自密实混凝土骨料级配优化研究

袁文韬，杨仕海，刘东，张武宗，张远

（中建西部建设西南有限公司，四川 成都 610052）

0 引言

砂石作为混凝土中体积占比最高的原材料，对混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能影响很大[1]。随着近年来城市化建设不断加快和生态环保压力影响，天然砂石逐渐供不应求，机制砂石的使用已成为必然趋势。同时，超高层建筑结构越来越多[2]，以及特殊结构超高的配筋率，对混凝土性能提出了极大了挑战，要求混凝土性能自密实化，对骨料要求提高。在以往文献中，大多数仅仅选用不同砂和调整砂率进行混凝土对比试验[3-5]，在此类研究中，仅从砂的细度模数和随机性的级配调整无法对混凝土性能影响进行系统分析。配制低强度等级混凝土所用砂的细度模数应小于高强度等级混凝土，而仅采用一种级配砂配制固定强度等级混凝土其结果并不能评价砂的适用性。因此，本文主要参照JG/T568—2019《高性能混凝土用骨料》对骨料级配进行设计，并通过不同胶材总量的混凝土性能探究了各条件下砂的最佳级配。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：峨胜P·O42.5R水泥，其性能指标见表1。

表1 水泥的基本性能

（2）粉煤灰：Ⅰ级，四川泸州，细度9.8%，烧失量3.2%，需水量比92%。

（3）硅灰：四川朗天有限公司，堆积密度698 kg/m3、烧失量3.1%、需水量比111%、7、28 d活性指数分别为90%、97%。

（4）骨料：5～20 mm连续级配碎石；机制砂选用成智重工精品砂，其基本性能见表2。

表2 机制砂的基本性能

（5）水：自来水。

（6）外加剂：中建西部建设新材料科技有限公司产聚羧酸系减水剂，固含量15%，减水率20%。

1.2 试验方法

机制砂性能参照GB/T 14684—2011《建设用砂》和JG/T 568—2019进行测试；混凝土性能参照JGJ/T283—2012《自密实混凝土应用技术规程》和GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 粗骨料级配对自密实混凝土性能影响

本研究将粗骨料分为3组级配区间：A（4.75～9.5 mm）、B（9.5～16.0 mm）、C（16.0～19.0 mm），通过调整各区间百分比形成不同级配的碎石，具体分布如表3所示。

表3 不同级配碎石分布

由表3可见，保持A区间颗粒含量不变，降低B区间、同时增加C区间颗粒含量时，级配碎石的松散堆积密度增大；保持B区间或C区间颗粒含量不变，增加A区间颗粒含量时，级配碎石的堆积密度增大。将上述12组级配碎石进行自密实混凝土配制，并通过测试自密实混凝土性能对碎石级配进行评价；为增大各组混凝土之间性能的差异，便于对结果进行分析，试验采用低胶材（300 kg/m3）进行混凝土配制，同时为保证混凝土和易性，掺合料中引入硅灰，所用砂根据JG/T568—2019进行级配调整，具体级配见图1，并通过试验确定砂率，自密实混凝土最终配合比见表4，性能测试结果见表5。

图1 试验机制砂的级配曲线

表4 粗骨料试验自密实混凝土的配合比 kg/m3

表5 不同级配粗骨料混凝土的性能

L1～L12分别对应采用G1～G12级配碎石制备，由表5可见，各组自密实混凝土的坍落度、扩展度之间差异性较小，但其J环扩展度与坍落扩展度之差、V漏斗流空时间之间却存在着明显差异，说明通过自密实混凝土性能检测，能够更准确的评价碎石级配对混凝土工作性能的影响。

当级配碎石中4.75～9.5 mm颗粒含量在20%～25%时，配制的混凝土（L4～L9）V漏斗流空时间相对较短，说明混凝土具有较好的和易性；G3级配碎石中16.0～19.0 mm颗粒含量为50%，配制的混凝土L3包裹性较差[见图2（a）]，存在部分大粒径碎石外漏现象，这是由于混凝土中大粒径粗骨料过多后，浆体附着能力变差，粗骨料裹浆厚度降低，颗粒间的摩擦阻力增大，导致混凝土J环扩展度减小并出现堆积现象；G10碎石中4.75～9.5 mm颗粒含量为30%，16.0～19.0 mm颗粒含量仅为15%，其配制的混凝土L10浆体不足，包裹性差[见图2（c）]，主要在于粗骨料粒径减小时，颗粒比表面积增大，需要更多的浆体来包裹浆体，造成体系中起润滑和填充作用的浆体减少，从而增大了颗粒之间的摩擦；G8碎石中4.75～9.5 mm、9.5～16.0 mm、16.0～19.0 mm颗粒含量分别为25%、45%、30%，配制的混凝土V漏斗流空时间为12.52 s，J环扩展度与坍落扩展度之差为0，性能最佳[见图2（b）]。

图2 自密实混凝土的工作性能

由表5还可以看出，碎石级配对自密实混凝土的抗压强度影响较大，如L3组28、60 d抗压强度分别为39.5、48.6 MPa，L8组28、60 d抗压强度可达45.3、56.6 MPa，L10组28、60 d抗压强度可达44.2、50.3MPa；当碎石中4.75～9.5mm颗粒含量分别为15%和30%时，混凝土的28、60 d抗压强度较低。主要在于混凝土体系中分为粗骨料和砂浆两部分，当碎石整体粒径偏大时，碎石易出现沉底现象，混凝土均匀性较差，而碎石整体粒形偏小时，其表面积增大，需要更多浆体附着，导致起粘结作用的浆体变少，进而使混凝土强度降低。因此，碎石级配很大程度上影响包裹浆体和填充浆体的比例，混凝土早期由于胶凝材料水化程度不够，整体强度差异不大，随着龄期延长，水泥石强度逐渐提高，成为影响混凝土强度因素之一。

2.2 细集料级配设计及分析

在骨料堆积理论中，W.B.Fuller曾提出最大密度曲线理论，即富勒曲线；然后A.N.Talbol对该理论进一步优化，并认为骨料最大堆积密度存在一定的波动范围，从而提出了著名的泰波公式：

式中：Pi——第i级通过率，%；

di——第i级粒径尺寸，mm；

D——骨料最大粒径尺寸，mm；

n——级配系数，一般为0.4～0.6，当n=0.5时即为富勒曲线。

美国《Superpave沥青混合料设计规范》[6]规定n=0.45时最合理，同时国内也有部分研究表明泰波级配系数n=0.45时堆积密度最大，即堆积空隙率最小[7-8]。因此，本文首先对n=0.45和n=0.50时分别计算砂的级配分布情况，并与JG/T 568—2019进行对比，结果如图3、图4所示。

图3 泰波公式级配分布情况

图4 泰波公式与JG/T 568—2019对比

由图3可见，由泰波公式计算出的级配中，其累计筛余随着颗粒尺寸增大逐渐上升，且曲线斜率逐渐增大；同时由图4可以明显看出，随着颗粒尺寸减小，通过泰波公式计算出的分计筛余也相应减小，与JG/T 568—2019中0.6 mm处“抛物线”式的分计筛余情况形成鲜明对比；另外GB/T 14684—2011中对砂子进行分区时以0.6 mm处累计筛余为界，表明0.6 mm处筛余量尤为重要。

因此本文对砂级配设计时参照JG/T 568—2019进行，为便于试验，将砂的级配分为E（0～0.3 mm）、F（0.3～1.18 mm）、G（1.18～4.75 mm）3个区间，通过控制各区间的百分比调整细集料的级配，具体级配如表6和图5所示。

表6 试验细集料的级配分布

图5 砂的级配分布

由表6可见，当E区间颗粒含量保持不变时，随着G区间颗粒含量的增加，砂的松散空隙率逐渐减小，原因在于当粗颗粒在适当范围增多时，能够改善砂的堆积状态，从而增大堆积密度；当G区间颗粒含量保持不变时，E区间颗粒含量从15%增加到30%时，空隙率基本也相应降低，这是由于细颗粒增多能够起到更好的填充作用。

2.3 不同胶材总量下细骨料级配研究

混凝土在配制时，不同强度等级采用不同用量的胶材，为保证混凝土具有良好的工作性能，所使用的细集料细度模数和级配均应做相应调整。粗骨料级配为：4.75～9.5 mm（25%）+9.5～16.0 mm（45%）+16.0～19.0 mm（30%），针对300、400、500kg/m3胶材总量下混凝土配制对上述细集料级配展开研究，混凝土基准配合比见表7，混凝土性能见表8～表10。

表7 不同胶材总量下混凝土基准配合比 kg/m3

表8 300 kg/m3胶材总量下不同级配砂的混凝土性能

由表8可以看出，采用300 kg/m3胶材配制混凝土，砂中0～0.3 mm颗粒含量为15%时，J环扩展度与坍落扩展度差值较大，混凝土包裹性和保水性较差，导致V漏斗试验时堵塞，随着该区间颗粒含量增加，混凝土工作性能逐渐改善，当0～0.3 mm颗粒含量为25%～30%，混凝土具有较好的性能；当1.18～4.75 mm颗粒含量超过30%时，混凝土的工作性能有所降低；混凝土测得的表观密度与各组砂的堆积密度变化趋势基本一致。

表9 400 kg/m3胶材总量下不同级配砂的混凝土性能

由表9可见，采用400 kg/m3胶材配制混凝土时，混凝土整体性能有所改善，当0～0.3mm颗粒含量在20%～30%时，混凝土具有较佳的工作性能，但1.18～4.75 mm颗粒含量超过35%时，混凝土工作性能降低。

表10 500 kg/m3胶材总量下不同级配砂的混凝土性能

由表10可见，采用500 kg/m3胶材配制混凝土时，当0～0.3 mm颗粒含量在20%左右时，混凝土具有较佳的性能，而当其含量达到30%时，由于体系中细颗粒过多，导致混凝土黏度增大，V漏斗流空时间反而延长。

综上所述，在进行不同强度等级混凝土配制时，由于胶材用量变化，为使混凝土达到更好的工作性能，应对砂的级配进行相应调整。总的来说，机制砂中0～0.3mm颗粒含量均不应低于15%，否则易造成混凝土保水性不足，包裹性不佳，产生泌浆甚至离析等现象。

3 结论

（1）通过低胶材自密实混凝土性能对设计碎石级配验证发现，4.75～9.5 mm颗粒含量过低或过高均对混凝土工作性能产生不利影响，当4.75～9.5mm、9.5～16.0mm、16.0～19.0 mm颗粒含量为25%、45%、30%混凝土的工作性能和力学性能均最佳。

（2）对泰波理论公式进行计算分析发现，其颗粒尺寸越大占比越高，与实际砂的级配差异较大，尤其不适用于低强度等级混凝土配制。

（3）针对不同胶材用量的混凝土，为保证混凝土具有更佳的性能，应当对砂子级配进行相应调整，仅采用相同砂子进行砂率调整配制的混凝土性能仍可能存在不足；砂中0～0.3 mm颗粒含量均不应低于15%，否则易造成混凝土保水性不足，包裹性不佳，产生泌浆甚至离析等现象。

（4）300 kg/m3胶材混凝土中，由于胶材相对较少，为保证混凝土良好的工作性能，机制砂中0～0.3mm颗粒含量应适当提高，宜在25%～30%；400 kg/m3胶材混凝土中，机制砂0～0.3mm颗粒含量宜在20%～30%，同时1.18～4.75 mm颗粒含量不宜高于35%；500 kg/m3胶材混凝土中，机制砂0～0.3 mm颗粒含量宜在20%左右，含量过高易造成混凝土黏度过大。