基于碎石最大堆积密度的C30泵送混凝土胶凝材料用量优化研究
时间：2023-02-27 来源：混凝土世界 分享：
本文以实际生产C30泵送混凝土为对照组，通过对实际生产中所用碎石进行分级复配，对最大堆积密度条件下制备的混凝土胶凝材料的用量进行了优化研究。
于林玉 陆豪 严家江 赵婷
山东鲁桥建材有限公司 山东 济南 250000
摘 要：预拌混凝土生产中多采用连续级配的碎石，然而由于碎石颗粒级配大多不够合理，为保证混凝土性能，往往需要提高胶凝材料用量，这样会导致混凝土生产成本提高，开裂敏感性增加。基于此，本文以实际生产C30泵送混凝土为对照组，通过对实际生产中所用碎石进行分级复配，对最大堆积密度条件下制备的混凝土胶凝材料的用量进行了优化研究。结果表明，在相同的C30泵送混凝土拌合物、力学性能和干燥收缩要求下，碎石中5~10mm和10~25mm粒径石子按质量比20∶80分级复配，相比于实际生产用碎石制备的混凝土能够显著降低胶凝材料的用量20kg/m3，为实际生产中优化C30泵送混凝土性能及降本增效提供了参考。
关键词：碎石；分级复配；最大堆积密度；胶凝材料
碎石的颗粒级配和空隙率的大小是影响混凝土质量的重要技术指标，使用级配优良的碎石是制备优质混凝土的基础[1-2]。在获得相同工作性能时，碎石如能达到最大堆积密度可使骨料的空隙率大幅度降低，从而可显著降低填充于骨料空隙中的浆体用量，进而提高混凝土这种复合材料的堆积密度，全面提高混凝土质量[3-4]。目前，山东济南及周边地区生产预拌混凝土在采用5~25mm连续级配的石灰岩碎石生产时，石子的颗粒级配大多不够合理，且在堆放和装卸过程中，大颗粒石子易滚落到料堆底部，导致骨料堆场不同部位的石子颗粒级配差别很大。石子的颗粒级配不稳定、空隙率变化大，会大大降低混凝土质量及其稳定性，导致新拌混凝土工作状态起伏变化不定，易出现流动性差以及离析、泌水等现象[5]。为解决混凝土产生的问题，常见的方法主要有提高胶凝材料用量和提高砂率，然而，胶凝材料用量提高不仅增加了混凝土的生产成本，同时势必会增加混凝土的开裂敏感性[6]。提高混凝土砂率虽然能够在一定程度上缓解由于碎石级配不合理引起的混凝土质量问题，这一做法也经常被预拌混凝土搅拌站使用。但增加砂率的同时，骨料的总比表面积必然随之增大，从而需要更多的胶凝材料来包裹骨料，也会增大单位体积混凝土中水和水泥的用量。而提高骨料堆积密度不仅可以全面提高混凝土质量，而且可以有效降低填充骨料颗粒间隙所需水泥浆体用量，进一步减少胶凝材料的用量，降低生产成本。 基于此，为有效解决预拌混凝土生产过程中的这一常见质量控制难题，同时考虑预拌混凝土生产过程中的可操作性和成本控制，本文以实际生产设计C30泵送混凝土配合比为基础，通过对实际生产中所用碎石进行分级复配，对最大堆积密度条件下制备的混凝土胶凝材料用量进行了优化研究，以期为混凝土生产提供技术支撑。胶凝材料：山水集团P·O 42.5水泥；山东黄台火电厂II级粉煤灰；鲁新S95级矿粉。胶凝材料的化学成分见表1。
表 1 胶凝材料化学成分
%
砂：河砂，中砂，细度模数2.6，颗粒级配Ⅱ区，堆积密度1485kg/m3。石子：未分级碎石，级配见表2，性能指标见表3；单粒级碎石，未分级碎石经筛分获得粒径5~10mm和10~25mm的单粒级碎石。
表 2 碎石级配
表 3 碎石性能指标
将碎石分别按照5~10mm和10~25mm进行筛分，按照表4的比例复配后混合均匀，按GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》的相关规定检测碎石的堆积密度，确定最大堆积密度，如图1所示。
表 4 5~10mm和10~25mm碎石复配比例
图 1 不同粒径碎石复配比例对堆积密度的影响
由图1可知，当采用5~10mm和10~25mm粒径的碎石进行复配时，复配碎石的堆积密度随着5~10mm石子复配比例的增加先升高后降低。在5~10mm碎石比例为20%时，得到碎石的最大堆积密度为1520kg/m3，因此本试验采用5~10mm和10~25mm石子质量比为20∶80。试验以使用量大且广泛的C30预拌泵送混凝土为主要研究对象，配合比见表5。其中C30-A为目前搅拌站采用连续级配碎石生产的C30泵送混凝土配合比；C30-B为将粗骨料替换为最大堆积密度分级复配的碎石设计的C30泵送混凝土配合比；C30-C为降低胶凝材料用量20kg/m3并采用最大堆积密度分级复配的碎石设计的C30泵送混凝土配合比；C30-D为降低胶凝材料用量40kg/m3并采用最大堆积密度分级复配的碎石设计的C30泵送混凝土配合比。
表 5 C30泵送混凝土试验配合比
kg/m3
混凝土工作性按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测定混凝土坍落度和扩展度，同时为模拟实际工程应用情况，测定新拌混凝土1h的混凝土坍落度经时损失和扩展度经时损失。采用150mm×150mm×150mm标准试模成型，24h后进行拆模，同时放入标准养护室进行标准养护，养护至7d和28d龄期时根据GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试混凝土的抗压强度。混凝土干燥收缩试验的步骤和数据处理按照GB/T 50082—2019《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。混凝土干燥收缩试验采用架设千分表的形式进行测试，试件尺寸为100mm×100mm×400mm。
新拌混凝土的工作性能是预拌混凝土最重要的性能指标之一。为此研究了混凝土坍落度、扩展度和1h后的坍落度经时损失以及扩展度经时损失，C30泵送混凝土的主要工作性见表6。
表 6 C30混凝土的主要工作性能
mm
由表6的结果可以看出，采用相同胶凝材料用量的C30-A和C30-B相比，C30-B混凝土的和易性更好。相比于C30-A，其流动性更大，其出机坍落度和出机扩展度均优于C30-A混凝土，分别提高了20mm和50mm，1h坍落度经时损失和1h扩展度经时损失均小于C30-A混凝土。这说明，将混凝土中所用石子按5~10mm和10~25mm粒径以质量比20∶80进行复配，能够更好的提高新拌混凝土的和易性，保证新拌混凝土更好的粘聚性和流动性，能够更好地满足混凝土的泵送工作要求，更利于混凝土的泵送施工。这主要是因为石子分级复配提高了石子的堆积密实性，降低了石子的空隙率，所以新拌混凝土中的浆体富余量得到增大，使得混凝土的工作性能大大提高。在上述基础上，为进一步降低混凝土的生产成本，在混凝土容重、水灰比、砂率、外加剂掺量均保持不变的情况下，降低混凝土中胶凝材料的用量，研究新拌混凝土工作性能的变化，表5配合比中C30-C和C30-D，胶凝材料分别降低了20kg/m3和40kg/m3。由表6中可以看出，随着胶凝材料用量的降低，混凝土的出机坍落度和出机扩展度呈现出逐渐降低的趋势。但是，降低胶凝材料用量20kg/m3后，制备的C30-C混凝土和易性更好，其出机坍落度、出机扩展度、1h扩展度经时损失仍明显优于采用常规技术制备的C30-A混凝土；当胶凝材料用量降低40kg/m3以后，新拌混凝土的流动性明显降低，粘聚性和保水性变差，工作性明显降低，其出机坍落度和出机扩展度略低于采用常规技术制备的C30-A混凝土。从上述分析可以看出，在保持混凝土配合比主要技术参数不变的情况下，采用碎石中5~10mm和10~25mm粒径石子的复配比例为的20∶80复配方式可以很好地改善混凝土的工作性，同时可适当降低胶凝材料用量达到20kg/m3。同时对于本研究的C30泵送混凝土而言，胶凝材料用量降低过大，会劣化混凝土工作性，影响混凝土的施工进度。按表5配合比配制C30泵送混凝土，其抗压强度随龄期的变化如图2所示。图 2 不同配合比对C30泵送混凝土抗压强度的影响
由图2可知，（1）采用相同胶凝材料用量的C30-A和C30-B相比较，C30-B混凝土的7d、28d和60d抗压强度均高于C30-A混凝土，其中7d强度提高8.9%，28d强度提高11.9%，60d强度提高11.2%。这说明将混凝土中所用石子按5~10mm和10~25mm以质量比20∶80进行复配，能够更好的提高混凝土的抗压强度，这主要是因为采用最大堆积密度复配石子，骨料的空隙率降低，在浆体量不变的情况下，浆体可以更密实的填充骨料的空隙，从而使得混凝土的抗压强度得到提高。（2）对比C30-B、C30-C、C30-D混凝土可以看出，随着胶凝材料的降低，混凝土的抗压强度逐渐降低。（3）对比C30-A、C30-C、C30-D混凝土可以看出，采用5~10mm和10~25mm粒径石子以质量比20∶80进行复配制备混凝土C30-C和C30-D，当胶凝材料用量降低20kg/m3时，其不同龄期的抗压强度依然均略高于C30-A混凝土，当胶凝材料用量降低40kg/m3时，其抗压强度出现下降，低于C30-A混凝土。这主要是因为随着胶凝材料用量的降低，填充骨料空隙的浆体也相应较少。所以，适量降低胶凝材料用量能够较好地保证混凝土的工作性和强度，但如果胶凝材料用量降低幅度过大，势必使得填充空隙的浆体不足，在混凝土内部埋下质量缺陷，从而使得混凝土的工作性和强度降低。上述分析说明，在混凝土容重、水灰比、砂率、外加剂掺量等配合比参数均保持不变条件下，通过改善石子颗粒级配可以降低胶凝材料的用量20kg/m3而不影响混凝土的力学性能。混凝土的干燥收缩是体积稳定性最重要的组成部分，也是评价混凝土开裂敏感性的最重要指标之一。本文进一步研究了按表5配合比配制的C30泵送混凝土不同龄期的干燥收缩变化，如图3所示。
图 3 不同配合比对C30泵送混凝土干燥收缩的影响
由图3可知，（1）采用相同胶凝材料用量的C30-A和C30-B相比较，C30-B混凝土不同龄期的干燥收缩均明显降低，其稳定值降低6%。2种混凝土的干燥收缩90d后均慢慢趋于稳定，达180d干燥收缩的90%以上。这说明将混凝土中所用石子按5~10mm和10~25mm粒径以质量比20∶80进行复配，有助于降低混凝土的干燥收缩，提高混凝土的体积稳定性，有助于提高混凝土的长期耐久性。（2）对比C30-B、C30-C、C30-D混凝土可以看出，随着胶凝材料单位用量的降低，混凝土的干燥收缩逐渐变大。（3）对比C30-A、C30-C、C30-D混凝土可以看出，采用5~10mm和10~25mm粒径石子以质量比20∶80进行复配制备混凝土C30-C和C30-D，当胶凝材料用量降低20kg/m3时，其不同龄期的干燥收缩依然小于C30-A混凝土，其180d的稳定干燥收缩约降低5%。当胶凝材料用量降低40kg/m3时，其干燥收缩明显升高，高于C30-A混凝土8%左右。由此可见，适量降低胶凝材料用量可以降低混凝土的干燥收缩，但降凝材料用量降低幅度过大，反而会增大混凝土的干燥收缩。对于干燥收缩的解释有很多学说，如毛细管张力学说、凝胶体颗粒表面能变化学说、层间水迁移学说和拆开压力学说等。一般认为，大于100nm的毛细孔失水主要是引起水泥基材料质量的减小而不会引起明显的干燥收缩，而100nm以下的毛细孔失水将产生较大的干燥收缩应力，其中50nm以下的毛细孔失水影响更大。如果混凝土配合比不变，采用5~10mm和10~25mm粒径石子以质量比20∶80进行复配制备混凝土，从而节省出更多填充空隙的浆体，以用于改善碎石的界面过渡区性能和细化混凝土孔结构，特别是降低影响干燥收缩的100nm以下的孔的体积含量。一般认为，混凝土干燥收缩随胶凝材料用量的增加而增加。所以采用5~10mm和10~25mm粒径石子以质量比20∶80进行复配制备混凝土同时降低20kg/m3胶凝材料的情况下，混凝土的干燥收缩也得到降低；而降低40kg/m3胶凝材料的混凝土反而增加了干燥收缩，其原因在于，过少的胶凝材料用量不足以填充碎石空隙以及改善碎石界面过渡区性能，在混凝土内部埋下了质量缺陷，反而粗化了其孔结构，增加了影响干燥收缩的孔体积含量，从而导致混凝土干燥收缩的增加。结合混凝土工作性、强度和干燥收缩等试验可以看出，对于C30强度等级泵送混凝土而言，在不改变混凝土配合比各组分比例的情况下，采用5~10mm和10~25mm粒径石子以质量比20∶80进行复配可以有效改善混凝土工作性、强度和干燥收缩等性能；而在混凝土容重、水灰比、砂率、外加剂掺量等配合比参数均保持不变条件下，采用5~10mm和10~25mm粒径石子以质量比20∶80进行复配制备，即使胶凝材料用量降低20kg/m3也可明显改善混凝土的工作性、强度和干燥收缩等性能。但胶凝材料用量降低幅度过大会劣化混凝土的综合性能。
本文以实际生产C30泵送混凝土为对照组，通过对实际生产中所用碎石进行分级复配，对最大堆积密度条件下制备的混凝土胶凝材料的用量进行了优化研究。得出以下结论：（1）试验碎石中5~10mm和10~25mm粒径碎石复配达到最大堆积密度的质量比为20∶80。（2）相比于实际生产所用碎石，C30泵送混凝土中所用碎石经最大堆积密度复配后能够显著提高混凝土的工作性能、力学性能和干燥收缩性能。其中，出机坍落度和扩展度分别提高了20mm和50mm，而1h经时变化量有所降低；7d、28d和60d抗压强度分别提高了8.9%、11.9%和11.2%；180d干燥收缩稳定值降低了6%。（3）在相同的C30泵送混凝土拌合物、力学性能和干燥收缩要求下，碎石中5~10mm和10~25mm粒径石子按质量比20∶80分级复配能够显著降低胶凝材料的用量20kg/m3。
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