自然科學版，2004，23(3)：213-215