骨料级配对水工混凝土保塑性和强度的影响研究

李金朋

(辽宁省白石水库管理局有限责任公司,辽宁 朝阳 122000)

为解决骨料生产系统大石、特大石产量占粗骨料总量比例为40%～45%,而大坝混凝土设计配合比中大石、特大石该比例达到55%～60%,出现小石太多产生弃料而大石生产无法满足使用要求的问题,促使骨料使用与生产的级配平衡,有必要优化骨料级配以获取更好的效益[1]。针对混凝土性能受骨料级配和品质的影响,领域内专家学者们开展了广泛研究,如吴锦光等探究了高强混凝土耐久性、工作性和强度受粗骨料粒径的影响作用,结果发现骨料粒径在一定程度上影响着混凝土耐久性和工作性,一般选用5～16mm连续级配骨料配制高强混凝土;方跃等试验分析了混凝土压折比、抗压与抗压强度受骨料粒径的影响,结果表明选用较小粒径粗骨料能够避免较多的内部缺陷,更好地保证混凝土质量;刘恒等研究发现骨料体积分数不变时,随骨料最大粒径的增大混凝土抗率离子侵蚀性增强;吴火兵等研究认为掺最大粒径60mm骨料相比于40mm骨料的拌合物和易性更好,在保证强度不明显改变的情况下可以减少用水量和胶材用量,有利于降低混凝土开裂风险和水化热[2-5]。鉴于此,文章通过级配最优组合和基准配合比分析,试验探究了骨料配组合对水工混凝土强度、保塑性和浮浆厚度的影响,旨在为优化骨料级配和解决使用与生产不平衡问题提供参考依据。

1 材料与方法

试验所用材料与工程现场材料保持抑制,特大石、大石、中石、小石、人工砂等骨料来源于大连建材厂人工骨料生产系统,经检测除特大石、大石、中石堆积密度及小石含泥量不符合工程使用要求外,粗骨料其它各项指标均符合要求,其中级配不良是导致特大石、大石、中石堆积密度较低的主要原因。试验材料主要有鞍山诚达F类Ⅰ级粉煤灰、浑河P·MH42.5中热硅酸盐水泥、西卡540P聚羧酸高效减水剂和安诺AN001型引气剂,按照二次筛分要求冲洗粗细骨料。不同骨料组合级配曲线的曲率系数Cc、不均匀系数Cu按最大密度曲线理论进行计算,通过最佳密度曲线的曲率系数Cc、不均匀系数Cu、拟合度及各级配曲线图确定最优级配。试验分析推荐级配和基准级配对水工混凝土强度、保塑性、浮浆厚度等性能影响,并结合试验数据确定工程生产用最优级配。

2 试验结果与分析

2.1 确定组合级配

考虑到骨料系统生产的大石、特大石产量占比只有40%～45%的情况,试验过程中使用的大石与特大石占比不得超过50%。因此,本试验固定砂率20%～26%,特大石比例25%和20%,级配指数取值区间0.3～0.6,不同骨料组合级配曲线的曲率系数Cc、不均匀系数Cu按最大密度曲线理论进行计算分析。其中,Cu<5代表骨料级配不良,属于均粒骨料,Cu值越大粒组分布越广泛;Cu>10代表骨料级配良好,Cu过大则会导致不连续级配,该条件利用曲率系数Cc进行分析。曲率系数是从整体上反映累计曲线形状的主要参数,13代表级配较差。

试验选取的9种骨料级配组合与理论级配曲线具有较高拟合度,通过容重复核试验分析其与2种拟合度较低的级配组合,如表1所示。

表1 组合骨料拌合物容重

从表1可以看出,大石+特大石比例达到50%时,随着级配指数的增加骨料组合容重逐渐减小,相应的偏差系数不断增大;骨料组合曲率系数Cc<3时具有较大的振实容重,拌合物抗离散性良好;当大石+特大石比例达到50%时选择级配指数0.4较为合理,当大石+特大石比例处于45%～48%范围选择级配指数0.3较为合理。依据施工现场骨料加工、生产情况和试验数据分析结果,在优化分析时推荐选择编号1、4、6、8四种组合级配。

配合比对比试验选取水胶比0.38(A型)、0.42(B型)、0.46(C型)的四级配基准混凝土,控制拌合物含气量4%～6%之间,坍落度处于30～50mm范围,基准配合比如表2所示。

表2 基准配合比

2.2 浮浆厚度及最优砂率

通过室内试验确定4种推荐配合比和A型、B型、C型3类混凝土各5种骨料组合的最优砂率。在不改变单位用水量的条件下可以适当调整减水剂用量,以满足新拌混凝土温控及和易性要求,各级配最优砂率试验数据,见表3所示。

表3 各级配最优砂率试验数据

从表3可以看出:①水胶比相同时,在不改变单位用水量及和易性的情况下,每降低5%的大石+特大石比例,减水剂掺量需要提高0.01%,引气剂掺量也有所增大;②骨料级配和水胶比相同时,随砂率的增大混凝土30s浮浆厚度不断增加,60s、90s、120s浮浆厚度增幅减小;水胶比不变时,砂石粒径和用量均在一定程度上影响着界面过渡区数量、厚度及混凝土强度,适当增加砂率并不会提高浮浆厚度;③骨料级配不同、水胶比相同时,随大石+特大石比例的减少混凝土浮浆厚度逐渐下降,为降低表面浮浆厚度可以适当增大粗骨料比表面积[6-8]。因此,调整骨料级配对混凝土表面浮浆厚度及最优砂率的影响规律基本相同,A型、B型、C型混凝土的最优砂率如表4所示。

2.3 新拌混凝土保塑性

以A型混凝土为例,试验分析级配调整对最优砂率混凝土凝结时间、泌水率、含气量及坍落度的影响,即混凝土施工工艺受级配优化组合的影响作用,如表5所示。

表5 新拌混凝土试验数据

结果表明,随中石与小石总量的增加用不同组合级配骨料配制的混凝土泌水性有不同程度的增加,随减水剂掺量的增加混凝土含气量和坍落度损失率均表现出上升趋势,凝结时间也有一定的延长,并且骨料级配调整对A型、B型、C型混凝土性能的影响基本相同[9]。

2.4 硬化混凝土强度

在粗骨料掺量与水胶比相同的情况下,混凝土抗压强度随粗骨料级配的变化而变化[10]。在最优砂率条件下,试验分析不同组合级配混凝土7d和28d不同时段的劈拉、抗压强度及压拉比,以探究混凝土强度受砂率和骨料级配变化的影响,试验数据如表6。

表6 级配与砂率优化混凝土强度

从表6可以看出,调整骨料组合级配并不会显著改变水工混凝土7d和28d劈拉、抗压强度及压拉比,能够满足混凝土工作性、抗裂性和耐久性要求。

3 结 论

1)试验分析了混凝土强度、工作性能、浮浆厚度,最优砂率受级配组合的影响作用,针对使用与生产过程中存在的骨料级配差异问题提出了有效的解决方法,通过骨料级配优化避免了小石太多而大石、特大石偏少导致的弃料问题,该方法有利于降低工程成本,具有显著的社会与经济效益。

2)试验表明,在特大石或大石使用量无法达到工程使用要求时,可以对粗骨料级配做适当调整,在不改变单位用水量的情况下,通过适当调整减水剂用量保证混凝土和易性符合施工使用要求,为水利工程建设和预期生产效益目标的实现提供技术支持。

3)为了更好地解决骨料级配不平衡问题,试验时还可以掺入碳纤维、钢纤维等材料,从而增强混凝土的抗拉性能,通过优化骨料级配或掺入其它材料来促进生产。