優化碎石級配提高混凝土性能的方法探討

陳俊杰

（1.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建 福州 350108；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建 福州 350108）

0 引言

商品混凝土攪拌站在選擇碎石時，一般都是以地材為主。碎石來源的單一性對混凝土配合比的設計帶來很大的局限性[1]。在配合比設計過程中，要通過調整碎石搭配、膠凝材料用量、用水量、砂率、外加劑等來彌補碎石的某些參數的缺陷。

碎石廠破碎出來的碎石一般分成以下幾個級配區：5~10mm、5~20mm、5~25mm、5~31.5mm 連續級配碎石及16~31.5mm 單粒級碎石等。由于碎石廠破碎工藝問題，往往上述碎石級配達不到JGJ 52-2006標準中的級配要求[2]。面對這種現狀，要提高混凝土性能，必須研究優化碎石級配的方法。

1 案例工程基本情況

某項目位于龍巖市新羅區。該項目C40混凝土開盤鑒定中水泥用量達到了445kg/m3，水膠比達到了0.34。根據實際使用的原材料情況，根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）計算，水膠比在0.38左右，即可滿足要求[1]。通過調查發現，當地混凝土膠凝材料的實際用量比通過配合比計算推薦的用量高出不少是普遍現象。

如果骨料搭配合理，混凝土內部能形成比較理想的骨架結構，如圖1 所示。良好的碎石級配應當具有以下特性：（1）空隙率小，以減少水泥用量并保證密實度；（2）總表面積小，以減少濕潤骨料表面的需水量[3]；（3）有少量的細顆粒以滿足和易性的要求[4]。

圖1 理想的骨架結構示意圖

通過對該工程部位混凝土結構鉆芯法檢測，鉆取的混凝土芯樣中碎石級配未形成上述理想骨架，如圖2所示。造成這種情況的原因是：在實際運用中，混凝土生產企業為了混凝土性能能滿足使用要求，往往通過增加膠凝材料的用量來彌補碎石級配上的缺陷。

圖2 鉆取的混凝土芯樣端面

2 碎石級配優化方案設計步驟

為了提高混凝土性能，簡單粗暴地增加膠凝材料的用量，雖然能達到一定目的，但是，膠凝材料用量過大，易造成水化熱過大，而且還增加了不必要的經濟成本。適當減少水泥用量可以降低水化熱，減少混凝土的干縮[5]。為了解決這一問題，筆者嘗試先通過試驗，計算出幾種碎石的搭配比例，合理搭配骨料，使其級配達到最優以達到減少膠凝材料用量、降低經濟成本的目的。本文擬通過以下步驟優選碎石級配：

（1）開展原材料性能檢測，掌握原材料基本情況；

（2）制定碎石級配優化方案；

（3）開展混凝土性能驗證試驗，通過比對混凝土拌合物性能、硬化混凝土力學指標，確定最優方案。

3 原材料基本性能

（1）水泥：試驗使用的是福建建福（安沙）水泥廠生產的P·O42.5R 水泥，水泥樣本的各項參數檢測結果見表1所示。

表1 水泥樣本各參數檢測結果

（2）細骨料：比對試驗使用的細骨料為天然河砂，產地為福建省連城縣四堡鎮。細骨料主要參數的檢測結果見表2所示。

表2 細骨料樣本主要參數檢測結果

（3）碎石：比對試驗所使用的碎石均為花崗巖碎石，碎石規格分別是尺寸為5~20mm、16~31.5mm。碎石產地為福建省連城縣四堡鎮，碎石的主要參數檢測結果見表3所示。

表3 碎石樣本主要參數檢測結果

（4）摻合料和外加劑：摻合料為粉煤灰，其生產廠家為福建翁銅建材有限公司；外加劑采用高效減水劑，其生產廠家為科之杰新材料集團福建有限公司。外加劑及粉煤灰主要參數的檢測結果見表4和表5所示。

表4 粉煤灰樣本主要參數檢測結果

表5 減水劑樣本主要參數檢測結果

4 碎石級配優化方案設計

通過對試驗所用的5~20mm、16~31.5mm2種級配碎石篩分試驗，得出2種規格碎石的各檔累計篩余量，見表6所示。

表6 碎石的篩分級配情況

根據以上2 種規格碎石累積篩余量結果，并考慮到后續拌制的混凝土在不調整水灰比情況下均需要滿足坍落度及流動性等混凝土拌合物性能要求，為方便比對數據及分析結果，通過理論計算設計出能滿足JGJ 52-2006 中5~31.5mm 連續級配碎石要求的3 種摻配比例：

方案一：（16~31.5mm碎石）:（5~20mm碎石）=50:50；

方案二：（16~31.5mm碎石）:（5~20mm碎石）=40:60；

方案三：（16~31.5mm碎石）:（5~20mm碎石）=30:70。

3種摻配設計方案的碎石級配情況見表7所示。由表7可以看出，方案二的設計級配與規范要求的上下限中值的偏差量最小。

表7 按不同比例摻配設計的5~31.5mm碎石級配情況

對按以上3 種摻配設計方式摻配的5~31.5mm 碎石，分別進行堆積密度、緊密密度及表觀密度檢驗，并分別計算其空隙率，檢測結果見表8所示。

表8 三種摻配比例的碎石密度及空隙率檢測結果

5 混凝土性能驗證試驗

5.1 混凝土拌制

對上述優化后的3種碎石級配進行混凝土拌合物試驗，以坍落度為150mm±30mm、強度等級為C30的普通泵送混凝土為控制基準。在保證水膠比、水泥用量、外加劑用量、砂率等一致的情況下，對其拌合物性能進行比對，此外每種摻配的碎石各成型11 組150mm×150mm×150mm的混凝土試塊，在7d、28d各取5組進行抗壓強度試驗，另外1組進行混凝土鉆芯試驗。

5.2 試驗結果分析

3種摻配的混凝土拌合物均滿足混凝土坍落度、和易性及流動性等要求，拌合物性能及各齡期混凝土試塊抗壓強度見表9所示。

表9 3種摻配比例混凝土的拌合物性能及抗壓強度

通過比對表8、表9的試驗結果，發現以下規律：

按40:60 比例摻配的方案②所得的5~31.5mm 碎石空隙率最低，所配制的混凝土試塊各齡期的抗壓強度在3組中最高。

通過分析表10的篩分結果，制作出篩分曲線圖，如圖3所示。由圖3可以看出，2種規格碎石按40:60比例摻配的組合，其各檔的篩余結果與各檔上下限中值的偏差最小，摻配結果與JGJ 52-2006 中的5~31.5mm 碎石級配的各檔的中值較為接近。

表10 3種方案摻配的碎石級配與上下限中值之差

圖3 3種方案摻配的5~31.5mm碎石級配趨勢圖

為了更直觀地查看混凝土內部骨架結構，在成型的試件中，分別鉆取混凝土芯樣，其中方案二設計級配配置的混凝土內部結構最為密實，與圖2 所示的“理想骨架”最為接近：骨料的骨架理想，粗骨料分布飽滿，粗骨料之間由細骨料填充，其余空間由漿料填充，如圖4所示。

圖4 方案二的混凝土試件中鉆取的芯樣

6 結束語

本文結合案例進行分析，設置不同規格碎石的摻配試驗、混凝土試驗。經過優化碎石級配搭配后，可以得到空隙率較小的級配碎石，并提高混凝土抗壓強度，形成“理想骨架”內部結構。此外，合理搭配碎石比例，不但可以做到減少膠材用量，降低成本，提高效益，而且水泥漿用量的減少可以降低水化熱，減少混凝土的干縮。因此，混凝土生產企業試驗人員在實際生產過程中，應勤做碎石試驗，及時掌控碎石搭配技巧，提升綜合效益。