混凝土全级配颗粒曲线应用研究
文摘
2024-11-02 23:00
河北
近年来，基建、水利、交通等飞速发展，离不开混凝土这种重要的建筑材料。与其他材料比较，混凝土有着生产简单，原材料便捷可取的优势，生产设备和系统日益更新，但依赖着经验和标准设计的普通混凝土配合比，往往质量上参差不齐，未有较大革新突破。再加上外加混凝土行业竞争趋势愈演愈烈，如何用同样的材料，更低的成本，设计出稳定性、经济性、耐久性更高的混凝土仍是未来研究的主流，因此对混凝土配合比进行深度优化。通过数字化、模型化颗粒级配和紧密堆积往往是许多从业者的首选。文中对两种常用的混凝土全级配曲线模型进行实际研究应用，总结出骨料全级配曲线的优势以及借鉴方法，为普通混凝土在达到最佳堆积密度的实际优化应用提供参考。
在20世纪初，Fuller和Thompson在经过大量混凝土试配试验过程中，总结了骨料最佳级配曲线。曲线可由一段直线和椭圆曲线相切得来，Fuller曲线提供的指导被当时广泛的应用于级配混凝土设计。Fuller将方程简化后，得到著名的曲线如式（1）所示。式中：P为体系中颗粒小于di颗粒的通过百分率，%；di为筛孔尺寸或颗粒粒径尺寸，mm；Dmax为骨料颗粒的最大粒径，mm。 在应用于各种混凝土的过程中研究者发现，符合Fuller曲线生产的混凝土，级配密实堆积，方便用于对坍落度要求小、甚至无要求的混凝土，应用中赖兆琼等在管桩混凝土中得到很好的优化和强度改善。在Fuller曲线没有考虑材料表观密度以及粒型和细颗粒过筛率的情况下，Talbol对曲线进行优化改进，被称为N法，其计算见式（2）。在美国的混凝土设计规范中，n=4.5，一般控制在0.3～0.7，傅沛兴研究表明坍落度大于160mm的普通混凝土，n=0.33，更多研究表明，n值越大，大粒径粗骨料越多，细骨料也偏粗，方孔筛0.315以下的通过率偏低，混凝土的工作性差、保水性不良。
在研究Fuller曲线之后，Bolomey提出体系中达到最佳的堆积密度以及更佳的工作性的模型，并考虑到用于包裹粗颗粒的富余细颗粒。A越大富余浆体越多；n的取值越小，体系中细颗粒越多，工作性越好，如式（3）所示。式中：P、di、Dmax、n同式（2）；A为常数，取决于骨料粒型、品质以及混凝土和易性，取值4～8之间。综合以上最佳密实堆积模型以及相关研究可发现，目前对高标号混凝土以及超高性能混凝土（UH-PC）等适用研究较多。石诚杰等、李芳涛等学者的研究中表明Fuller曲线对高性能混凝土优化效果明显，对普通混凝土强度等级适应性研究较少。因此，以下利用2种曲线模型，对现有材料普通标号泵送混凝土进行配合比最佳密实度级配优化，为实际生产应用提供参考。 水泥采用烟台金隅冀东P·O42.5级水泥，3d强度33.0MPa，28d强度50.3MPa。粉煤灰采用华电莱州F类Ⅱ级粉煤灰，细度25.3%，需水量比98%，活性指数75%。矿粉采用维业S95级粒化高炉矿渣粉，比表面积410m2/kg，28d活性指数101%。外加剂采用莱阳科兴高效减水剂，减水率19.0%，含固量9.5%。试配试验不加任何其他辅助小料；砂采用两级配机制砂，亚甲蓝试验合格；碎石采用两级配泰鑫矿业水洗石子见表1、表2。根据现有原材料对两种理论模型进行匹配试验，将原材料通过计算机模型进行数据分析，模拟曲线搭配接近成为不同理论模型、不同n值分布的颗粒级配曲线，试配分析各个曲线n值分布的应用上对于普通混凝土的工作状态、密实度、抗压强度的影响，以达到优化配合比的目的。 通过分析Fuller曲线公式，曲线级配细颗粒过筛率过低或者过高都不适合。因现有材料中有细砂搭配，所以曲线分布系数n分别取0.4、0.45、0.5绘制表格，过筛率数据和砂石配比见表3～表5；与之对应的计算机模型生成砂石级配Fuller曲线见图1～图3。试验选用普通混凝土最常用的C30大流动性泵送混凝土配比。试配骨料基于上述对应Fuller曲线分布系数的级配，胶凝材料一致。外加剂采用靶向双掺法进行混凝土试配，工作性能、强度见表6。级配1、2、3配合比根据拟合曲线砂率等进行混凝土试配。通过现有原材料级配数据绘制曲线，调整靠近不同分布系数。试配结果表明可通过此方式快速精准的调整全级配曲线配合比。现有材料全级配曲线接近Fuller曲线n=0.45时，密实度最高，和易性、包裹性、工作性良好，强度远超其他分布系数配比，级配1和级配3因砂率和用水量等原因，均未呈现出最优混凝土状态。常数A取决于骨料细颗粒多少、混凝土强度等级以及富余浆体系数。分布模数n越小细颗粒越多。但细砂超过一定范围会导致混凝土用水量过大。在0.315mm方孔筛通过率过高的情况下，混凝土状态偏黏稠，现有细砂搭配，所以A取2，n分别取0.4、0.5、0.6绘制表格，过筛率数据以及砂石配合比见表7～表9；与之对应的计算机模型生成砂石级配Bolomey曲线见图4～图6。 选用同一胶材C30混凝土配比，试配骨料基于上述对应Bolomey曲线分布系数的级配，胶凝材料不变，工作性能、强度见表10。通过现有原材料级配数据绘制曲线，调整靠近不同分布系数的Bolomey曲线，试配结果表明现有材料全级配按照Bolomey曲线A=2，n=0.45时，混凝土密实度最高，和易性、包裹性、工作性良好，强度远超其他分布系数配比。2.2.5Fuller曲线和Bolomey曲线应用对比通过现有材料的数据拟合靠近2种曲线试配数据见表11，现有材料级配2曲线接近Fullern=0.45曲线，级配5曲线接近Bolomeyn=0.5A=2曲线时和易性、包裹性、工作性、强度最佳，Fuller曲线与Bolomey曲线相比，调整最佳堆积密度曲线的过程中，对细颗粒过筛率要求较高，对材料本身级配有一定要求；Bolomey曲线因为考虑到浆体富余系数，经过笔者大量试验和实践，可适用于多种强度等级的混凝土，在反复练习掌握Bolomey曲线后，该方法在优化设计配合比相比其他曲线更有优越性。对比两种最佳曲线的过筛率，不同曲线模型在同一份原材料下，最佳密实度曲线基本一致；Fuller曲线在考虑到细颗粒包裹性的情况下，可以更快地找到合适的n值，Bolomey曲线模型在考虑细颗粒以及富余浆体的情况下，需要有一定的经验才能准确的找到合适的A值和n值，达到最佳颗粒级配。1）通过数字化的理论曲线拟合，研究印证Fuller曲线和Bolomey曲线在普通混凝土配合比设计中在最佳堆积密度调整方向的重要性。以实际材料调整曲线进行试配，得到优化配合比的思路方法，两种不同颗粒级配曲线在平时实际优化应用当中起着重要的引导作用。2）文中在研究的过程中，仍有很多不足之处，在曲线级配的设计中未对砂石中过0.075mm筛的石粉对于曲线模型、混凝土状态的影响进行探讨；未对胶凝材料的颗粒级配曲线以及最佳掺合料掺加比例进行深入研究；未对断级配、单粒级骨料的最佳堆积密度进行曲线模型验证，这也是以后的工作中着重研究的方向。 来源：砼话，如有侵权请联系删除
