石子級配對混凝土工作性的影響

林金華 段岳強 劉永淼 王瑞攀 何富強 陳昌萍 王晨飛,5

(1.中交一公局廈門工程有限公司 福建廈門 361000； 2.廈門軌道交通集團有限公司 福建廈門 361000；3.廈門大學 福建廈門 361005； 4.廈門理工學院 福建廈門 361024；5.重大工程結構裂縫控制福建省高校工程研究中心 福建廈門 361024)

0 引言

混凝土是由膠凝材料、石子、砂子、水及外加劑經攪拌而成的非勻質混合材料。石子在混凝土中發揮骨架的作用，是混凝土成型的基礎，因此石子的性能對混凝土的性能有著重要影響。

近年來，福建地區石子的壓碎值、針片狀含量及石子級配等均對混凝土的工作性[1]、強度[2]、耐久性[3]及膠凝材料用量有很大影響。《建設用碎石、卵石》(GBT 14685-2011)[4]中對石子的針片狀含量和壓碎值均有明確規定，對石子級配也進行了規定，但是范圍較為廣泛。在規定范圍內，石子的空隙率和表面積均有很大的變化，隨之影響了膠凝材料的用量變化。因此，很有必要對石子級配進行研究。

基于此，本文對采用的三級配石子各項指標性能進行測試，并設計了10組石子比例，對不同石子級配的混凝土的工作性進行測定，以期用衡量混凝土工作性指標的坍落度和擴展度，對不同石子級配的影響進行表征，為廣大研究者提供參考。

1 實驗

1.1 實驗原材料

水泥：廈門市美益集團生產的PO42.5普通硅酸鹽水泥；

粉煤灰：贛州后石電廠生產的II級粉煤灰；

礦粉：福建省三鋼(集團)有限責任公司生產的S95級礦渣；水泥、粉煤灰和礦粉的粒徑分布如表1及圖1所示。

石子：福建智欣雙惠礦業有限公司生產的粒徑分別為5mm～10mm，10mm～20mm，16mm～31.5mm的碎石，石子的單粒級配和壓碎值均滿足要求。石子的各項測試指標如表2所示。

砂子：廈門原福沙業有限公司生產的河砂，細度模數為2.6，砂子的各項測試指標如表3所示；

減水劑：廈門科之杰聚羧酸高效減水劑；

水：自來水。

表1 水泥、粉煤灰和礦粉的粒徑分布

表2 石子的性能指標測試結果

表3 砂子的性能指標測試結果

圖1 水泥、粉煤灰和礦粉的粒徑分布圖

1.2 實驗配合比設計

實驗配制C35等級混凝土，基于《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55-2011)[5]，計算初步確定采用水膠比為0.36，膠凝材料為370kg/m3，其中，水泥摻量為膠材總量的60%，粉煤灰摻量為膠材總量的30%，礦粉摻量為膠材總量的10%。經過初步試拌后確定砂率為0.39，采用混料設計法設計得到的10組石子三元體系混凝土配合比如表4所示。

1.3 試驗方法

在實驗室中，依據設計得到的混凝土配合比稱量相應的材料，依次將砂子、石子和膠凝材料放于攪拌機，攪拌2min后，將減水劑與水混合加入材料中攪拌，每組配比在攪拌機中攪拌20L混凝土；依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080-2016)[6]，測試每組混凝土的坍落度和擴展度，每組混凝土攪拌后及時清理攪拌機，防止上一組混凝土的砂漿和減水劑對下一組混凝土的配制產生影響。

表4 混凝土配合比 kg/m3

在進行正式實驗測試前，先通過實驗選定混凝土中減水劑的摻量，以基本保證混凝土均不產生離析和泌水，最終確定減水劑摻量為1.1%，以此為基礎，進行后續混凝土工作性實驗。

2 試驗結果與分析

實驗測得石子三元體系的10組混凝土坍落度和擴展度結果如表5所示，代表性的混凝土工作性測試如圖2所示。

表5 石子三元體系混凝土工作性測試結果

圖2 混凝土工作性測試

從表2可以看出，混凝土中的大石子、中石子和小石子比例對混凝土的工作性有重要影響。

當混凝土中石子級配發生變化時，混凝土的坍落度在55mm～195mm之間發生變化，而擴展度也從0～480mm之間波動。這是因為當石子級配不同時，石子的表面積和空隙率不同，造成混凝土中用于填充石子空隙和包裹石子表面的水泥槳體量也不同，最終引起用于潤滑的漿體量發生變化，混凝土的工作性隨之變化，這也是采用混凝土坍落度和擴展度衡量石子級配的重要原因。

當混凝土的坍落度在190mm～195mm之間變化時，其擴展度在295mm～480mm之間變化，也即混凝土坍落度相同時，對應的擴展度變化很大。這是由于大中小石子比例的不同，造成石子級配的不同，引起同一組混凝土坍落度和擴展度不匹配。

當混凝土中大石子較多時，石子的骨架作用顯著，但是漿體量快速流動，因而擴展度偏大，但此時混凝土狀態較差；只有當石子級配合適時，混凝土中的漿體可有效包裹石子，其坍落度和擴展度才有良好的關系，混凝土狀態也較好。

對表1中的測試結果作三元等值圖，如圖3所示。從圖中可以看出，隨著小石子和中石子摻量的增多，混凝土坍落度有減少的趨勢，當石子比例較為均衡，也即大石子、中石子和小石子的基本相同時，混凝土的坍落度達到最大。

圖3 不同石子級配混凝土坍落度等值線圖 (mm)

對上述實驗結果進行回歸分析，以研究混凝土坍落度與石子級配之間的關系。設定混凝土坍落度為y，大石子摻量為x1，中石子為x2，小石子為x3，建立y與x1，x2，x3之間的關系如下[7]：

y=-409x1-709x2-909x3+2713x1x2+3203x1x3+4077x2x3-6287x1x2x3

R-Sq(調整)= 84.80%

從上式可以看出，混凝土坍落度與大、中、小石子的摻量有良好的非線性關系，其擬合參數達到了84.8%。

為進一步得到最優的石子比例關系，對表5中的測試結果進行相應優化。當設定混凝土坍落度為200mm時，解上述關系式，可得到大石子、中石子和小石子的比例為0.36∶0.33∶0.31，也即在混凝土坍落度為200mm時，此石子比例為最優比例，如圖4所示。

圖4 混凝土工作性回歸分析

采用計算求得的最優石子級配(大石子∶中石子∶小石子=0.36∶0.33∶0.31)，進行混凝土配合比設計，除石子級配外，其他混凝土配合比參數均與石子三元體系設計時相同，并進行混凝土試拌試驗，測得混凝土的坍落度為205mm。這也與優化后的結果基本相同，證實了響應優化的可靠性。

3 結論

(1)混凝土中石子級配級配對混凝土的工作性有重要影響，因此要加強石子級配對混凝土工作性的研究。

(2)測試基于設計級配得到的混凝土的工作性指標，可在盡量少實驗量的基礎上快速有效得到滿足工作性要求的石子比例。

(3)實驗過程中分別采用坍落度和擴展度對混凝土的工作性進行衡量，是現在混凝土實驗的重要指標，但是單獨采用各個指標衡量還有失偏頗，能否考慮將兩者進行綜合考慮是下一步研究的重點。