利用组合级配的粗骨料改善混凝土性能的试验与研究

周承明

(万源华新混凝土有限公司，四川万源636350)

粗骨料是指粒径在5 mm以上的岩石颗粒，是混凝土的重要组成成分，约占混凝土体积的70%左右，其性能直接影响着混凝土的性能。现实生产中混凝土厂家使用的石子，尤其是碎石，一般多为5～20 mm连续级配的碎石和16～31.5 mm单一级配的碎石。虽然各种规格的石子基本符合级配要求，但根据工程需要，往往5～31.5 mm连续级配的石子更能满足要求。基于此种情况，本文对两种规格的碎石按不同比例进行了组合，并用其拌制混凝土，通过对比分析，试图找出最利于改善混凝土性能的粗骨料组合级配。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥：华新P.O42.5水泥，各项性能指标满足标准要求。

粉煤灰：达州电厂Ⅱ级粉煤灰，细度17.2%(45 μm筛余)，需水量比98%，烧失量3.5%。

碎石：5～20 mm连续级配和16～31.5 mm单一级配，含泥量分别为0.8%和0.9%，压碎值指标分别为9%和8%。

砂：普通河砂，细度模数3.4，含泥量2.4%。

外加剂：聚羧酸高效减水剂，减水率25%。

1.2 配合比确定

试验选取的混凝土强度等级为C30,为贴近实际情况，使试验过程能指导生产，配合比接近实际生产使用配合比，各组试验混凝土配合比见表1。

表1 各组混凝土配合比及相关性能测试结果

1.3 试验方法

将5～20 mm连续级配的碎石与16～31.5 mm单一级配的碎石按3∶1、2∶1、1∶1、1∶2的比例进行组合，再根据《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)和《预拌混凝土》(GB/T 14902-2012)等规范分别测试两种规格碎石和各种比例组合级配碎石的紧密堆积密度以及用其拌制的混凝土的工作性(坍落度、扩展度)及立方体抗压强度。

2 试验结果及分析

2.1 各组碎石紧密堆积密度

从图1中可以看出全5～20 mm连续级配碎石的紧密堆积密度最小，而随着16～31.5 mm碎石所占比例的提高，碎石的紧密堆积密度也呈现出增大的趋势；当两种规格碎石的组合比例达到1∶1时，紧密堆积密度达到峰值，随后呈下降趋势。碎石的级配越好，空隙率就越小，可由公式P=(1-ρ0/ρ1)×100%计算，其中P为空隙率，ρ0为试样的松散(或紧密)堆积密度，ρ1为试样的表观密度[1]。可见随着16～31.5 mm碎石所占比例的提高，碎石的空隙率呈减小、级配变好的趋势；当两种规格碎石的组合比例达到1∶1时，空隙率最小，级配情况最好，随后也呈反向趋势。

图1 各组碎石紧密堆积密度

2.2 混凝土的工作性

石子的粒径越大，其总体比表面积就越小，所需要的浆体就越少，则在保证一定工作性的情况下可以减少用水量而增加强度；而在不减少用水量即保持相同水胶比的情况下就能大大改善混凝土工作性[2]。表1中的数据正好与此理论相一致，通过在5～20 mm连续级配碎石中加入一定比例的16～31.5 mm单一级配碎石以达到更大粒径级配情况的碎石，从而减小碎石的总体比表面积，使得混凝土的坍落度和扩展度都呈现出增大趋势，并且随着16～31.5 mm单一及配碎石所占比例越高，这种趋势越显著。

2.3 混凝土的抗压强度

从表1可以看到，在相同水胶比及砂率情况下，全5～20 mm连续级配碎石强度最低，而随着16～31.5 mm碎石所占比例的提高，混凝土立方体抗压强度呈现出增大的趋势，当两种规格碎石的组合比例达到1∶1时，强度增大到最大值；当16～31.5 mm碎石所占比例进一步提高时，强度出现下降趋势。这是完全符合图1中反应出的两种规格的碎石通过不同比例组合后，堆积密度与级配情况变化的规律。同时还看到，当16～31.5 mm粒级碎石比例达到100%时，碎石的紧密堆积密度虽然比全5～20 mm粒级碎石大，但两种情况下

的混凝土强度基本没有太大差异。这是因为在混凝土中碎石粒径过大存在粒径效应，粒径越大，颗粒内部存在缺陷的几率就越大，而且大粒径石子可能在混凝土拌合过程中与其它组分分层，导致混凝土强度离散性大，这在现实生产的大坍落度混凝土中会更加明显[3]。

3 总结

(1)通过对5～20 mm连续级配碎石与16～31.5 mm单一级配碎石进行一定比例的组合，可以提高碎石的堆积密度，改善其级配，从而提高混凝土立方体强度。当两种规格的碎石按1∶1组合时，可以得到最大的堆积密度、最好的级配效果以及最高的混凝土立方体抗压强度。

(2)粗骨料中16～31.5 mm粒级碎石的掺加能显著改善混凝土工作性，且新拌混凝土的坍落度和扩展度的增加与16～31.5 mm粒级碎石比例的增加成正比。

[1] 张承志.商品混凝土[M].北京：化学工业出版社，2006

[2] 王华生,赵慧如.混凝土工程便携手册[M].北京:机械工业出版社，2001

[3] 王雨利，管学茂，潘启东，等.粗骨料颗粒级配对混凝强度的影响土[J].焦作工学院学报:自然科学版，2004，23(3)：213-215