石子级配对混凝土工作性的影响

林金华 段岳强 刘永淼 王瑞攀 何富强 陈昌萍 王晨飞,5

(1.中交一公局厦门工程有限公司 福建厦门 361000； 2.厦门轨道交通集团有限公司 福建厦门 361000；3.厦门大学 福建厦门 361005； 4.厦门理工学院 福建厦门 361024；5.重大工程结构裂缝控制福建省高校工程研究中心 福建厦门 361024)

0 引言

混凝土是由胶凝材料、石子、砂子、水及外加剂经搅拌而成的非匀质混合材料。石子在混凝土中发挥骨架的作用，是混凝土成型的基础，因此石子的性能对混凝土的性能有着重要影响。

近年来，福建地区石子的压碎值、针片状含量及石子级配等均对混凝土的工作性[1]、强度[2]、耐久性[3]及胶凝材料用量有很大影响。《建设用碎石、卵石》(GBT 14685-2011)[4]中对石子的针片状含量和压碎值均有明确规定，对石子级配也进行了规定，但是范围较为广泛。在规定范围内，石子的空隙率和表面积均有很大的变化，随之影响了胶凝材料的用量变化。因此，很有必要对石子级配进行研究。

基于此，本文对采用的三级配石子各项指标性能进行测试，并设计了10组石子比例，对不同石子级配的混凝土的工作性进行测定，以期用衡量混凝土工作性指标的坍落度和扩展度，对不同石子级配的影响进行表征，为广大研究者提供参考。

1 实验

1.1 实验原材料

水泥：厦门市美益集团生产的PO42.5普通硅酸盐水泥；

粉煤灰：赣州后石电厂生产的II级粉煤灰；

矿粉：福建省三钢(集团)有限责任公司生产的S95级矿渣；水泥、粉煤灰和矿粉的粒径分布如表1及图1所示。

石子：福建智欣双惠矿业有限公司生产的粒径分别为5mm～10mm，10mm～20mm，16mm～31.5mm的碎石，石子的单粒级配和压碎值均满足要求。石子的各项测试指标如表2所示。

砂子：厦门原福沙业有限公司生产的河砂，细度模数为2.6，砂子的各项测试指标如表3所示；

减水剂：厦门科之杰聚羧酸高效减水剂；

水：自来水。

表1 水泥、粉煤灰和矿粉的粒径分布

表2 石子的性能指标测试结果

表3 砂子的性能指标测试结果

图1 水泥、粉煤灰和矿粉的粒径分布图

1.2 实验配合比设计

实验配制C35等级混凝土，基于《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)[5]，计算初步确定采用水胶比为0.36，胶凝材料为370kg/m3，其中，水泥掺量为胶材总量的60%，粉煤灰掺量为胶材总量的30%，矿粉掺量为胶材总量的10%。经过初步试拌后确定砂率为0.39，采用混料设计法设计得到的10组石子三元体系混凝土配合比如表4所示。

1.3 试验方法

在实验室中，依据设计得到的混凝土配合比称量相应的材料，依次将砂子、石子和胶凝材料放于搅拌机，搅拌2min后，将减水剂与水混合加入材料中搅拌，每组配比在搅拌机中搅拌20L混凝土；依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)[6]，测试每组混凝土的坍落度和扩展度，每组混凝土搅拌后及时清理搅拌机，防止上一组混凝土的砂浆和减水剂对下一组混凝土的配制产生影响。

表4 混凝土配合比 kg/m3

在进行正式实验测试前，先通过实验选定混凝土中减水剂的掺量，以基本保证混凝土均不产生离析和泌水，最终确定减水剂掺量为1.1%，以此为基础，进行后续混凝土工作性实验。

2 试验结果与分析

实验测得石子三元体系的10组混凝土坍落度和扩展度结果如表5所示，代表性的混凝土工作性测试如图2所示。

表5 石子三元体系混凝土工作性测试结果

图2 混凝土工作性测试

从表2可以看出，混凝土中的大石子、中石子和小石子比例对混凝土的工作性有重要影响。

当混凝土中石子级配发生变化时，混凝土的坍落度在55mm～195mm之间发生变化，而扩展度也从0～480mm之间波动。这是因为当石子级配不同时，石子的表面积和空隙率不同，造成混凝土中用于填充石子空隙和包裹石子表面的水泥桨体量也不同，最终引起用于润滑的浆体量发生变化，混凝土的工作性随之变化，这也是采用混凝土坍落度和扩展度衡量石子级配的重要原因。

当混凝土的坍落度在190mm～195mm之间变化时，其扩展度在295mm～480mm之间变化，也即混凝土坍落度相同时，对应的扩展度变化很大。这是由于大中小石子比例的不同，造成石子级配的不同，引起同一组混凝土坍落度和扩展度不匹配。

当混凝土中大石子较多时，石子的骨架作用显著，但是浆体量快速流动，因而扩展度偏大，但此时混凝土状态较差；只有当石子级配合适时，混凝土中的浆体可有效包裹石子，其坍落度和扩展度才有良好的关系，混凝土状态也较好。

对表1中的测试结果作三元等值图，如图3所示。从图中可以看出，随着小石子和中石子掺量的增多，混凝土坍落度有减少的趋势，当石子比例较为均衡，也即大石子、中石子和小石子的基本相同时，混凝土的坍落度达到最大。

图3 不同石子级配混凝土坍落度等值线图 (mm)

对上述实验结果进行回归分析，以研究混凝土坍落度与石子级配之间的关系。设定混凝土坍落度为y，大石子掺量为x1，中石子为x2，小石子为x3，建立y与x1，x2，x3之间的关系如下[7]：

y=-409x1-709x2-909x3+2713x1x2+3203x1x3+4077x2x3-6287x1x2x3

R-Sq(调整)= 84.80%

从上式可以看出，混凝土坍落度与大、中、小石子的掺量有良好的非线性关系，其拟合参数达到了84.8%。

为进一步得到最优的石子比例关系，对表5中的测试结果进行相应优化。当设定混凝土坍落度为200mm时，解上述关系式，可得到大石子、中石子和小石子的比例为0.36∶0.33∶0.31，也即在混凝土坍落度为200mm时，此石子比例为最优比例，如图4所示。

图4 混凝土工作性回归分析

采用计算求得的最优石子级配(大石子∶中石子∶小石子=0.36∶0.33∶0.31)，进行混凝土配合比设计，除石子级配外，其他混凝土配合比参数均与石子三元体系设计时相同，并进行混凝土试拌试验，测得混凝土的坍落度为205mm。这也与优化后的结果基本相同，证实了响应优化的可靠性。

3 结论

(1)混凝土中石子级配级配对混凝土的工作性有重要影响，因此要加强石子级配对混凝土工作性的研究。

(2)测试基于设计级配得到的混凝土的工作性指标，可在尽量少实验量的基础上快速有效得到满足工作性要求的石子比例。

(3)实验过程中分别采用坍落度和扩展度对混凝土的工作性进行衡量，是现在混凝土实验的重要指标，但是单独采用各个指标衡量还有失偏颇，能否考虑将两者进行综合考虑是下一步研究的重点。