骨料堆积密度优化对混凝土胶凝材料用量的影响

文摘 2025-01-10 07:04 河南

随着我国混凝土工程体量增速趋缓，预拌混凝土、混凝土制品生产企业彼此之间的竞争日益激烈。混凝土的降本增效已经成为预拌混凝土及混凝土制品生产企业实现企业利润的主要手段。其中，基于碎石和砂子颗粒级配和空隙率的调整优化是实现混凝土胶凝材料用量低量化的重要手段。骨料采用合理的颗粒级配有利于改善混凝土的拌和物性能、力学性能和耐久性。研究表明，当采用骨料最大堆积密度时，可以最大限度地减少骨料自身空隙率，从而减少骨料空隙中需要填充的胶凝材料浆体用量，可以实现胶凝材料用量的降低。基于此，从粗骨料和细骨料堆积密度调整优化的角度出发，研究粗骨料最大堆积密度和细骨料最大堆积密度条件下，混凝土性能的变化以及对胶凝材料用量的低量化效果，并评估对混凝土碳排放的影响，以期为混凝土性能的提升、胶凝材料用量的降低和混凝土低碳化应用提供技术支撑。

1试验

1.1原材料

混凝土所用原材料包括水泥、掺合料、细骨料、粗骨料、外加剂以及水。其中，水泥采用的是青岛山水创新水泥有限公司生产的PO42.5水泥，其性能指标如表1所示。掺合料采用的是华电莱州发电有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰。细骨料使用的是铺集河砂，中砂，细度模数3.0，其指标如表2所示。粗骨料使用的是诸城新兴生产碎石，规格种类为5～25mm，其检测指标如表3所示。外加剂使用的是青岛华成锦源建材有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，含固量36.2%，推荐掺量2%。

1.2骨料优化与制备

1)细骨料优化

因细骨料细度模数为3.0，而生产要求细度模数在2.5～2.8，可见细骨料细度模数较高。因此，通过在中砂中掺入细度模数为1.2的细砂颗粒调整细度模数。该研究中，基于最大堆积密度即空隙率最小化进行调整，结果通过空隙率进行表征。

空隙率越低，说明堆积密度越高，骨料密实度越高。优化时，在细度模数为3.0的细骨料中掺入细度模数为1.2的细砂，掺入比例为3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%、24%、27%、30%，研究不同掺量条件下细骨料的空隙率。

从图1中可以看出，随着细度模数为1.2的细砂含量的不断增大，细骨料的空隙率呈现出先降低后增高的趋势。在细度模数为1.2的细砂掺量达到12%时，空隙率最低为35.2%，在掺量为15%时，空隙率为35.8%，也就是说在掺量为12%～15%之间时，细骨料的空隙率处于最小值区间。其中在细砂掺量为12%时，测定此时最低空隙率的混合砂的细度模数为2.6，满足应用要求。

2)粗骨料优化

粗骨料采用最大堆积密度优化，优化思路与细骨料优化思路一致，具体在制备时将表3中所述粗骨料进行筛分，分为5～10mm和10～25mm两部分，其中5～10mm骨料掺入比例为3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%、24%、27%、30%，研究不同掺量条件下粗骨料的空隙率。

根据图2的空隙率变化趋势线，当采用5～10mm和10～25mm两种粒径的石子进行复掺，5～10mm比例范围为15%～21%时，两种粒径石子复配的空隙率最小。数据显示当5～10mm碎石的掺量为18%时石子的空隙率最小。

1.3混凝土制备

试验以实际使用生产的混凝土配合比为例进行优化研究和低碳效果分析。按上述最大堆积密度研究为前提，碎石中5～10mm和10～25mm两种粒径石子的复配比例为18∶82，砂子中细度模数为1.2和细度模数为3.0的两种砂子复配比例为12∶88。混凝土配合比如表4所示。其中，C50-A0为未进行粗骨料和细骨料优化的混凝土配合比，C50-A1～C50-A5为粗细骨料采用最大堆积密度并调整胶凝材料用量的混凝土配合比，通过上述配合比研究混凝土性能的变化。

1.4试验方法

混凝土拌和物坍落度和扩展度按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080-2016规定测定。混凝土抗压强度按《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2019测试，混凝土干燥收缩试验按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009规定的架设千分表形式进行。

2结果与讨论

2.1混凝土拌和物性能

混凝土的拌和物性能对混凝土施工便捷性具有较大影响，也是判断预拌混凝土性能的重要性能指标。因此，研究了混凝土的出机坍落度、出机扩展度和1h后的坍落度经时损失以及扩展度经时损失，C50混凝土拌和物性能相关数据如表5所示。

从表5中可以看出，采用骨料最大堆积密度优化后，C50-A1的混凝土其出机坍落度和出机扩展度均出现了明显的升高，而1h坍落度经时损失和1h扩展度经时损失变化并不明显。这说明采用最大堆积密度降低骨料孔隙率后，混凝土的流动性出现了明显提升。进一步比较C50-A1、C50-A2、C50-A3、C50-A4和C50-A5可以看出，随着胶凝材料用量的降低，混凝土的出机坍落度和出机扩展度出现逐渐下降的趋势。且胶凝材料减少量越大，坍落度和扩展度损失越大，也就是流动性变得越差。但从数据上看，在胶凝材料掺量降低48kg/m³后，按C50-A3制备的混凝土其拌和物性能相比于C50-A0依然有所提升。分析上述原因，主要是因为采用骨料最大堆积密度降低骨料空隙率后，需要填充在骨料中间的浆体需求量减少，在胶凝材料不变的情况，更多的浆体富集在骨料外面，提高了骨料之间的润滑度，改善了其流动性，使得其坍落度和扩展度出现升高。但是随着胶凝材料用量的减少，砂石骨料的增多，需要附着在骨料表面的浆体数量增加，且富余的胶凝材料用量减少，所以能够起到骨料之间润滑作用的浆体量减少，导致其坍落度和扩展度出现下降。

2.2混凝土力学性能

图3为原配合比条件下以及采用骨料最大堆积密度优化后不同胶凝材料用量条件下的混凝土的7d和28d抗压强度。

从图3中可以看出，相比于C50-A0，采用骨料最大堆积密度优化后，C50-A1混凝土的7d和28d抗压强度均出现了明显的升高。这说明将混凝土中所用石子按5～10mm和10～25mm两种粒径以质量比18:82进行复配，所用砂子按3.0细度模数和1.2细度模数两种以质量比88:12进行复配，能够更好地提高混凝土的抗压强度。这主要是因为采用最佳堆积密度搭配骨料，骨料的空隙率降低，浆体富余量增加，可以更密实地填充骨料的空隙，减少混凝土内部结构缺陷，增加骨料包裹厚度，增加骨料界面粘接强度，从而使得混凝土的抗压强度得到提高。进一步比较C50-A1、C50-A2、C50-A3、C50-A4和C50-A5可以看出，随着胶凝材料用量的降低，混凝土的7d和28d抗压强度逐渐下降。分析其原因是因为胶凝材料降低后，在混凝土骨料表面包裹的浆体逐渐减少，浆体厚度变薄，使得骨料之间的粘接强度下降。与此同时，浆体对骨料中的空隙填充产生不足，导致混凝土结构存在缺陷，影响了混凝土的力学性能，使得其抗压强度出现下降。进一步比较上述五组混凝土与C50-A0的7d和28d抗压强度数据可以看出，在胶凝材料掺量降低48kg/m³后，按C50-A3制备的混凝土其7d和28d抗压强度值依然略高于C50-A0，C50-A4和C50-A5组混凝土相对较低。也就是说，在胶凝材料掺量降低48kg/m³后依然满足混凝土生产要求。

2.3混凝土体积稳定性

图4为原配合比条件下以及采用骨料最大堆积密度优化后不同胶凝材料用量条件下的混凝土180d的收缩率。

从图4中可以看出，相比于C50-A0，采用骨料最大堆积密度优化后，C50-A1的混凝土的180d的收缩率出现明显下降。这说明将混凝土中所用石子按5～10mm和10～25mm两种粒径以质量比18:82进行复配，所用砂子按3.0细度模数和1.2细度模数两种以质量比88:12进行复配，能够更好地提高混凝土的体积稳定性，降低混凝土的收缩率。这主要是因为在混凝土配合比不变的情况下，采用5～10mm和10～25mm两种粒径石子以质量比18:82进行复配和将砂子细度模数3.0和细度模数为1.2的砂子按质量比88:12进行复配制备混凝土，降低了骨料空隙率，可以节约更多的填充空隙浆体，这些浆体可以极大程度地改善混凝土骨料-浆体界面的粘结性以及混凝土内部孔结构，尤其是降低对混凝土干燥收缩影响最大的100nm以下的孔的体积含量，使得混凝土的收缩率出现下降。进一步比较C50-A1、C50-A2、C50-A3、C50-A4和C50-A5可以看出，随着胶凝材料用量的降低，混凝土的收缩率先降低后升高，在C50-A3时达到最低。分析其原因，虽然混凝土的干燥收缩主要与水泥用量有关，水泥用量越少，干燥收缩越小。但是当水泥用量过低，会导致混凝土中浆体用量不足，无法对骨料孔隙起到良好的填充作用，增加了内部结构孔缺陷，也使得100nm以下孔体积含量增加，从而导致混凝土180d干燥收缩率出现一定程度的升高。进一步比较上述五组混凝土与C50-A0的180d干缩率数据可以看出，优化混凝土骨料后，混凝土的干缩率出现明显的下降，在C50-A3组时达到最小值。

2.4混凝土碳排放量

在上述分析中可以看到，采用C50-A3组混凝土配合比满足工程应用需求，且性能不低于C50-A0组混凝土，可以实现对配合比的C50-A0的替代。基于此，进一步分析C50-A3对混凝土碳排放的影响。两组混凝土估算的混凝土碳排放量如表6所示。

从表6中可以看出，采用C50-A3组混凝土碳排放量减少了31.42kgCO₂eq/m³，这说明优化骨料堆积密度可以通过减少胶凝材料用量，减少混凝土的碳排放量。

3结语

基于骨料最佳堆积密度对现有生产C50混凝土配合比进行优化，并调整胶凝材料用量，研究了骨料最佳堆积密度对混凝土胶凝材料用量和碳排放量的影响。研究结果表明，在骨料最大堆积密度条件下，相比于原生产用配合比，可以降低混凝土胶凝材料用量达到48kg/m³，而不导致混凝土性能下降。且通过降低胶凝材料用量，降低混凝土碳排放量达到31.42kgCO₂eq/m³，有利于混凝土低碳化应用。（来源：《建材世界》2024.05）

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