混凝土配合比技術(shù)參數(shù)的統(tǒng)計分析

宋新樂，康秀晗，王登科，，林 慧，孫發(fā)圣，王 旭

(1.海南省眾邑新材料研究院有限公司，海南 三亞 572024； 2.海南瑞澤雙林建材有限公司，海南 三亞 572024)

1 概述

現(xiàn)代混凝土質(zhì)量主要包括新拌混凝土的工作性、力學(xué)性和耐久性，而現(xiàn)代混凝土首先必須要確保的重要性能是工作性，解決工作性問題是現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展的重要方向和突破口，沒有工作性的混凝土毫無實際意義。混凝土工作性穩(wěn)定不僅保證了商品混凝土公司穩(wěn)定地生產(chǎn)混凝土，還確保施工單位現(xiàn)場施工過程順利進(jìn)行，同時良好工作性還是混凝土諸多性能保障的前提，所以保證混凝土的工作性穩(wěn)定十分的重要。然而在實際生產(chǎn)過程中，商品混凝土公司用的原材料質(zhì)量不穩(wěn)定，尤其是砂石料的質(zhì)量，于是混凝土的配合比也隨著變動。一般在原材料質(zhì)量發(fā)生波動的情況下，技術(shù)人員主要依據(jù)以往混凝土試驗經(jīng)驗，通過混凝土配合比進(jìn)行工作性調(diào)整，直到達(dá)到預(yù)期的混凝土工作性。由于混凝土配合比設(shè)計需要消耗大量的材料和勞動力，同時在實際生產(chǎn)應(yīng)用時的時效性也較差，因此在保證混凝土工作性穩(wěn)定的前提下，統(tǒng)計了原材料技術(shù)參數(shù)和配合比關(guān)鍵參數(shù)，除此之外，統(tǒng)計混凝土坍落度與砂漿流動度的數(shù)據(jù)，并建立兩者關(guān)系及提出砂漿流動度的應(yīng)用方向，為混凝土配合比設(shè)計奠定了基礎(chǔ)[1]。

2 原材料技術(shù)參數(shù)的概念

2.1 砂漿比

現(xiàn)代混凝土的特點是摻加礦物摻和料和高效減水劑，由傳統(tǒng)的配合比三要素：水灰比、漿骨比、砂石比，成為了水膠比、漿骨比、砂石比和礦物摻和料用量四要素，配合比中需要求出的未知數(shù)由傳統(tǒng)的4個變成5個，最后由各材料在滿足施工要求的前提下緊密堆積的原理，用絕對體積法計算出各材料用量[2]。

參照J(rèn)GJ/T 283—2012自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程，引入一個新的概念——砂漿比，指的是砂體積用量與漿體體積用量的比值。將砂漿比代替了配合比要素中的漿骨比，則混凝土配合比四要素變?yōu)椋核z比、砂漿比、砂石比以及礦物摻合料用量，同樣也是5個方程組。采用砂漿比這一要素主要是考慮到混凝土結(jié)構(gòu)層次，不考慮外加劑占據(jù)混凝土的體積，則混凝土中各組成材料的關(guān)系可用圖1來描述。

2.2 砂比表面積系數(shù)

目前采用以“細(xì)度模數(shù)”來描述砂子的粗細(xì)程度存在片面之處，即不能反映砂子顆粒級配的情況以及細(xì)度模數(shù)與不同細(xì)度的比表面積沒有相關(guān)性，則引進(jìn)一個新的概念——砂比表面積系數(shù)。集料的比表面積是研究混合材料性能和組成材料的交互作用能力一項重要指標(biāo)；砂作為典型的不規(guī)則顆粒，其比表面積的計算難度大，計算方法一直備受關(guān)注，對于具備級配組成的集料來說，分析其總的比表面積，最理想的做法，是能夠分析每一個顆粒的比表面積，然后把它們累加起來，得到總的比表面積。因此，引入砂比表面積系數(shù)SA作為指標(biāo)。首先假設(shè)砂顆粒為球體，最終通過計算得出的比表面積系數(shù)公式見式(1)。

(1)

其中，Xi為每檔篩孔尺寸砂子所占的比例；Ri為第i個篩孔尺寸。

2.3 其他技術(shù)參數(shù)

參照圖1以及JGJ/T 283—2012自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程，引入下列技術(shù)參數(shù)：

1)粗集料堆積密度體積用量，指的是單位粗集料的質(zhì)量與粗集料的堆積密度的比值，則V堆為：

(2)

2)粗集料緊密密度體積用量，指的是單位粗集料的質(zhì)量與粗集料的堆積密度的比值，則V緊為：

(3)

3)漿體體積用量，指的是各個單位膠凝材料的質(zhì)量與表觀密度的比值和空隙的總和。

4)砂體積用量，指的是單位砂的質(zhì)量與砂表觀密度的比值。

5)砂漿體積用量，指的是漿體體積用量與砂體積用量的總和。

3 試驗

3.1 試驗方案

目前商品混凝土公司生產(chǎn)方量最大且具有代表性的混凝土是泵送C30，本次研究以泵送C30混凝土為基準(zhǔn)，根據(jù)生產(chǎn)取樣的規(guī)定，取樣后用坍落度筒測坍落度，并取回原材料按照相關(guān)的試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行物理性能指標(biāo)的測試，按照上述的試驗步驟，重復(fù)200組試驗，最后統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)[3]。

3.2 原材料

1)水泥。試驗所用水泥為天涯P.O42.5級水泥，其水泥來源及質(zhì)量穩(wěn)定，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水泥的主要物理性能指標(biāo)

2)粉煤灰。試驗所用的粉煤灰為海南峰澤Ⅱ級粉煤灰，其粉煤灰來源及質(zhì)量同樣也穩(wěn)定，細(xì)度45 μm篩篩余為11.8%，需水量比為99.1%，強(qiáng)度活性指數(shù)為72%，燒失量為4.4%。

3)礦渣粉。試驗所用的礦渣粉為遷安市盛久建材有限公司的S95級粒化高爐礦渣粉，其礦渣粉來源及質(zhì)量同樣也穩(wěn)定，其密度為2.90 g/cm3，比表面積為410 m2/kg，28 d活性指數(shù)為109%，流動度比為100%，燒失量為1.2%。

4)砂。試驗所用的機(jī)制砂產(chǎn)地為海南金地公司，其機(jī)制砂生產(chǎn)的來源及質(zhì)量不穩(wěn)定，其技術(shù)指標(biāo)見以下的研究。

5)減水劑。試驗所用的外加劑為江蘇蘇博特聚羧酸高性能減水劑，其來源及質(zhì)量同樣也穩(wěn)定，其減水率為25%。

4 技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計及模型分析

4.1 原材料技術(shù)參數(shù)的統(tǒng)計

以生產(chǎn)上設(shè)定的泵送C30混凝土配合比為基準(zhǔn)，根據(jù)試驗實測含水率算出實際的混凝土配合比，并測出各原材料的物理性能指標(biāo)，得到砂比表面積參數(shù)、漿體體積用量、砂體積用量、砂漿體積用量、砂占漿體體積的比值等原材料技術(shù)參數(shù)[4]。

在保證混凝土狀態(tài)一致的前提下，首先假設(shè)隨著砂比表面積系數(shù)的變化，漿體體積用量、砂體積用量、砂漿體積用量以及砂漿比也呈某一趨勢變化，選取20組數(shù)據(jù)進(jìn)行散點圖，并采用了相關(guān)系數(shù)最高的擬合關(guān)系圖進(jìn)行分析，見表2,圖2。

表2 混凝土技術(shù)參數(shù)及狀態(tài)

從圖2可以看出，在保證混凝土狀態(tài)一致的前提下，砂比表面積系數(shù)與漿體體積用量、砂體積用量、砂漿體積用量以及砂漿比的相關(guān)系數(shù)都非常小，說明砂比表面積系數(shù)與這四個混凝土技術(shù)參數(shù)的關(guān)聯(lián)度較低。

從以上散點圖可以看出，當(dāng)砂比表面積系數(shù)在一定范圍變化時，這四個技術(shù)參數(shù)也是在一定范圍內(nèi)變化，于是對原材料的物理性能指標(biāo)以及配合比中技術(shù)參數(shù)進(jìn)行概率密度分布圖的分析。

因此，在確保滿足混凝土工作性穩(wěn)定的條件下，隨機(jī)抽檢了200組樣品，按照標(biāo)準(zhǔn)中的取樣方法取回原材料，并測出各原材料的物理性能指標(biāo)，對原材料的物理性能指標(biāo)進(jìn)行概率密度分布圖的分析，如圖3所示。

正態(tài)分布具有兩個參數(shù)：即平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。平均值表達(dá)了這批原材料的物理性能平均水平的高低。標(biāo)準(zhǔn)差表達(dá)了這批材料性能勻質(zhì)性，勻質(zhì)性越好則標(biāo)準(zhǔn)差越小，曲線越“瘦高”，即各數(shù)值都集中在平均值附近，其離散程度越小。

從圖3中可以看出，細(xì)集料物理指標(biāo)直方圖的分布與概率分布曲線的擬合程度較好，可認(rèn)為砂子的細(xì)度模數(shù)、表觀密度、堆積密度、緊密密度以及比表面積系數(shù)的分布符合正態(tài)分布曲線[5]。

4.2 配合比技術(shù)參數(shù)的統(tǒng)計

同樣的，從圖4可以看出，原材料的技術(shù)參數(shù)的直方圖分布與正態(tài)分布曲線圖擬合程度也是較接近，認(rèn)為這五個原材料技術(shù)參數(shù)也符合正態(tài)分布曲線圖。

4.3 正態(tài)分布模型分析

對上述的原材料的物理性能指標(biāo)與混凝土中的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行正態(tài)模型驗證，根據(jù)數(shù)據(jù)，算出平均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及90%處的分位數(shù)等相關(guān)參數(shù)，如表3所示。

表3 正態(tài)分布模型參數(shù)值(一)

實驗數(shù)據(jù)表明：當(dāng)砂子的細(xì)度模數(shù)為2.3～2.7時，砂比表面積系數(shù)為3.0～3.6；漿體體積用量為310 m3～318 m3；砂體積用量為321 m3～341 m3；砂漿體積用量為632 m3～658 m3；砂漿比為1.03～1.07。

由于上述情況，混凝土的配合比與原材料技術(shù)參數(shù)的關(guān)系需滿足正態(tài)分布模型，于是以下的研究也采用了正態(tài)分布的模型進(jìn)行分析，如表4，表5所示。

表4 正態(tài)分布模型參數(shù)值(二)

表5 正態(tài)分布模型參數(shù)值(三)

試驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)砂子的細(xì)度模數(shù)為2.6～3.0時，砂比表面積系數(shù)為2.7～3.1；漿體體積用量為307 m3～317 m3；砂體積用量341 m3～355 m3；砂漿體積用量為650 m3～671 m3；砂漿比為1.10～1.14。

試驗數(shù)據(jù)表明：砂子的細(xì)度模數(shù)為2.0～2.4時，砂比表面積系數(shù)為3.5～5.5；漿體體積用量為304 m3～315 m3；砂體積用量324 m3～336 m3；砂漿體積用量為631 m3～648 m3；砂漿比為1.03～1.09。

5 砂漿流動度的驗證及應(yīng)用

5.1 砂漿流動度與混凝土坍落度的關(guān)系

本節(jié)主要驗證當(dāng)混凝土狀態(tài)一致的前提下砂漿的工作性如何，為砂漿工作性與混凝土工作性的關(guān)系奠定基礎(chǔ)。根據(jù)混凝土配合比，配制成砂漿，觀察砂漿的工作性，對砂漿的流動度進(jìn)行統(tǒng)計分析，砂漿的流動度統(tǒng)計圖見圖5。

正態(tài)分布模型參數(shù)值見表6。

表6 正態(tài)分布模型參數(shù)值(四)

當(dāng)混凝土坍落度在180 mm～200 mm時，砂漿流動度大部分分布在293 mm～305 mm，且砂漿未出現(xiàn)泌水板結(jié)的狀態(tài)。即如果需要泵送混凝土的坍落度達(dá)到180 mm～200 mm，砂漿流動度需要達(dá)到293 mm～305 mm。

5.2 砂漿流動度的應(yīng)用

1)目前大多數(shù)都是關(guān)于水泥與外加劑相容性或勻質(zhì)性的標(biāo)準(zhǔn)，而砂子的細(xì)粉含量與MB值會影響外加劑的摻量及勻質(zhì)性，則可以通過配制砂漿的手段，觀察砂漿的工作性及測量砂漿的流動度。

2)目前原材料來源參差不齊，導(dǎo)致混凝土配比波動幅度大，需要不斷的驗證配合比以滿足混凝土工作性的要求，首先可以通過配制砂漿的手段，觀察砂漿的工作性及測量砂漿的流動度，其次通過砂漿的配比配制混凝土驗證混凝土的工作性，最后確定混凝土配合比。

6 結(jié)語

1)每個拌合站原材料情況不一致，混凝土的工作狀態(tài)不一致，前提是確定混凝土工作狀態(tài)，然后根據(jù)實際的情況去確定漿體體積用量、砂體積用量。以下結(jié)論是當(dāng)泵送混凝土坍落度在180 mm～200 mm前提下成立。

當(dāng)砂子的細(xì)度模數(shù)為2.3～3.0時，砂比表面積系數(shù)為2.7～3.6；漿體體積用量為310 m3～318 m3；砂體積用量為321 m3～355 m3；砂漿體積用量為632 m3～671 m3；砂漿比為1.03～1.14；砂子的細(xì)度模數(shù)為2.0～2.4時，砂比表面積系數(shù)為3.5～5.5；漿體體積用量為304 m3～315 m3；砂體積用量324 m3～336 m3；砂漿體積用量為631 m3～648 m3；砂漿比為1.03～1.09。

2)在原材料來源穩(wěn)定的條件下，砂漿流動度需要達(dá)到290 mm～310 mm，混凝土的工作性才能滿足要求。

3)砂漿流動度的測試方法，適用于砂子與外加劑的相容性驗證，這將成為研究的重點。