基于研究石子级配对混凝土工作性的影响,对混料设计方法设计了10组三级配石子混凝土配合比,测试了不同石子级配的混凝土的坍落度和扩展度,并对测试结果进行优化。结果表明:石子级配对混凝土工作性有重要影响,良好的石子级配可有效改善混凝土的工作性。采用混料设计的方法设计的混凝土配合比,可在尽量少实验量的基础上快速有效得到满足工作性要求的石子比例

何富强

刘永淼

林金华

段岳强

王晨飞

王瑞攀

陈昌萍

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2019 年第 08 期总第 254 期福 建 建 筑Fujian Architecture ＆ ConstructionNo 08·2019Vol·254石子级配对混凝土工作性的影响林金华1 段岳强1 刘永淼2 王瑞攀3 何富强4 陈昌萍4 王晨飞4，5( 1. 中交一公局厦门工程有限公司 福建厦门 361000; 2. 厦门轨道交通集团有限公司 福建厦门 361000;3. 厦门大学 福建厦门 361005; 4. 厦门理工学院 福建厦门 361024;5. 重大工程结构裂缝控制福建省高校工程研究中心 福建厦门 361024)摘 要: 基于研究石子级配对混凝土工作性的影响，对混料设计方法设计了 10 组三级配石子混凝土配合比，测试了不同石子级配的混凝土的坍落度和扩展度，并对测试结果进行优化。结果表明: 石子级配对混凝土工作性有重要影响，良好的石子级配可有效改善混凝土的工作性。采用混料设计的方法设计的混凝土配合比，可在尽量少实验量的基础上快速有效得到满足工作性要求的石子比例。关键词: 石子级配; 混凝土工作性; 混凝土配合比; 坍落度; 扩展度中图分类号: TU528． 1 文献标识码: A 文章编号: 1004 － 6135( 2019) 08 － 0105 － 04Effect of stone gradation on concrete workabilityLIN Jinhua1 DUAN Yueqiang1 LIU Yongmiao2 WANG Ｒuipan3 HE Fuqiang4 CHEN Changping4 WANG Chenfei4，5( 1. Xiamen Ｒail Transit Group Co. Ltd. ，Xiamen 361000; 2. CCCC First Highway Xiamen Engineering Co. Ltd. ，Xiamen 361000;3. Xiamen University，Xiamen 361005; 4. Xiamen University of Technology，Xiamen 361024;5. Fujian University Engineering Technology Ｒesearch Center of Structural Crack Control for Major Project，Xiamen 361024)Abstract: In this study，10 sets of three － grade stone concrete mix ratio were designed by mixing design method based on the study of theinfluence of stone gradation on the workability of concrete． The slump and slump flow of the concrete with different stone grades were testedand the test results were optimized． The results showed that that stone gradation has an important influence on the workability of concrete，and good stone gradation can effectively improve the workability of concrete． The mix proportion of concrete designed by mix design methodcan quickly and effectively obtain the stone proportion that meets the workability requirement on the basis of as little experimental amount aspossible．Keywords: Stone gradation; Concrete workability; Concrete mix ratio; Slump; Slump flow作者简介: 林金华( 1986． 12 － ) ，男，工程师。E-mail: 68162426@ qq． com收稿日期: 2019 － 03 － 090 引言混凝土是由胶凝材料、石子、砂子、水及外加剂经搅拌而成的非匀质混合材料。石子在混凝土中发挥骨架的作用，是混凝土成型的基础，因此石子的性能对混凝土的性能有着重要影响。近年来，福建地区石子的压碎值、针片状含量及石子级配等均对混凝土的工作性［1］、强度［2］、耐久性［3］及胶凝材料用量有很大影响。《建设用碎石、卵石》( GBT 14685 － 2011) ［4］中对石子的针片状含量和压碎值均有明确规定，对石子级配也进行了规定，但是范围较为广泛。在规定范围内，石子的空隙率和表面积均有很大的变化，随之影响了胶凝材料的用量变化。因此，很有必要对石子级配进行研究。基于此，本文对采用的三级配石子各项指标性能进行测试，并设计了 10 组石子比例，对不同石子级配的混凝土的工作性进行测定，以期用衡量混凝土工作性指标的坍落度和扩展度，对不同石子级配的影响进行表征，为广大研究者提供参考。1 实验1. 1 实验原材料水泥: 厦门市美益集团生产的 PO42. 5 普通硅酸盐水泥;粉煤灰: 赣州后石电厂生产的 II 级粉煤灰;矿粉: 福建省三钢( 集团) 有限责任公司生产的S95 级矿渣; 水泥、粉煤灰和矿粉的粒径分布如表 1及图 1 所示。·106· 福 建 建 筑 2019 年石子: 福建智欣双惠矿业有限公司生产的粒径分别为 5mm ～10mm，10mm ～ 20mm，16mm ～ 31. 5mm 的碎石，石子的单粒级配和压碎值均满足要求。石子的各项测试指标如表 2 所示。砂子: 厦门原福沙业有限公司生产的河砂，细度模数为 2. 6，砂子的各项测试指标如表 3 所示;减水剂: 厦门科之杰聚羧酸高效减水剂;水: 自来水。表 1 水泥、粉煤灰和矿粉的粒径分布材料 X50 ＜ 3μm 3 － 32μm 32 － 65μm ＞65μm ＞80μm水泥 15. 984 17. 297 65. 030 17. 036 0. 637 0粉煤灰 13. 310 25. 798 52. 594 18. 033 3. 575 1. 726矿粉 11. 370 22. 878 71. 272 5. 850 0 0表 2 石子的性能指标测试结果石子粒径( mm)含泥量( % )泥块含量( % )针片状含量( % )压碎值( % )表观密度( kg /m3 )松散堆积密度( kg /m3 )紧密堆积密度( kg /m3 )堆积密度孔隙率( % )紧密密度孔隙率( % )16 ～ 31. 5 0. 21 0. 22 1. 70 10. 6 2650. 0 1386. 4 1562. 3 47. 7 41. 010 ～ 20 0. 31 0. 23 1. 90 5. 8 2792. 0 1527. 4 1646. 1 45. 3 41. 05 ～ 10 0. 62 0. 48 1. 80 — 2764. 3 1531. 4 1627. 1 44. 6 41. 1表 3 砂子的性能指标测试结果砂子测试指标含泥量( % ) 0. 8砂子筛分结果公称粒径( mm)第一组 第二组筛余量( g)分计筛( % )实测累计筛余( % )筛余量( g)分计筛( % )实测累计筛余( % )泥块含量( % ) 0. 20 5 0 0 0 2 0. 4 0. 4表观密度( kg /m3 ) 2421. 3 2. 5 38 7. 6 7. 6 42 8. 4 8. 8松散堆积密度( kg /m3 ) 1491. 1 1. 25 66 13. 2 20. 8 68 13. 6 22. 4紧密堆积密度( kg /m3 ) 1634. 7 0. 63 150 30 50. 8 147 29. 4 51. 8松散堆积密度孔隙率( % ) 38. 4 0. 315 151 30. 2 81 147 29. 4 81. 2紧密堆积密度孔隙率( % ) 32. 5 0. 16 76 15. 2 96. 2 74 14. 8 96氯离子含量( % ) 0. 002 筛底 19 3. 8 100 20 4 100吸水率( % ) 0. 73 细度模数 2. 56 2. 59图 1 水泥、粉煤灰和矿粉的粒径分布图1. 2 实验配合比设计实验配制 C35 等级混凝土，基于《普通混凝土配合比设计规程》( JGJ55 － 2011 ) ［5］，计算初步确定采用水胶比为 0. 36，胶凝材料为 370kg /m3，其中，水泥掺量为胶材总量的 60%，粉煤灰掺量为胶材总量的30%，矿粉掺量为胶材总量的 10%。经过初步试拌后确定砂率为 0. 39，采用混料设计法设计得到的 10 组石子三元体系混凝土配合比如表 4 所示。1. 3 试验方法在实验室中，依据设计得到的混凝土配合比称量相应的材料，依次将砂子、石子和胶凝材料放于搅拌机，搅拌 2min 后，将减水剂与水混合加入材料中搅拌，每组配比在搅拌机中搅拌 20L 混凝土; 依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》( GB /T 50080 －2016) ［6］，测试每组混凝土的坍落度和扩展度，每组混凝土搅拌后及时清理搅拌机，防止上一组混凝土的砂浆和减水剂对下一组混凝土的配制产生影响。2019 年 08 期 总第 254 期 林金华等·石子级配对混凝土工作性的影响 ·107·表 4 混凝土配合比 kg /m3编号胶凝材料水泥 粉煤灰 矿粉砂子石子大石子 中石子 小石子水1 252. 0 126. 0 42. 0 713. 2 446. 2 446. 2 223. 1 151. 22 252. 0 126. 0 42. 0 713. 2 520. 6 297. 5 297. 5 151. 23 252. 0 126. 0 42. 0 713. 2 223. 1 669. 3 223. 1 151. 24 252. 0 126. 0 42. 0 713. 2 223. 1 446. 2 446. 2 151. 25 252. 0 126. 0 42. 0 713. 2 371. 9 371. 9 371. 9 151. 26 252. 0 126. 0 42. 0 713. 2 446. 2 223. 1 446. 2 151. 27 252. 0 126. 0 42. 0 713. 2 297. 5 297. 5 520. 6 151. 28 252. 0 126. 0 42. 0 713. 2 297. 5 520. 6 297. 5 151. 29 252. 0 126. 0 42. 0 713. 2 669. 3 223. 1 223. 1 151. 210 252. 0 126. 0 42. 0 713. 2 223. 1 223. 1 669. 3 151. 2在进行正式实验测试前，先通过实验选定混凝土中减水剂的掺量，以基本保证混凝土均不产生离析和泌水，最终确定减水剂掺量为 1. 1%，以此为基础，进行后续混凝土工作性实验。2 试验结果与分析实验测得石子三元体系的 10 组混凝土坍落度和扩展度结果如表 5 所示，代表性的混凝土工作性测试如图 2 所示。表 5 石子三元体系混凝土工作性测试结果编号石子比例大石子 中石子 小石子坍落度( mm)扩展度( mm)1 0. 40 0. 40 0. 20 190 4802 0. 47 0. 27 0. 27 195 3353 0. 20 0. 60 0. 20 105 04 0. 20 0. 40 0. 40 190 3605 0. 33 0. 33 0. 33 190 2956 0. 40 0. 20 0. 40 180 2707 0. 27 0. 27 0. 47 195 3988 0. 27 0. 47 0. 27 180 3889 0. 60 0. 20 0. 20 155 31010 0. 20 0. 20 0. 60 55 0图 2 混凝土工作性测试从表 2 可以看出，混凝土中的大石子、中石子和小石子比例对混凝土的工作性有重要影响。当混凝土中石子级配发生变化时，混凝土的坍落度在 55mm ～195mm 之间发生变化，而扩展度也从 0～480mm 之间波动。这是因为当石子级配不同时，石子的表面积和空隙率不同，造成混凝土中用于填充石子空隙和包裹石子表面的水泥桨体量也不同，最终引起用于润滑的浆体量发生变化，混凝土的工作性随之变化，这也是采用混凝土坍落度和扩展度衡量石子级配的重要原因。当混凝土的坍落度在 190mm ～ 195mm 之间变化时，其扩展度在 295mm ～ 480mm 之间变化，也即混凝土坍落度相同时，对应的扩展度变化很大。这是由于大中小石子比例的不同，造成石子级配的不同，引起同一组混凝土坍落度和扩展度不匹配。当混凝土中大石子较多时，石子的骨架作用显著，但是浆体量快速流动，因而扩展度偏大，但此时混凝土状态较差; 只有当石子级配合适时，混凝土中的浆体可有效包裹石子，其坍落度和扩展度才有良好的关系，混凝土状态也较好。对表 1 中的测试结果作三元等值图，如图 3 所示。从图中可以看出，随着小石子和中石子掺量的增多，混凝土坍落度有减少的趋势，当石子比例较为均衡，也即大石子、中石子和小石子的基本相同时，混凝土的坍落度达到最大。对上述实验结果进行回归分析，以研究混凝土坍落度与石子级配之间的关系。设定混凝土坍落度为y，大石子掺量为 x1，中石子为 x2，小石子为 x3，建立 y与 x1，x2，x3 之间的关系如下［7］:y = － 409x1 － 709x2 － 909x3 + 2713x1x2 +3203x1x3 + 4077x2x3 － 6287x1x2x3·108· 福 建 建 筑 2019 年图 3 不同石子级配混凝土坍落度等值线图 ( mm)Ｒ － Sq( 调整) = 84. 80%从上式可以看出，混凝土坍落度与大、中、小石子的 掺 量 有 良 好 的 非 线 性 关 系，其 拟 合 参 数 达 到了 84. 8%。为进一步得到最优的石子比例关系，对表 5 中的测试结果进行相应优化。当设定混凝土坍落度为 200mm时，解上述关系式，可得到大石子、中石子和小石子的比例为0. 36∶ 0. 33∶ 0. 31，也即在混凝土坍落度为200mm 时，此石子比例为最优比例，如图 4 所示。图 4 混凝土工作性回归分析采用计算求得的最优石子级配( 大石子 ∶ 中石子∶ 小石子 = 0. 36∶ 0. 33∶ 0. 31) ，进行混凝土配合比设计，除石子级配外，其他混凝土配合比参数均与石子三元体系设计时相同，并进行混凝土试拌试验，测得混凝土的坍落度为 205mm。这也与优化后的结果基本相同，证实了响应优化的可靠性。3 结论( 1) 混凝土中石子级配级配对混凝土的工作性有重要影响，因此要加强石子级配对混凝土工作性的研究。( 2) 测试基于设计级配得到的混凝土的工作性指标，可在尽量少实验量的基础上快速有效得到满足工作性要求的石子比例。( 3) 实验过程中分别采用坍落度和扩展度对混凝土的工作性进行衡量，是现在混凝土实验的重要指标，但是单独采用各个指标衡量还有失偏颇，能否考虑将两者进行综合考虑是下一步研究的重点。参 考 文 献［1］ 丁吉臣，郝占龙，郝家欣． 矿渣粉对混凝土和易性及强度影响的研究［J］． 福建建筑，2009( 12) : 16 － 17．［2］ 刘信奎． 石子压碎指标之新认识［J］． 科技资讯，2010( 29) : 23，26．［3］ 黄艳平，李阳，赵江，等． 石子在混凝土中的应用及影响［J］． 混凝土世界，2017( 05) : 82 － 87．［4］ GBT 14685 － 2011 建设用碎石、卵石［S］． 2011．［5］ JGJ55 － 2011 普通混凝土配合比设计规程［S］． 2011．［6］ GB/T 50080 － 2016 普通混凝土拌合物性能试验方法标准［S］． 2016．［7］ X． Hu，C． Shi，Z． Shi，B． Tong，D． Wang，Early ageshrinkage and heat of hydration of cement － fly ash － slagternary blends［J］． Construction and Building Materials，2017，153: 857 － 865．

石子级配对混凝土工作性的影响

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