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混凝土骨料多元级配体系的研究与设计

信息来源:hunningtu.biz  时间:2010-05-26  浏览次数:109

  0 前言
  骨料一般占泵送混凝土体积的65%~72%,即胶凝材料净浆与骨料的体积比(浆骨比)为28:72~35:65。在保证施工和易性的前提下,提高骨料体积即减小浆骨比,对混凝土的技术性和经济性具有重要的意义。但是现有的混凝土技术大多侧重于胶凝材料和外加剂领域,对骨料的研究成果相对较少。我国现行的《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55)[1]以砂率来定义粗细骨料的比例关系,取值时任意性较大。美国混凝土协会的ACI规范根据粗骨料的紧密密度、最大粒径和细骨料的细度模数等参数来确定粗骨料的用量,用重量法或体积法确定细骨料用量。这两项规范仅涉及两种粗细骨料,均属于半经验化设计模式。
  我国建筑工程上使用的碎石,一直采用名义上的连续粒级[2],但是实际上往往达不到颗粒级配的技术要求(笔者称此类碎石为劣级配碎石)。近年来由于优质天然骨料的日益匮乏,再生骨料、采石场的尾矿石和尾矿砂、细砂或特细砂等各种骨料也逐步被采用。多元化的骨料品种对混凝土的优化配制技术提出了较高的要求。
  由于骨料品质的下降,加上骨料级配技术的缺乏,预拌混凝土生产企业往往采用提高砂率、提高浆骨比等方法来保证混凝土的和易性,易造成胶凝材料用量偏大,提高了混凝土生产成本,还影响到混凝土的收缩性能和水化热性能。
  本文提出一种混凝土骨料多元级配体系,使混凝土骨料配制技术科学化、定量化,以期达到提高混凝土的和易性、体积稳定性和耐久性,节约资源、降低生产成本的目的。
  1 技术模型
  1.1 技术目标
  在输入若干种骨料(一般为2~4种)原材料基本性能的前提下,可通过系统运算,定量地输出混合骨料的最佳合成级配和各种骨料的体积百分比,并提出骨料级配优化技术方案。
  1.2 设计思路
  建立理想的骨料目标级配模型,通过计算机程序运算,使混合骨料的合成级配最接近目标级配,并适当提高混合骨料的细度模数,从而减少起填充骨料空隙、包裹骨料表面的作用的胶凝材料用量。
  1.3 设计路线
  1.3.1 采用DingerFunk方程,建立骨料目标级配模型
  不同粒径的粗细骨料互相掺混,只有一种状态是最紧密堆积的。Andreasen提出了一种基于连续尺寸分布颗粒的堆积理论。满足该理论的级配曲线接近抛物线,骨料颗粒处于最紧密堆积状态,空隙率最小。
  20 世纪70 年代,Dinger 和Funk引入最小颗粒粒径的概念,对Andreasen 方程进行修正,提出了著名的DingerFunk 方程:CPTF/100=(Dn-Dsn) /(DLn-Dsn)。
  其中:CPTF——小于粒度D的含量百分率(%),n——分布模数,取0.30--0.60,DL——最大颗粒粒径,Ds——最小颗粒粒径。本文采用DingerFunk方程,建立基于不同分布模数的骨料目标级配模型。
  1.3.2 根据我国混凝土技术规范[3],设定边界条件
  1)以碎石、再生骨料和尾矿石等作为粗骨料,以尾矿砂、中砂、细砂和特细砂等作为细骨料。鉴于预拌混凝土公司的生产设备条件,每次取2~4种骨料投入运算。泵送混凝土砂率在35%至45%之间;
  2)细骨料中通过0.315mm筛孔的颗粒含量不应小于15%,且不大于30%;通过0.16mm筛孔的颗粒含量不应小于5%。根据砂率值,可计算出混合骨料中0.3mm筛孔通过率为5.25%~13.5%,0.16mm筛孔通过率大于1.75%。
  1.3.3 利用计算机应用程序,获得最佳合成级配与每种骨料的体积百分比
  1)在边界条件限定范围内,对投入运算的骨料进行体积百分比随机取值,将混合骨料的合成级配与目标级配进行比对,以偏差系数K来描述两者之间的差异。偏差系数越小,合成级配与目标级配越接近。偏差系数一般为50-150。
  2)以偏差系数K最小化作为目标,通过计算机程序的重复循环运算,找出该批投入运算的骨料的最佳合成级配,以匹配众多基于不同分布模数的目标级配,并确定每种骨料的体积百分比。
  3) 根据每种骨料的细度模数和体积百分比,计算出混合骨料的细度模数M。细度模数越大,混合骨料总表面积越小,细度模数一般为5.5-6.1。
  4)根据偏差系数K和细度模数M,确定最佳的骨料配比。
  2 设计案例
  2.1 原材料
  现有以下九种骨料[4],需通过运算,获得一份最佳的四级配骨料。
  表1 各种骨料原材料性能骨料品种累计筛余,%细度模数表观密度kg/m331.5mm26.5mm19mm16mm9.5mm4.75mm2.36mm1.18mm0.6mm0.3mm0.15mm0.075mm劣级配碎石0205074971001001001001001001008.412720尾矿石00004199.01001001001001001006.402750尾矿砂0000019.059.068.083.090.098.01004.172750特细砂A000000.10.20.20.520.292.31001.132660特细砂B000001.02.03.04.033.083.01001.212660特细砂C00000001.05.047.077.01001.302660特细砂D00000001.03.048.093.01001.452660细砂000006.28.710.617.572.696.41001.862660中砂000006.719.528.845.980.198.31002.562560注:1. 细骨料的细度模数按《建筑用砂》(GB/T 14684)计算。
  2. 粗骨料的细度模数为各筛孔(0.15mm以上)累计筛余之和。
  3. 混合骨料的细度模数是基于各种骨料体积百分比的加权平均数。
  2.2 匹配不同目标级配的骨料体积百分比
  以劣级配碎石、尾矿石、尾矿砂和特细砂A组成混合骨料,利用编制的计算机应用程序,运算出十二组合成级配(略),以匹配不同的目标级配(n=0.30-0.60),各组合成级配对应的骨料体积百分比如下:表2 匹配不同目标级配的骨料体积百分比n值体积百分比,%砂率%0.3mm通过率%0.16mm通过率%K值M值劣级配碎石尾矿石尾矿砂特细砂A0.6043.618.835.52.137.75.20.92686.370.5036.122.234.17.641.79.41.31515.960.4633.523.733.59.342.910.81.41275.840.4432.424.333.310.043.411.41.41215.780.4331.724.633.110.643.711.81.51195.740.4231.025.032.911.144.012.11.51185.700.4130.325.432.711.644.312.51.51165.670.4029.825.732.412.144.512.91.61195.640.3929.025.932.113.045.113.61.61225.580.3828.526.432.113.045.113.61.61265.570.3627.827.132.113.045.113.61.61435.560.3025.729.232.113.045.113.61.62895.52
  由表2可知,本文涉及的劣级配碎石、尾矿石、尾矿砂和特细砂A四种骨料,难以匹配分布模数偏大或偏小的目标级配,原因是偏差系数K过大。当n=0.42时,偏差系数K几乎最小(118),细度模数M也较合适(5.70),理论上为该批骨料所能获得的最佳合成级配。
  2.3 针对不同特细砂、细砂和中砂的运算结果
  将特细砂B~D、细砂、中砂,分别取代特细砂A,逐一进行运算,按本文2.2的方法,确定每批骨料的最佳合成级配。如果将混凝土浆骨比统一为30:70,根据各种骨料的体积百分比和表观密度,可计算出每种骨料的用量(kg/m3)。计算结果列于下表。
  表3针对不同特细砂、细砂和中砂的运算结果n值每方混凝土骨料用量(kg/m3)砂率%0.3mm通过率%0.16mm通过率%偏差系数K值细度模数M值备注劣级配碎石尾矿石尾矿砂(特)细砂或中砂0.4259048266320744.012.11.51185.70特细砂A0.4058847059326044.712.43.01045.61特细砂B0.3761244053432345.012.04.51095.55特细砂C0.3862343054031545.011.61.71275.58特细砂D0.5072545354419038.55.61.0726.08细砂0.5076739543630739.25.60.7446.07中砂
  由表3可知:  随着特细砂细度模数的提高(从1.13至1.45),在混凝土中的掺量可逐步提高(从207 kg/m3至323 kg/m3)。其中特细砂B配制的混合骨料,偏差系数最小(104),最接近目标级配,混合料的细度模数较粗(5.61),0.3mm筛孔通过率(12.4%)、0.16mm筛孔通过率(3.0%)也较好。因此,在以上几种特细砂中,与其它骨料匹配效果最好的是特细砂B。
  2.4 以细砂、中砂配制混合料的合成级配
  由表3可知,如果使用细砂,其最佳用量反而降低,但是混合骨料的合成级配趋向于n值较高的目标级配。如果使用中砂,其最佳用量基本上与特细砂持平。但是,使用细砂和中砂获得的合成级配与目标级配非常接近(K=44~72,合成级配详见表4),砂率较低(38.5%~39.2%),细度模数较高(6.07~6.08),骨料的空隙和总表面积都可降低,对配制混凝土更有利。
  表4 以细砂、中砂配制混合料的合成级配目标级配和合成级配筛孔通过率,%31.5mm26.5mm19mm16mm9.5mm4.75mm2.36mm1.18mm0.6mm0.3mm0.15mm0.075mm目标级配n=0.50100.091.476.870.153.136.424.516.210.46.23.21.1合成级配细砂1.86100.092.581.067.253.532.720.918.213.25.61.00合成级配中砂100.091.979.868.152.534.022.619.012.85.60.70
  将细砂和中砂配制的两种骨料混合料进行比较,尽管前者的偏差系数略大些,但是0.16mm筛孔通过率较好,细度模数较高,效果较理想。说明经过精心、科学的配制,可实现细砂资源的合理利用。
  此外,表4中两组合成级配的19mm筛孔通过率较目标级配明显偏大,而4.75mm和2.36mm筛孔通过率较目标级配偏小。如果劣级配碎石略粗一些、尾矿砂略细一些,可使合成级配更理想。基于本文的骨料级配体系,可对骨料原材料提出明确的优化技术要求,以实现持续改进。
  3 小结
  3.1 骨料原材料性能的变化,会明显影响混合骨料的最佳级配。在本文中,如果特细砂的细度模数发生细微变化,即使保持其它骨料不变,也导致最终结果差异较大。说明骨料配比的取值不能照搬别人的结论,必须建立在骨料品质的基础上,因“料”制宜。
  3.2 本文以偏差系数K、细度模数M作为技术指标,以砂率、0.3mm和0.16mm筛孔通过率作为边界条件,通过计算机应用程序的运算,理论上可获得定量化的骨料最佳合成级配。此时的骨料混合料空隙最小,总表面积较小,填充骨料空隙、包裹骨料表面所用的胶凝材料最省,配制混凝土的工作性也较好,不易分层离析。
  3.3 本文提出的混凝土骨料多元级配技术体系,需通过大量试验和工程实践进行验证,部分边界条件需不断补充完善。  0 前言
  骨料一般占泵送混凝土体积的65%~72%,即胶凝材料净浆与骨料的体积比(浆骨比)为28:72~35:65。在保证施工和易性的前提下,提高骨料体积即减小浆骨比,对混凝土的技术性和经济性具有重要的意义。但是现有的混凝土技术大多侧重于胶凝材料和外加剂领域,对骨料的研究成果相对较少。我国现行的《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55)[1]以砂率来定义粗细骨料的比例关系,取值时任意性较大。美国混凝土协会的ACI规范根据粗骨料的紧密密度、最大粒径和细骨料的细度模数等参数来确定粗骨料的用量,用重量法或体积法确定细骨料用量。这两项规范仅涉及两种粗细骨料,均属于半经验化设计模式。
  我国建筑工程上使用的碎石,一直采用名义上的连续粒级[2],但是实际上往往达不到颗粒级配的技术要求(笔者称此类碎石为劣级配碎石)。近年来由于优质天然骨料的日益匮乏,再生骨料、采石场的尾矿石和尾矿砂、细砂或特细砂等各种骨料也逐步被采用。多元化的骨料品种对混凝土的优化配制技术提出了较高的要求。
  由于骨料品质的下降,加上骨料级配技术的缺乏,预拌混凝土生产企业往往采用提高砂率、提高浆骨比等方法来保证混凝土的和易性,易造成胶凝材料用量偏大,提高了混凝土生产成本,还影响到混凝土的收缩性能和水化热性能。
  本文提出一种混凝土骨料多元级配体系,使混凝土骨料配制技术科学化、定量化,以期达到提高混凝土的和易性、体积稳定性和耐久性,节约资源、降低生产成本的目的。
  1 技术模型
  1.1 技术目标
  在输入若干种骨料(一般为2~4种)原材料基本性能的前提下,可通过系统运算,定量地输出混合骨料的最佳合成级配和各种骨料的体积百分比,并提出骨料级配优化技术方案。
  1.2 设计思路
  建立理想的骨料目标级配模型,通过计算机程序运算,使混合骨料的合成级配最接近目标级配,并适当提高混合骨料的细度模数,从而减少起填充骨料空隙、包裹骨料表面的作用的胶凝材料用量。
  1.3 设计路线
  1.3.1 采用DingerFunk方程,建立骨料目标级配模型
  不同粒径的粗细骨料互相掺混,只有一种状态是最紧密堆积的。Andreasen提出了一种基于连续尺寸分布颗粒的堆积理论。满足该理论的级配曲线接近抛物线,骨料颗粒处于最紧密堆积状态,空隙率最小。
  20 世纪70 年代,Dinger 和Funk引入最小颗粒粒径的概念,对Andreasen 方程进行修正,提出了著名的DingerFunk 方程:CPTF/100=(Dn-Dsn) /(DLn-Dsn)。
  其中:CPTF——小于粒度D的含量百分率(%),n——分布模数,取0.30--0.60,DL——最大颗粒粒径,Ds——最小颗粒粒径。本文采用DingerFunk方程,建立基于不同分布模数的骨料目标级配模型。
  1.3.2 根据我国混凝土技术规范[3],设定边界条件
  1)以碎石、再生骨料和尾矿石等作为粗骨料,以尾矿砂、中砂、细砂和特细砂等作为细骨料。鉴于预拌混凝土公司的生产设备条件,每次取2~4种骨料投入运算。泵送混凝土砂率在35%至45%之间;
  2)细骨料中通过0.315mm筛孔的颗粒含量不应小于15%,且不大于30%;通过0.16mm筛孔的颗粒含量不应小于5%。根据砂率值,可计算出混合骨料中0.3mm筛孔通过率为5.25%~13.5%,0.16mm筛孔通过率大于1.75%。
  1.3.3 利用计算机应用程序,获得最佳合成级配与每种骨料的体积百分比
  1)在边界条件限定范围内,对投入运算的骨料进行体积百分比随机取值,将混合骨料的合成级配与目标级配进行比对,以偏差系数K来描述两者之间的差异。偏差系数越小,合成级配与目标级配越接近。偏差系数一般为50-150。
  2)以偏差系数K最小化作为目标,通过计算机程序的重复循环运算,找出该批投入运算的骨料的最佳合成级配,以匹配众多基于不同分布模数的目标级配,并确定每种骨料的体积百分比。
  3) 根据每种骨料的细度模数和体积百分比,计算出混合骨料的细度模数M。细度模数越大,混合骨料总表面积越小,细度模数一般为5.5-6.1。
  4)根据偏差系数K和细度模数M,确定最佳的骨料配比。
  2 设计案例
  2.1 原材料
  现有以下九种骨料[4],需通过运算,获得一份最佳的四级配骨料。
  表1 各种骨料原材料性能骨料品种累计筛余,%细度模数表观密度kg/m331.5mm26.5mm19mm16mm9.5mm4.75mm2.36mm1.18mm0.6mm0.3mm0.15mm0.075mm劣级配碎石0205074971001001001001001001008.412720尾矿石00004199.01001001001001001006.402750尾矿砂0000019.059.068.083.090.098.01004.172750特细砂A000000.10.20.20.520.292.31001.132660特细砂B000001.02.03.04.033.083.01001.212660特细砂C00000001.05.047.077.01001.302660特细砂D00000001.03.048.093.01001.452660细砂000006.28.710.617.572.696.41001.862660中砂000006.719.528.845.980.198.31002.562560注:1. 细骨料的细度模数按《建筑用砂》(GB/T 14684)计算。
  2. 粗骨料的细度模数为各筛孔(0.15mm以上)累计筛余之和。
  3. 混合骨料的细度模数是基于各种骨料体积百分比的加权平均数。
  2.2 匹配不同目标级配的骨料体积百分比
  以劣级配碎石、尾矿石、尾矿砂和特细砂A组成混合骨料,利用编制的计算机应用程序,运算出十二组合成级配(略),以匹配不同的目标级配(n=0.30-0.60),各组合成级配对应的骨料体积百分比如下:表2 匹配不同目标级配的骨料体积百分比n值体积百分比,%砂率%0.3mm通过率%0.16mm通过率%K值M值劣级配碎石尾矿石尾矿砂特细砂A0.6043.618.835.52.137.75.20.92686.370.5036.122.234.17.641.79.41.31515.960.4633.523.733.59.342.910.81.41275.840.4432.424.333.310.043.411.41.41215.780.4331.724.633.110.643.711.81.51195.740.4231.025.032.911.144.012.11.51185.700.4130.325.432.711.644.312.51.51165.670.4029.825.732.412.144.512.91.61195.640.3929.025.932.113.045.113.61.61225.580.3828.526.432.113.045.113.61.61265.570.3627.827.132.113.045.113.61.61435.560.3025.729.232.113.045.113.61.62895.52
  由表2可知,本文涉及的劣级配碎石、尾矿石、尾矿砂和特细砂A四种骨料,难以匹配分布模数偏大或偏小的目标级配,原因是偏差系数K过大。当n=0.42时,偏差系数K几乎最小(118),细度模数M也较合适(5.70),理论上为该批骨料所能获得的最佳合成级配。
  2.3 针对不同特细砂、细砂和中砂的运算结果
  将特细砂B~D、细砂、中砂,分别取代特细砂A,逐一进行运算,按本文2.2的方法,确定每批骨料的最佳合成级配。如果将混凝土浆骨比统一为30:70,根据各种骨料的体积百分比和表观密度,可计算出每种骨料的用量(kg/m3)。计算结果列于下表。
  表3针对不同特细砂、细砂和中砂的运算结果n值每方混凝土骨料用量(kg/m3)砂率%0.3mm通过率%0.16mm通过率%偏差系数K值细度模数M值备注劣级配碎石尾矿石尾矿砂(特)细砂或中砂0.4259048266320744.012.11.51185.70特细砂A0.4058847059326044.712.43.01045.61特细砂B0.3761244053432345.012.04.51095.55特细砂C0.3862343054031545.011.61.71275.58特细砂D0.5072545354419038.55.61.0726.08细砂0.5076739543630739.25.60.7446.07中砂
  由表3可知:  随着特细砂细度模数的提高(从1.13至1.45),在混凝土中的掺量可逐步提高(从207 kg/m3至323 kg/m3)。其中特细砂B配制的混合骨料,偏差系数最小(104),最接近目标级配,混合料的细度模数较粗(5.61),0.3mm筛孔通过率(12.4%)、0.16mm筛孔通过率(3.0%)也较好。因此,在以上几种特细砂中,与其它骨料匹配效果最好的是特细砂B。
  2.4 以细砂、中砂配制混合料的合成级配
  由表3可知,如果使用细砂,其最佳用量反而降低,但是混合骨料的合成级配趋向于n值较高的目标级配。如果使用中砂,其最佳用量基本上与特细砂持平。但是,使用细砂和中砂获得的合成级配与目标级配非常接近(K=44~72,合成级配详见表4),砂率较低(38.5%~39.2%),细度模数较高(6.07~6.08),骨料的空隙和总表面积都可降低,对配制混凝土更有利。
  表4 以细砂、中砂配制混合料的合成级配目标级配和合成级配筛孔通过率,%31.5mm26.5mm19mm16mm9.5mm4.75mm2.36mm1.18mm0.6mm0.3mm0.15mm0.075mm目标级配n=0.50100.091.476.870.153.136.424.516.210.46.23.21.1合成级配细砂1.86100.092.581.067.253.532.720.918.213.25.61.00合成级配中砂100.091.979.868.152.534.022.619.012.85.60.70
  将细砂和中砂配制的两种骨料混合料进行比较,尽管前者的偏差系数略大些,但是0.16mm筛孔通过率较好,细度模数较高,效果较理想。说明经过精心、科学的配制,可实现细砂资源的合理利用。
  此外,表4中两组合成级配的19mm筛孔通过率较目标级配明显偏大,而4.75mm和2.36mm筛孔通过率较目标级配偏小。如果劣级配碎石略粗一些、尾矿砂略细一些,可使合成级配更理想。基于本文的骨料级配体系,可对骨料原材料提出明确的优化技术要求,以实现持续改进。
  3 小结
  3.1 骨料原材料性能的变化,会明显影响混合骨料的最佳级配。在本文中,如果特细砂的细度模数发生细微变化,即使保持其它骨料不变,也导致最终结果差异较大。说明骨料配比的取值不能照搬别人的结论,必须建立在骨料品质的基础上,因“料”制宜。
  3.2 本文以偏差系数K、细度模数M作为技术指标,以砂率、0.3mm和0.16mm筛孔通过率作为边界条件,通过计算机应用程序的运算,理论上可获得定量化的骨料最佳合成级配。此时的骨料混合料空隙最小,总表面积较小,填充骨料空隙、包裹骨料表面所用的胶凝材料最省,配制混凝土的工作性也较好,不易分层离析。
  3.3 本文提出的混凝土骨料多元级配技术体系,需通过大量试验和工程实践进行验证,部分边界条件需不断补充完善。

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