基于排水法的混凝土骨料级配优化研究

孙庆武

（安徽职业技术学院 建筑设计学院，安徽 合肥 230011）

随着基础工程的兴建和城市化的高速推进，混凝土的消耗量急剧增加，无论是过去的塑性混凝土还是现代多组分混凝土， 骨料在混凝土中所占的体积比例通常为混凝土总体积的60%～80%［1］。 生 产 商 为 了 提 高 混 凝 土 的 经 济 性能， 将骨料视为一种惰性材料应用到混凝土中，所以很多的实验研究都是针对水泥、掺和料与外加剂的比例进行的， 而忽略了骨料对混凝土的作用［2］。 骨料的品质以及骨料的级配好坏直接影响着混凝土工作性能的好坏［3］，良好的级配能够保证在减少混凝土拌合物用水量的情况下制得流动性以及强度等工作性能较好的混凝土，而且可以在与其他普通混凝土相同的制作条件下，得到均匀致密、强度较高的混凝上［4］。 本文在对混凝土级配理论进行分析的基础上，结合我国预拌混凝土生产的实际状况，提出一种简便、实用的混凝土配合比设计及骨料的优化方法， 应用fuller级配曲线计算出3 种骨料各自的级配指数和最佳值，同时，对3 种骨料分别进行试块制作，并且分别记录抗压强度、流动性等工作性能，对比骨料级配的好坏和砂石粒径大小对混凝土工作性能的影响。

2 试验材料、设备与方法

2.1 试验材料和试验设备

材料：PII52.5 型水泥（安徽海螺水泥股份有限公司），采用石灰岩和白云岩自制的机制砂，海砂（国药集团股份有限公司），石英砂（北京北科绿洁环保科技有限公司），矿粉（桂林灵川县新华辉超微细粉厂），外加剂包括减水剂、膨胀剂、消泡剂（山东龙华鑫环保科技有限公司），自来水。

试验设备：YAW-30T 万能试验机（测量范围12～3 000 kN， 济南吉蒂艾思仪器设备有限公司），BH35300 型超声波筛分仪（孔径0.1～5 mm，江苏百杭超声科技有限公司），GFJ-0.45 型实验室砂浆搅拌机（杭州齐威仪器有限公司），NLD-3 型水泥胶砂流动度测定仪（上海魅宇仪器科技有限公司）。

2.2 试验方法

2.2.1 最优级配确定

首先根据fuller 级配曲线［5］，使用排水法初步确定3 种骨料的最优级配指数。 具体确定方法为：将人为级配筛分后的300 g 机制砂、 石英砂和海砂骨料，分别装到7 个烧瓶里面（270 mL)，7 个烧瓶分别代表不 同 的 级 配 分 维 数（0.4、0.425、0.45、0.475、0.5、0.525、0.55），然后加水、加热、排除气泡，最终称取剩余水的质量， 根据水的质量判断最佳的骨料级配分 配情况。 不同粒径骨料质量分配结果见表1。

表1 不同级配分维数下骨料质量分配结果

2.2.2 抗压强度试验

根据表2 中的配比，将水泥和矿粉按一定比例伴均后将石英砂、机制砂、海砂分别放入搅拌机内，加入各类外加剂，搅拌2 min，再缓慢加入水和减水剂，进行搅拌，搅拌完成以后先用湿抹布把搅拌锅的边缘润湿，防止水分被吸走，最后将水泥拌合物倒入事先刷好油的模具（模具尺寸为150 mm×150 mm×150 mm）中，排除水泥拌合物中的气泡后将模具密封放置24 h。 根据GB/T 50081—2019（混凝土物理力学性能试验方法标准）分别在第1 d、第3 d 和第7 d 测定样品的抗压强度，并进行湿润养护。

表2 不同骨料混凝土配比

2.2.3 流动度实验

根据文献［6］报道的流动度测试方法，将搅拌好的不同骨料（机制砂、石英砂、海砂）拌合物缓慢倒入水泥胶砂流动度测定仪的圆锥形模具里， 直到拌合物稍稍溢出模具，且肉眼观察拌合物静止为止，使用尺子测量胶砂扩散的最长边及其垂直边长度。

3 结果与分析

3.1 级配分维数对混凝土抗压强度的影响

为了使得出的实验数据更加具有科学性， 分别将不同级配分维数下的骨料（石英砂、机制砂和海砂）与水泥、矿粉、水等物料混匀制备成150 mm×150 mm×150 mm 混凝土试样，测试不同骨料在不同养护时间（第1 d、3 d 和7 d）下的抗压强度，每组样品平行测定3 次， 取3 次测试值的平均值作为测试结果， 最终得到不同级配分维数情况下的混凝土的抗压强度（图1）。

图1 不同级配分维数情况下混凝土的抗压强度

从图1 可以看出： 随着养护时间的延长混凝土的抗压强度逐渐增大；随着级配分维数的增加，混凝土的抗压强度先增大后减小； 在级配分维数为0.475 时，利用3 种骨料所制备的混凝土的抗压强度均达到峰值；在养护时间为第7 d 时，抗压强度最大值分别为97.5、107.7 和95.5 MPa； 按照抗压强度由大至小各骨料的排序为机制砂、石英砂、海砂。

3.2 级配分维数对混凝土流动度的影响

为剖析级配分维数对混凝土流动度的影响，分别测量不同骨料制备的混凝土在刚制备完成时和制备完成后30 min 时的流动度，结果见表3。

表3 不同级配分维数下骨料的流动度mm

从表3 可以看出， 不同骨料混凝土的流动度从0 min 到30 min 呈减小趋势。 随着级配分维数的增加，不同骨料的流动度先逐渐减小后逐渐增大。当级配分维数小于0.45 时， 随着级配分维数的增大，骨料流动度逐渐增大； 当级配分维数大于0.45 时，随着级配分维数的增大流动度逐渐增大并趋于平稳。在30 min 后， 不同骨料之间的流动度差异性不明显， 说明流动度只与物料的级配分维数有关而与骨料的类型无关。

4 结语

本文采用在PII52.5 硅酸盐水泥中加矿粉、膨胀剂、减水剂、消泡剂和水配制混凝土试块，并比较不同粒径和骨料种类对混凝土性能的影响， 得到以下结论。

（1）随着养护时间的增加混凝土的抗压强度逐渐增大；随着级配分维数的增加，混凝土的抗压强度呈现先增大后减小的趋势。

（2）在级配分维数为0.475 时，3 种骨料所制备的混凝土的抗压强度达到峰值， 按照抗压强度由大至小排序为机制砂、石英砂、海砂。

（3）随着级配分维数的增加，不同骨料的流动度先逐渐减小后逐渐增大。