混凝土配合比技术参数的统计分析

宋新乐，康秀晗，王登科，，林 慧，孙发圣，王 旭

(1.海南省众邑新材料研究院有限公司，海南 三亚 572024； 2.海南瑞泽双林建材有限公司，海南 三亚 572024)

1 概述

现代混凝土质量主要包括新拌混凝土的工作性、力学性和耐久性，而现代混凝土首先必须要确保的重要性能是工作性，解决工作性问题是现代混凝土技术发展的重要方向和突破口，没有工作性的混凝土毫无实际意义。混凝土工作性稳定不仅保证了商品混凝土公司稳定地生产混凝土，还确保施工单位现场施工过程顺利进行，同时良好工作性还是混凝土诸多性能保障的前提，所以保证混凝土的工作性稳定十分的重要。然而在实际生产过程中，商品混凝土公司用的原材料质量不稳定，尤其是砂石料的质量，于是混凝土的配合比也随着变动。一般在原材料质量发生波动的情况下，技术人员主要依据以往混凝土试验经验，通过混凝土配合比进行工作性调整，直到达到预期的混凝土工作性。由于混凝土配合比设计需要消耗大量的材料和劳动力，同时在实际生产应用时的时效性也较差，因此在保证混凝土工作性稳定的前提下，统计了原材料技术参数和配合比关键参数，除此之外，统计混凝土坍落度与砂浆流动度的数据，并建立两者关系及提出砂浆流动度的应用方向，为混凝土配合比设计奠定了基础[1]。

2 原材料技术参数的概念

2.1 砂浆比

现代混凝土的特点是掺加矿物掺和料和高效减水剂，由传统的配合比三要素：水灰比、浆骨比、砂石比，成为了水胶比、浆骨比、砂石比和矿物掺和料用量四要素，配合比中需要求出的未知数由传统的4个变成5个，最后由各材料在满足施工要求的前提下紧密堆积的原理，用绝对体积法计算出各材料用量[2]。

参照JGJ/T 283—2012自密实混凝土应用技术规程，引入一个新的概念——砂浆比，指的是砂体积用量与浆体体积用量的比值。将砂浆比代替了配合比要素中的浆骨比，则混凝土配合比四要素变为：水胶比、砂浆比、砂石比以及矿物掺合料用量，同样也是5个方程组。采用砂浆比这一要素主要是考虑到混凝土结构层次，不考虑外加剂占据混凝土的体积，则混凝土中各组成材料的关系可用图1来描述。

2.2 砂比表面积系数

目前采用以“细度模数”来描述砂子的粗细程度存在片面之处，即不能反映砂子颗粒级配的情况以及细度模数与不同细度的比表面积没有相关性，则引进一个新的概念——砂比表面积系数。集料的比表面积是研究混合材料性能和组成材料的交互作用能力一项重要指标；砂作为典型的不规则颗粒，其比表面积的计算难度大，计算方法一直备受关注，对于具备级配组成的集料来说，分析其总的比表面积，最理想的做法，是能够分析每一个颗粒的比表面积，然后把它们累加起来，得到总的比表面积。因此，引入砂比表面积系数SA作为指标。首先假设砂颗粒为球体，最终通过计算得出的比表面积系数公式见式(1)。

(1)

其中，Xi为每档筛孔尺寸砂子所占的比例；Ri为第i个筛孔尺寸。

2.3 其他技术参数

参照图1以及JGJ/T 283—2012自密实混凝土应用技术规程，引入下列技术参数：

1)粗集料堆积密度体积用量，指的是单位粗集料的质量与粗集料的堆积密度的比值，则V堆为：

(2)

2)粗集料紧密密度体积用量，指的是单位粗集料的质量与粗集料的堆积密度的比值，则V紧为：

(3)

3)浆体体积用量，指的是各个单位胶凝材料的质量与表观密度的比值和空隙的总和。

4)砂体积用量，指的是单位砂的质量与砂表观密度的比值。

5)砂浆体积用量，指的是浆体体积用量与砂体积用量的总和。

3 试验

3.1 试验方案

目前商品混凝土公司生产方量最大且具有代表性的混凝土是泵送C30，本次研究以泵送C30混凝土为基准，根据生产取样的规定，取样后用坍落度筒测坍落度，并取回原材料按照相关的试验标准进行物理性能指标的测试，按照上述的试验步骤，重复200组试验，最后统计分析数据[3]。

3.2 原材料

1)水泥。试验所用水泥为天涯P.O42.5级水泥，其水泥来源及质量稳定，其技术指标见表1。

表1 水泥的主要物理性能指标

2)粉煤灰。试验所用的粉煤灰为海南峰泽Ⅱ级粉煤灰，其粉煤灰来源及质量同样也稳定，细度45 μm筛筛余为11.8%，需水量比为99.1%，强度活性指数为72%，烧失量为4.4%。

3)矿渣粉。试验所用的矿渣粉为迁安市盛久建材有限公司的S95级粒化高炉矿渣粉，其矿渣粉来源及质量同样也稳定，其密度为2.90 g/cm3，比表面积为410 m2/kg，28 d活性指数为109%，流动度比为100%，烧失量为1.2%。

4)砂。试验所用的机制砂产地为海南金地公司，其机制砂生产的来源及质量不稳定，其技术指标见以下的研究。

5)减水剂。试验所用的外加剂为江苏苏博特聚羧酸高性能减水剂，其来源及质量同样也稳定，其减水率为25%。

4 技术参数统计及模型分析

4.1 原材料技术参数的统计

以生产上设定的泵送C30混凝土配合比为基准，根据试验实测含水率算出实际的混凝土配合比，并测出各原材料的物理性能指标，得到砂比表面积参数、浆体体积用量、砂体积用量、砂浆体积用量、砂占浆体体积的比值等原材料技术参数[4]。

在保证混凝土状态一致的前提下，首先假设随着砂比表面积系数的变化，浆体体积用量、砂体积用量、砂浆体积用量以及砂浆比也呈某一趋势变化，选取20组数据进行散点图，并采用了相关系数最高的拟合关系图进行分析，见表2,图2。

表2 混凝土技术参数及状态

从图2可以看出，在保证混凝土状态一致的前提下，砂比表面积系数与浆体体积用量、砂体积用量、砂浆体积用量以及砂浆比的相关系数都非常小，说明砂比表面积系数与这四个混凝土技术参数的关联度较低。

从以上散点图可以看出，当砂比表面积系数在一定范围变化时，这四个技术参数也是在一定范围内变化，于是对原材料的物理性能指标以及配合比中技术参数进行概率密度分布图的分析。

因此，在确保满足混凝土工作性稳定的条件下，随机抽检了200组样品，按照标准中的取样方法取回原材料，并测出各原材料的物理性能指标，对原材料的物理性能指标进行概率密度分布图的分析，如图3所示。

正态分布具有两个参数：即平均值和标准差。平均值表达了这批原材料的物理性能平均水平的高低。标准差表达了这批材料性能匀质性，匀质性越好则标准差越小，曲线越“瘦高”，即各数值都集中在平均值附近，其离散程度越小。

从图3中可以看出，细集料物理指标直方图的分布与概率分布曲线的拟合程度较好，可认为砂子的细度模数、表观密度、堆积密度、紧密密度以及比表面积系数的分布符合正态分布曲线[5]。

4.2 配合比技术参数的统计

同样的，从图4可以看出，原材料的技术参数的直方图分布与正态分布曲线图拟合程度也是较接近，认为这五个原材料技术参数也符合正态分布曲线图。

4.3 正态分布模型分析

对上述的原材料的物理性能指标与混凝土中的技术参数进行正态模型验证，根据数据，算出平均值、标准差以及90%处的分位数等相关参数，如表3所示。

表3 正态分布模型参数值(一)

实验数据表明：当砂子的细度模数为2.3～2.7时，砂比表面积系数为3.0～3.6；浆体体积用量为310 m3～318 m3；砂体积用量为321 m3～341 m3；砂浆体积用量为632 m3～658 m3；砂浆比为1.03～1.07。

由于上述情况，混凝土的配合比与原材料技术参数的关系需满足正态分布模型，于是以下的研究也采用了正态分布的模型进行分析，如表4，表5所示。

表4 正态分布模型参数值(二)

表5 正态分布模型参数值(三)

试验数据表明，当砂子的细度模数为2.6～3.0时，砂比表面积系数为2.7～3.1；浆体体积用量为307 m3～317 m3；砂体积用量341 m3～355 m3；砂浆体积用量为650 m3～671 m3；砂浆比为1.10～1.14。

试验数据表明：砂子的细度模数为2.0～2.4时，砂比表面积系数为3.5～5.5；浆体体积用量为304 m3～315 m3；砂体积用量324 m3～336 m3；砂浆体积用量为631 m3～648 m3；砂浆比为1.03～1.09。

5 砂浆流动度的验证及应用

5.1 砂浆流动度与混凝土坍落度的关系

本节主要验证当混凝土状态一致的前提下砂浆的工作性如何，为砂浆工作性与混凝土工作性的关系奠定基础。根据混凝土配合比，配制成砂浆，观察砂浆的工作性，对砂浆的流动度进行统计分析，砂浆的流动度统计图见图5。

正态分布模型参数值见表6。

表6 正态分布模型参数值(四)

当混凝土坍落度在180 mm～200 mm时，砂浆流动度大部分分布在293 mm～305 mm，且砂浆未出现泌水板结的状态。即如果需要泵送混凝土的坍落度达到180 mm～200 mm，砂浆流动度需要达到293 mm～305 mm。

5.2 砂浆流动度的应用

1)目前大多数都是关于水泥与外加剂相容性或匀质性的标准，而砂子的细粉含量与MB值会影响外加剂的掺量及匀质性，则可以通过配制砂浆的手段，观察砂浆的工作性及测量砂浆的流动度。

2)目前原材料来源参差不齐，导致混凝土配比波动幅度大，需要不断的验证配合比以满足混凝土工作性的要求，首先可以通过配制砂浆的手段，观察砂浆的工作性及测量砂浆的流动度，其次通过砂浆的配比配制混凝土验证混凝土的工作性，最后确定混凝土配合比。

6 结语

1)每个拌合站原材料情况不一致，混凝土的工作状态不一致，前提是确定混凝土工作状态，然后根据实际的情况去确定浆体体积用量、砂体积用量。以下结论是当泵送混凝土坍落度在180 mm～200 mm前提下成立。

当砂子的细度模数为2.3～3.0时，砂比表面积系数为2.7～3.6；浆体体积用量为310 m3～318 m3；砂体积用量为321 m3～355 m3；砂浆体积用量为632 m3～671 m3；砂浆比为1.03～1.14；砂子的细度模数为2.0～2.4时，砂比表面积系数为3.5～5.5；浆体体积用量为304 m3～315 m3；砂体积用量324 m3～336 m3；砂浆体积用量为631 m3～648 m3；砂浆比为1.03～1.09。

2)在原材料来源稳定的条件下，砂浆流动度需要达到290 mm～310 mm，混凝土的工作性才能满足要求。

3)砂浆流动度的测试方法，适用于砂子与外加剂的相容性验证，这将成为研究的重点。