混凝土中集料的摻配比例與外加劑的合理應(yīng)用

賈 文

(山西遠(yuǎn)方路橋集團(tuán)總公司第一分公司，山西 大同 037006)

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混凝土中集料的摻配比例與外加劑的合理應(yīng)用

賈 文

(山西遠(yuǎn)方路橋集團(tuán)總公司第一分公司，山西 大同 037006)

結(jié)合北京—烏魯木齊國(guó)家高速公路路基工程實(shí)例，檢測(cè)了施工中配制混凝土所需原材料的各項(xiàng)指標(biāo)，并從粗集料摻配比例、水膠比、用水量、砂率等方面，闡述了混凝土的配合比設(shè)計(jì)方案，分析了粗集料與外加劑對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，指出合理設(shè)計(jì)配合比可降低成本，滿足混凝土的工作性能。

混凝土，配合比，粗集料，水膠比

在水泥混凝土配合比的設(shè)計(jì)中，如何合理地設(shè)計(jì)各種粗集料的摻配比例,如何確定一個(gè)合理的砂率,這是筆者作為一個(gè)試驗(yàn)室主任一直思考的問(wèn)題。多年的工作實(shí)踐發(fā)現(xiàn)如果在水泥混凝土配合比的設(shè)計(jì)過(guò)程中，粗集料的摻配比例合理、砂率適中，外加劑應(yīng)用恰當(dāng)，既可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求，又能最大限度地節(jié)約水泥，可給施工企業(yè)帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)效益。為此，筆者通過(guò)參考大量的資料，結(jié)合自己的工作實(shí)踐，經(jīng)過(guò)反復(fù)試配，總結(jié)出了在水泥混凝土配合比的設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些心得和經(jīng)驗(yàn)，希望和業(yè)界同仁們共享。

眾所周知：在水泥混凝土中，粗集料(各種規(guī)格的碎石或卵石)起到主要“支架”作用，它構(gòu)成了混凝土的骨架，砂子分布于碎石或卵石之間的空隙中間，起到填充作用，而作為膠凝材料的水泥主要是包裹于碎石或卵石和砂子顆粒的表面，形成膠凝體將它們膠凝成為一個(gè)整體。隨著時(shí)間的推移，該膠凝材料逐步硬化，強(qiáng)度會(huì)逐步提高。技術(shù)規(guī)范規(guī)定：水泥混凝土試件的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度以邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后的抗壓強(qiáng)度表示。那么，影響水泥混凝土試件強(qiáng)度的因素有哪些，水泥的強(qiáng)度等級(jí)、單位膠凝材料用量(主要為單位水泥用量)、水膠比的大小固然是主要因素。但粗集料連續(xù)級(jí)配的范圍、粗集料母巖的抗壓強(qiáng)度、砂率的大小、試件成型振搗方式、試件的養(yǎng)護(hù)條件等也很大程度地影響著混凝土的強(qiáng)度。

在北京至烏魯木齊國(guó)家高速公路路基工程的施工過(guò)程中，我工地試驗(yàn)室配制路基排水溝、急流槽及附屬工程用混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20。在試配過(guò)程中，試驗(yàn)室檢測(cè)人員對(duì)所用原材料進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下所示。

1 試驗(yàn)用原材料檢測(cè)結(jié)果

1)水泥選用大同冀東P.O42.5，其各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 水泥各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

2)粉煤灰選用大同二電廠產(chǎn)，符合Ⅱ級(jí)灰標(biāo)準(zhǔn)，其各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

3)砂選用曹家灣晶礫砂場(chǎng)天然砂，其各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表2 粉煤灰各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表3 砂各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

4)碎石選用張家口左衛(wèi)石料廠生產(chǎn)的10 mm～20 mm,5 mm～10 mm兩種碎石按比例進(jìn)行摻配，摻配后其級(jí)配符合JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范表6.4.3中5 mm～20 mm連續(xù)級(jí)配的要求。其各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 碎石各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

其篩分結(jié)果如表5所示。

表5 碎石篩分結(jié)果

5)減水劑選用北京京城匯實(shí)有限公司生產(chǎn)的JH-2聚羧酸高效減水劑，該產(chǎn)品委托甲級(jí)試驗(yàn)室檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均符合有關(guān)規(guī)程要求。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 各種粗集料的最佳摻配比例的確定

由于JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范表6.4.3中5 mm～20 mm連續(xù)級(jí)配的范圍很寬，不同的摻配比例均能滿足該粗集料5 mm～20 mm連續(xù)級(jí)配的要求。那么，究竟哪一種摻配比例才是最佳的，我們可以用下面的方法確定：

為了運(yùn)算方便、直觀，我們借助了Excel電子表格。將表6與圖1的“JJ05a-10-1”和“JJ05a-10-2”鏈接起來(lái)，在“JJ05a-10-1”表格的單元格中輸入相關(guān)公式，其中數(shù)據(jù)就在“JJ05a-10-2”電子表格直觀地顯示出來(lái)(本圖表兩種碎石的摻配比例為：10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20)。在這里，有的同事也許會(huì)提出：每個(gè)篩孔的累計(jì)篩余越接近中值越好。其實(shí)并不完全是這樣。我們的理念是：合成級(jí)配曲線(即中間那根粗實(shí)線)盡可能是一條平順圓滑的實(shí)線，而不應(yīng)該是鋸齒狀的折線。盡管這樣也在級(jí)配曲線范圍內(nèi)，但實(shí)踐證明這是一組不良的摻配比例，粗集料之間不會(huì)形成很好的“咬合”，這樣摻配成的混合料振實(shí)密度也不會(huì)很高。為證實(shí)這一點(diǎn)可做如下試驗(yàn)：我們先選定2種～3種不同的摻配比例，當(dāng)然合成級(jí)配必須在規(guī)定級(jí)配范圍。本次試驗(yàn)中，我們選定的2種摻配比例分別是：10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20和10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=60∶40；我們將這兩種碎石按以上比例分別進(jìn)行摻配，并分別測(cè)其振實(shí)密度，經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的測(cè)試，得出：按10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20的比例進(jìn)行摻配的碎石的平均振實(shí)密度為1.78 g/cm3，而按10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=60∶40的比例進(jìn)行摻配的碎石的平均振實(shí)密度為1.71 g/cm3。這充分說(shuō)明了按10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20的比例進(jìn)行摻配的碎石的“咬合”程度更好，其空隙更小。

表6 水泥混凝土顆粒級(jí)配組成計(jì)算表(JJ05a-10-1)

合同段號(hào)： 記錄編號(hào)：

2.2 基準(zhǔn)水膠比的確定

首先，需測(cè)膠凝材料28 d的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度。在這里，選定水泥和粉煤灰的摻量分別為70%和30%。按這個(gè)比例成型膠砂試件，測(cè)得其28 d抗壓強(qiáng)度為29.7 MPa(也可以通過(guò)42.5×0.7=29.8 MPa近似地計(jì)算得出)。這樣，就可以將有關(guān)參數(shù)代入下列公式計(jì)算出基準(zhǔn)水膠比。

W/B=αa·fce/(fcu,0+αa·αb·fce)=0.53。

其中，W/B為水膠比;αa,αb均為回歸系數(shù)，αa=0.53,αb=0.2;fce為膠凝材料28 d的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度，MPa;fcu,0為混凝土試配強(qiáng)度(這里按公式fcu,0≥fcu,k+1.645·σ，fcu,k為混凝土強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，這里為20 MPa，σ為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，這里取4.0 MPa。這樣計(jì)算結(jié)果為fcu,0≥26.6 MPa，此處取26.6 MPa)。

2.3 確定單位用水量

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并參考設(shè)計(jì)坍落度(這里為100 mm～140 mm)、粗集料最大粒徑、粗集料種類、砂率、外加劑摻量減水率范圍等進(jìn)行綜合確定，進(jìn)行多次反復(fù)調(diào)整，經(jīng)多次混凝土試拌，測(cè)其工作性能，最終確定為：?jiǎn)挝挥盟浚?80 kg/m3，外加劑摻量為0.9%。

2.4 砂率的確定

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并參考JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程、粗集料種類等諸方面因素，經(jīng)多次試拌，最終確定砂率為41%。

2.5 確定單位混凝土各材料用量

采用假定容重法，計(jì)算各材料用量。這里假定容重為2 430 kg/m3。

為了驗(yàn)證兩種不同摻配比例的集料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，用兩種不同摻配比例的集料按照同樣的成型方法各成型6組不同水膠比(即0.53,0.48,0.58)的試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)到規(guī)定的齡期，測(cè)試其7 d和28 d抗壓強(qiáng)度，其結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表7 不同集料摻配比例下不同齡期的抗壓強(qiáng)度單組值及平均值 MPa

通過(guò)以上分析，同樣的水膠比、同樣的成型方法、同樣的養(yǎng)護(hù)條件，按兩種不同摻配比例的集料成型的混凝土試件，其7 d和28 d抗壓強(qiáng)度有著顯著的不同。按10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20的摻配比例成型的混凝土試件抗壓強(qiáng)度明顯較高。對(duì)兩種不同摻配比例的集料成型的混凝土試件28 d抗壓強(qiáng)度利用“Excel圖表”功能進(jìn)行一元線性回歸，結(jié)果如圖2所示。

由圖2中的一次函數(shù)關(guān)系式可以得出：當(dāng)混凝土的強(qiáng)度為26.6 MPa時(shí)，膠水比為1.54，即水膠比為W/B=0.65；由此可以得出：每立方米混凝土的膠凝材料用量為180/0.65=277 kg。其中，水泥：277×70%=194 kg；粉煤灰：277×30%=83 kg；減水劑：277×0.009%=2.493 kg，滿足素混凝土最小膠凝材料用量250 kg/m3的要求。

10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=60∶40的混凝土28 d強(qiáng)度與膠水比關(guān)系圖見(jiàn)圖3。

由圖3中的一次函數(shù)關(guān)系式可以求出：當(dāng)混凝土的強(qiáng)度為26.6 MPa時(shí)，膠水比為1.746，即水膠比為W/B=0.57；由此可以求出：每立方米混凝土的膠凝材料用量為180/0.57=316 kg。其中，水泥：316×70%=221 kg；粉煤灰：316×30%=95 kg；減水劑：316×0.009%=2.844 kg，滿足素混凝土最小膠凝材料用量250 kg/m3的要求。

3 混凝土經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)

通過(guò)以上試驗(yàn)分析得出：兩種不同粗集料摻配比例的混凝土所用粗、細(xì)集料上的成本雖然相差無(wú)幾，但在膠凝材料和減水劑上的差別卻十分明顯。如按照水泥市場(chǎng)價(jià)格350 元/t，粉煤灰160 元/t，減水劑6 000 元/t計(jì)算；用10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20的混凝土配合比每立方米可節(jié)約成本：(221-194)/1 000×350+(2.844-2.493)/1 000×6 000+(95-83)/1 000×160=13.48元。這對(duì)于任何一個(gè)工程項(xiàng)目無(wú)疑是一筆可觀的資金。就拿京烏工地路基排水溝、急流槽及附屬工程用混凝土12 000 m3來(lái)說(shuō)，就可節(jié)約：12 000×13.48=161 760 元。因此，在混凝土施工中，只要配合比設(shè)計(jì)合理，就可以在滿足工作性能要求的基礎(chǔ)上，最大限度地節(jié)約成本，降低工程造價(jià)。

[1] JGJ 55—2011,普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[2] JTG E30—2005,公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3] JTG E42—2005,公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[4] JTG/T F50—2011,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

Rational application of concrete aggregate mixing proportion and admixture

Jia Wen

(Shanxi Yuanfang Highway & Bridge Group Corporation 1st Branch Company, Datong 037006, China)

Combining with Beijing-Urumqi national highway subgrade engineering example, the paper detects raw material indicators needing in concrete preparation of the detection construction process, describes concrete mixing proportion design scheme from aspects of coarse aggregate mixing proportion, water-binder ratio, water volume and sandy ratio, analyzes the impact of coarse aggregate and admixture upon concrete strength, and finally points out that: rationally designing mixing proportion can reduce cost and meet concrete working performance as well.

concrete, mixing proportion, coarse aggregate, water-binder ratio

1009-6825(2017)08-0122-03

2017-01-05

賈 文(1973- )，男，工程師

TU528

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