混凝土中集料的掺配比例与外加剂的合理应用

贾 文

(山西远方路桥集团总公司第一分公司，山西 大同 037006)



混凝土中集料的掺配比例与外加剂的合理应用

贾 文

(山西远方路桥集团总公司第一分公司，山西 大同 037006)

结合北京—乌鲁木齐国家高速公路路基工程实例，检测了施工中配制混凝土所需原材料的各项指标，并从粗集料掺配比例、水胶比、用水量、砂率等方面，阐述了混凝土的配合比设计方案，分析了粗集料与外加剂对混凝土强度的影响，指出合理设计配合比可降低成本，满足混凝土的工作性能。

混凝土，配合比，粗集料，水胶比

在水泥混凝土配合比的设计中，如何合理地设计各种粗集料的掺配比例,如何确定一个合理的砂率,这是笔者作为一个试验室主任一直思考的问题。多年的工作实践发现如果在水泥混凝土配合比的设计过程中，粗集料的掺配比例合理、砂率适中，外加剂应用恰当，既可满足现场施工的要求，又能最大限度地节约水泥，可给施工企业带来极大的经济效益。为此，笔者通过参考大量的资料，结合自己的工作实践，经过反复试配，总结出了在水泥混凝土配合比的设计过程中的一些心得和经验，希望和业界同仁们共享。

众所周知：在水泥混凝土中，粗集料(各种规格的碎石或卵石)起到主要“支架”作用，它构成了混凝土的骨架，砂子分布于碎石或卵石之间的空隙中间，起到填充作用，而作为胶凝材料的水泥主要是包裹于碎石或卵石和砂子颗粒的表面，形成胶凝体将它们胶凝成为一个整体。随着时间的推移，该胶凝材料逐步硬化，强度会逐步提高。技术规范规定：水泥混凝土试件的标准强度以边长为150 mm的立方体试件在标准养护室养护28 d后的抗压强度表示。那么，影响水泥混凝土试件强度的因素有哪些，水泥的强度等级、单位胶凝材料用量(主要为单位水泥用量)、水胶比的大小固然是主要因素。但粗集料连续级配的范围、粗集料母岩的抗压强度、砂率的大小、试件成型振捣方式、试件的养护条件等也很大程度地影响着混凝土的强度。

在北京至乌鲁木齐国家高速公路路基工程的施工过程中，我工地试验室配制路基排水沟、急流槽及附属工程用混凝土，设计强度等级为C20。在试配过程中，试验室检测人员对所用原材料进行各项指标检测，检测结果如下所示。

1 试验用原材料检测结果

1)水泥选用大同冀东P.O42.5，其各项指标检测结果如表1所示。

表1 水泥各项指标检测结果

2)粉煤灰选用大同二电厂产，符合Ⅱ级灰标准，其各项指标检测结果如表2所示。

3)砂选用曹家湾晶砾砂场天然砂，其各项指标检测结果如表3所示。

表2 粉煤灰各项指标检测结果

表3 砂各项指标检测结果

4)碎石选用张家口左卫石料厂生产的10 mm～20 mm,5 mm～10 mm两种碎石按比例进行掺配，掺配后其级配符合JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范表6.4.3中5 mm～20 mm连续级配的要求。其各项指标检测结果如表4所示。

表4 碎石各项指标检测结果

其筛分结果如表5所示。

表5 碎石筛分结果

5)减水剂选用北京京城汇实有限公司生产的JH-2聚羧酸高效减水剂，该产品委托甲级试验室检测，各项指标均符合有关规程要求。

2 配合比设计

2.1 各种粗集料的最佳掺配比例的确定

由于JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范表6.4.3中5 mm～20 mm连续级配的范围很宽，不同的掺配比例均能满足该粗集料5 mm～20 mm连续级配的要求。那么，究竟哪一种掺配比例才是最佳的，我们可以用下面的方法确定：

为了运算方便、直观，我们借助了Excel电子表格。将表6与图1的“JJ05a-10-1”和“JJ05a-10-2”链接起来，在“JJ05a-10-1”表格的单元格中输入相关公式，其中数据就在“JJ05a-10-2”电子表格直观地显示出来(本图表两种碎石的掺配比例为：10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20)。在这里，有的同事也许会提出：每个筛孔的累计筛余越接近中值越好。其实并不完全是这样。我们的理念是：合成级配曲线(即中间那根粗实线)尽可能是一条平顺圆滑的实线，而不应该是锯齿状的折线。尽管这样也在级配曲线范围内，但实践证明这是一组不良的掺配比例，粗集料之间不会形成很好的“咬合”，这样掺配成的混合料振实密度也不会很高。为证实这一点可做如下试验：我们先选定2种～3种不同的掺配比例，当然合成级配必须在规定级配范围。本次试验中，我们选定的2种掺配比例分别是：10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20和10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=60∶40；我们将这两种碎石按以上比例分别进行掺配，并分别测其振实密度，经过反复多次的测试，得出：按10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20的比例进行掺配的碎石的平均振实密度为1.78 g/cm3，而按10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=60∶40的比例进行掺配的碎石的平均振实密度为1.71 g/cm3。这充分说明了按10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20的比例进行掺配的碎石的“咬合”程度更好，其空隙更小。

表6 水泥混凝土颗粒级配组成计算表(JJ05a-10-1)

合同段号： 记录编号：

2.2 基准水胶比的确定

首先，需测胶凝材料28 d的实测抗压强度。在这里，选定水泥和粉煤灰的掺量分别为70%和30%。按这个比例成型胶砂试件，测得其28 d抗压强度为29.7 MPa(也可以通过42.5×0.7=29.8 MPa近似地计算得出)。这样，就可以将有关参数代入下列公式计算出基准水胶比。

W/B=αa·fce/(fcu,0+αa·αb·fce)=0.53。

其中，W/B为水胶比;αa,αb均为回归系数，αa=0.53,αb=0.2;fce为胶凝材料28 d的实测抗压强度，MPa;fcu,0为混凝土试配强度(这里按公式fcu,0≥fcu,k+1.645·σ，fcu,k为混凝土强度的标准值，这里为20 MPa，σ为强度标准差，这里取4.0 MPa。这样计算结果为fcu,0≥26.6 MPa，此处取26.6 MPa)。

2.3 确定单位用水量

根据经验，并参考设计坍落度(这里为100 mm～140 mm)、粗集料最大粒径、粗集料种类、砂率、外加剂掺量减水率范围等进行综合确定，进行多次反复调整，经多次混凝土试拌，测其工作性能，最终确定为：单位用水量：180 kg/m3，外加剂掺量为0.9%。

2.4 砂率的确定

根据经验，并参考JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程、粗集料种类等诸方面因素，经多次试拌，最终确定砂率为41%。

2.5 确定单位混凝土各材料用量

采用假定容重法，计算各材料用量。这里假定容重为2 430 kg/m3。

为了验证两种不同掺配比例的集料对混凝土强度的影响，用两种不同掺配比例的集料按照同样的成型方法各成型6组不同水胶比(即0.53,0.48,0.58)的试件进行标准养护，养护到规定的龄期，测试其7 d和28 d抗压强度，其结果汇总如表7所示。

表7 不同集料掺配比例下不同龄期的抗压强度单组值及平均值 MPa

通过以上分析，同样的水胶比、同样的成型方法、同样的养护条件，按两种不同掺配比例的集料成型的混凝土试件，其7 d和28 d抗压强度有着显著的不同。按10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20的掺配比例成型的混凝土试件抗压强度明显较高。对两种不同掺配比例的集料成型的混凝土试件28 d抗压强度利用“Excel图表”功能进行一元线性回归，结果如图2所示。

由图2中的一次函数关系式可以得出：当混凝土的强度为26.6 MPa时，胶水比为1.54，即水胶比为W/B=0.65；由此可以得出：每立方米混凝土的胶凝材料用量为180/0.65=277 kg。其中，水泥：277×70%=194 kg；粉煤灰：277×30%=83 kg；减水剂：277×0.009%=2.493 kg，满足素混凝土最小胶凝材料用量250 kg/m3的要求。

10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=60∶40的混凝土28 d强度与胶水比关系图见图3。

由图3中的一次函数关系式可以求出：当混凝土的强度为26.6 MPa时，胶水比为1.746，即水胶比为W/B=0.57；由此可以求出：每立方米混凝土的胶凝材料用量为180/0.57=316 kg。其中，水泥：316×70%=221 kg；粉煤灰：316×30%=95 kg；减水剂：316×0.009%=2.844 kg，满足素混凝土最小胶凝材料用量250 kg/m3的要求。

3 混凝土经济效果评价

通过以上试验分析得出：两种不同粗集料掺配比例的混凝土所用粗、细集料上的成本虽然相差无几，但在胶凝材料和减水剂上的差别却十分明显。如按照水泥市场价格350 元/t，粉煤灰160 元/t，减水剂6 000 元/t计算；用10 mm～20 mm碎石∶5 mm～10 mm碎石=80∶20的混凝土配合比每立方米可节约成本：(221-194)/1 000×350+(2.844-2.493)/1 000×6 000+(95-83)/1 000×160=13.48元。这对于任何一个工程项目无疑是一笔可观的资金。就拿京乌工地路基排水沟、急流槽及附属工程用混凝土12 000 m3来说，就可节约：12 000×13.48=161 760 元。因此，在混凝土施工中，只要配合比设计合理，就可以在满足工作性能要求的基础上，最大限度地节约成本，降低工程造价。

[1] JGJ 55—2011,普通混凝土配合比设计规程[S].

[2] JTG E30—2005,公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].

[3] JTG E42—2005,公路工程集料试验规程[S].

[4] JTG/T F50—2011,公路桥涵施工技术规范[S].

Rational application of concrete aggregate mixing proportion and admixture

Jia Wen

(Shanxi Yuanfang Highway & Bridge Group Corporation 1st Branch Company, Datong 037006, China)

Combining with Beijing-Urumqi national highway subgrade engineering example, the paper detects raw material indicators needing in concrete preparation of the detection construction process, describes concrete mixing proportion design scheme from aspects of coarse aggregate mixing proportion, water-binder ratio, water volume and sandy ratio, analyzes the impact of coarse aggregate and admixture upon concrete strength, and finally points out that: rationally designing mixing proportion can reduce cost and meet concrete working performance as well.

concrete, mixing proportion, coarse aggregate, water-binder ratio

1009-6825(2017)08-0122-03

2017-01-05

贾 文(1973- )，男，工程师

TU528

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