2008考慮粗集料充填體積率與級配的混凝土配合比設(shè)計方法公路交通科技應(yīng)用技術(shù)版200809

1、考慮粗集料充填體積率與級配的混凝土配合比設(shè)計方法趙尚傳 1， 4 楊永順 2 梁奎基 31 交通部公路科學(xué)研究院； 2 山東省交通廳公路局； 3 山東省公路建設(shè)集團(tuán)有限公司； 4 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室（北京）摘要 ：分析了粗集料充填體積率對混凝土拌合物工作性、混凝土強(qiáng)度和耐久性能的影響，提出粗集料的充 填體積率在 60%-75% 之間對混凝土的工作性和開裂性能的控制比較合適；分析了級配對粗集料振實容重和 空隙率的影響，試驗結(jié)果表明最大公稱粒徑 19mm 的石灰?guī)r粗集料，振實容重有 20kg/m3 的差異，空隙率 有 0.7% 的差異；分析了連續(xù)級配的粗集料最大粒徑對振實容重和空隙率

2、的影響，最大公稱粒徑19mm 和26.5mm 之間，振實容重有 60-70kg/m3 的差異，空隙率有 2%-3%的差異；對石灰?guī)r粗集料配制的混凝土密 度與粗集料充填體積率的相關(guān)性進(jìn)行了試驗研究，相關(guān)性好，擬合得到最大公稱粒徑19mm、26.5mm 石灰?guī)r粗集料配制的混凝土密度與粗集料充填體積率之間相關(guān)性為0.83-0.98；基于現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計理論，提出考慮粗集料充填體積率、級配等特征指標(biāo)的混凝土配合比計算方法，實例分析表明利用該方法的計算 結(jié)果與實測情況非常吻合。關(guān)鍵詞 ：公路工程 設(shè)計方法 混凝土性能 粗集料級配 充填體積率 配合比Mixture Design Method of C

3、oncrete Based on V olume Ratio and Gradation of Coarse Aggregate1、 42 3ZHAO-Shangchuan 1 4, YANG-Yongshun 2, LIANG-Kuiji 31 Research Institute of Highway, Ministry of Communications, PRC2 Shandong Highway Administration Bureau, Shandong Province3 Shandong Highway Engineering Construction Group Co.,L

4、td4 Key Laboratory of Road structures and Materials Ministry of Communications, PRC ABSTRACT: Concrete working performance, strength and durability are tested in different coarse aggregate volume ratio, which shows that it is appropriate for concrete working and cracking performance when coarse aggr

5、egate volume ratio is controlled between 60 percent and 75 percent. Influence on tap density and void ratio is analyzed for coarse aggregate gradation, which shows3that there exist 20 kg/m difference in tap density and 0.7 percent difference in void ratio for lime coarse aggregate whose maximum part

6、icle size is 19 mm. Influence on tap density and void ratio is analyzed also for coarse aggregate maximum particle size, which shows that there exist 60-70 3kg/m variance in tap density and 2%-3% variance between 19 mm and 26.5mm. Tests are carried out to gain the correlation between concrete densit

7、y and coarse aggregate volume ratio for lime rock, which shows that coefficients of correlation is in 0.83-0.98 when coarse aggregate maximum particle size is 19mm and 26.5mm. Mixture Design Method of Concrete is put forth based on volume ratio and gradation of coarse aggregate. Example shows that c

8、alculating result by this design method is very concordance to actual measurement.KEYWORDS: Highway engineering; design method; concrete performance; coarse aggregate gradation; volume Ratio; concrete mixture1、引言混凝土是有水泥、拌合水、粗集料、 細(xì)集料為基本成分的混合物。 以往對混凝土配合比 設(shè)計的方法很多， 在混凝土配合比設(shè)計規(guī)范中歸結(jié)為密度法和體積法。 這兩種方法的不同之 處在于密

9、度法為假定混凝土的理論密度， 而體積法則假定混凝土體積為所有組合成分之體積 之和。 二者理論基礎(chǔ)基本相同， 即都是在根據(jù)混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級的基礎(chǔ)上， 確定混凝土水 灰比、 根據(jù)工作性確定用水量， 然后確定水泥用量。至于粗集料和細(xì)集料的含量， 通過前述 的假定，在經(jīng)驗的基礎(chǔ)上選擇一個砂率， 進(jìn)行計算。這種方法經(jīng)過多年的使用，證明基本是 可行的。但是，也存在一些缺點： （ 1）沒有考慮混凝土中粗集料的充填體積率。由于混凝土主要以粗集料為主體骨架，粗集料的充填體積率對于混凝土的工作性能、力學(xué)性能和抗開裂性能均存在重要影響。(2)沒有考慮粗集料最大粒徑和級配對于混凝土密實性的影響。在計算混凝土粗集料用

10、量時，只計算其質(zhì)量，沒有考慮粗集料最大粒徑和級配范圍的影響。(3)幾乎不能根據(jù)混凝土的使用環(huán)境條件和使用要求來設(shè)計混凝土配合比。本文通過對混凝土中粗集料充填體積率和空隙率的試驗研究，在現(xiàn)有配合比設(shè)計理論的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的混凝土配合比設(shè)計方法。2、粗集料充填體積率與混凝土性能試驗設(shè)計強(qiáng)度等級 C40。水泥砂漿中水、水泥、細(xì)集料的比例為：175: 440 : 670。水泥為42.5R普通硅酸鹽水泥。減水劑為奈系高效減水劑。細(xì)集料細(xì)度模數(shù)為2.6的河砂。通過調(diào)節(jié)粗集料和水泥砂漿的比例而達(dá)到控制粗骨料含量的目的。選擇的粗骨料分最大粒徑為a) A1(45%)b) A2(56%)a)B1(42%)d)

11、B4(71%)e)B5(79%)c)B3(60%)2 B組混凝土坍落度45%60%左右時，砂漿占大多數(shù)， 而且容易抹光，保水性能好。骨料在c) A3(70%)照片1 A組混凝土坍落度b)B2(56%) 照片從照片中可以看出，當(dāng)骨料含量在 非常容易插搗，幾乎感覺不出骨料的阻力，26.5mm和19mm兩種。其級配見表 1。編號最大粒徑(mr)i各粒級骨料含量(%2.364.754.759.59.51616191926.526.531.5A26.50152030305B197233035502所示的是A、B兩組混凝土在不同粗集料含量下的混凝土坍落度情況。2.1混凝土拌合物工作性能 照片1和照片表1試

12、驗用兩種粗骨料級配d) A4(75%)e)A5(81%)混凝土粘聚性好，60%75%左右混凝土插搗有較明顯的阻力，粘聚性較好，抹光性也較骨料含量小時差，保水性較好。 當(dāng)骨料含量在75%80%左右時，混凝土的插搗變得十分困難，混凝土流動性很差，粘聚性 也變差，而且砂漿太少，顯得離析，抹光相當(dāng)困難。試驗中發(fā)現(xiàn)，要達(dá)到相同的坍落度當(dāng)粗骨料含量增加時，需要增加減水劑的用量。當(dāng) 骨料含量在70%以上時增加減水劑用量對增大坍落度的作用明顯減弱。當(dāng)粗骨料含量在80%左右坍落度很小，而且減水劑的增加對坍落度幾乎沒有影響。照片3-6分別為最試驗對硬化后的混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓試件進(jìn)行了橫向和豎向的切片觀察。大粒徑26.

13、5mm不同骨料含量豎向切片、 最大粒徑19mm不同骨料含量豎向切片、最大粒徑26.5mm不同骨料含量橫向切片及最大粒徑19mm不同骨料含量橫向切片。從照片中可以看出A1、A2和B1、B2的骨料分布是懸浮于水泥砂漿之中。A3、A4和B3、B4的骨料則比較密實，骨料間的間距較小，形成骨架結(jié)構(gòu)。A5和B5骨料的密度更大，骨料之間幾乎是緊密結(jié)合，砂漿填充于骨料之間。A1(45%)A2(56%)A3(70%)A4(75%)A5(81%)照片3最大粒徑26.5mm不同粗骨料含量豎向切片觀察A1(45%)A2(56%)A3(70%)A4(75%)A5(81%)照片4最大粒徑26.5mm不同粗骨料含量橫向切片

14、觀察B1(42%)B2(56%)B3(60%)B4(71%)B5(79%)照片5最大粒徑19mn不同粗骨料含量豎向切片觀察B1(42%)B2(56%)B3(60%)B4(71%)B5(79%)照片6最大粒徑19mm不同粗骨料含量橫向切片觀察2.2早期開裂性能對不同骨料含量的混凝土采用平板法對混凝土塑性裂縫開展進(jìn)行了試驗。照片7和照片8分別為粗骨料最大粒徑 19mm和26.5mm不同粗骨料體積含量下的裂縫開展情況。A1、A2和B1、B2時，裂縫較少，且多出現(xiàn)在平板邊緣，裂縫寬度較小，分叉少。隨著粗骨料含量的增加，裂縫寬度增大，且出現(xiàn)在平板的中間，有的幾乎貫穿平板，如A4。裂縫分叉也增多。B1(4

15、2%)B2(56%)B3(60%)B4(71%)B5(79%)照片7最大粒徑19mm不同粗骨料含量裂縫觀測A1(45%)A2(56%)A3(70%)A4(75%)A5(81%)照片8最大粒徑26.5mm不同粗骨料含量裂縫觀測隨粗集料充填體積率增加，由于混凝土中砂漿含量減少，泌水量小，在早期表面快速 失水條件下，內(nèi)部水分來不及向表面補充，混凝土產(chǎn)生塑性裂縫的趨勢明顯增大，而且粗 集料表面包裹的砂漿量少，較少的砂漿不能有效分散由于干縮而產(chǎn)生的變形量，同時骨料 對砂漿局部收縮的約束作用明顯，使得砂漿容易開裂，裂縫寬度也較大。但是，由于粗集 料的約束，混凝土的總體干縮變形將隨體積充填率的增加而降低?？?/p>

16、體看來，混凝土的工作性能與粗集料的充填體積率關(guān)系比較密切，粗集料的充填體 積率在60%-75%之間對混凝土的工作性和開裂性能的控制比較合適。3、粗集料級配與空隙率對于占混凝土體積絕大多數(shù)的粗集料而言，良好的級配不僅可以減少離析現(xiàn)象，改善 混凝土拌合物的工作性，而且增加了粗集料之間的嵌鎖能力，有利于提高混凝土的抗壓、 彎拉及抗剪等強(qiáng)度，并且可適當(dāng)減少水泥漿體的用量，減小混凝土的干縮量。對于每一最大公稱粒徑的粗集料而言，混凝土配制過程中粗集料的各個篩孔控制量為 一個范圍。只要在這個范圍內(nèi)，集料級配就是可用的。而實際上，對于級配范圍內(nèi)不同級 配的粗集料而言，其振實容重和空隙率是有區(qū)別的。在現(xiàn)行混凝土

17、配合比設(shè)計中，對于粗 集料只計算其質(zhì)量，而不考慮級配和最大粒徑的影響。圖1是最大粒徑為19mm的粗集料的一組級配曲線，該組級配曲線的振實容重和空隙率見表2。100由表中數(shù)據(jù)可見，不同級配曲線之間振實容重有 的差異:最大公稱粒徑26.舉340.59.5 16160202.3 64.75心世古西卑票人-貝 各粒級骨料含量y_40%單粒級比例/%振實容重(kg/m3)空隙率/%某級配粗集料的振實容重禾3。；24407"大公稱粒徑26.5m m粗集料級配及振實容重和空隙率1630399%)70%一一 75%191926.578%1 80%30振6實容重16篩3)空隙0.0率 39.5I644

18、39.4169937.8%164339.560676.531.5705753。162416301"201302 364 759 5161926 5對比表2和表3孔徑不同最大粒徑的粗集料，近2%-3%的差異大粒徑伽m的篩分曲線由此可見，對于連續(xù)級配而言，最大粒徑和級配對粗集料振實容重和空隙率存在影響。19mm的篩分曲線振實容重有近60-70kg/m$的差異，空隙率有80163439.84、考慮粗集料充填體積率和粗集料級配的混凝土配合比設(shè)計4.1水灰比、用水量和水泥用量根據(jù)現(xiàn)行有關(guān)混凝土配制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)施工配制強(qiáng)度，確定混凝土水灰比(W/C);根據(jù)混凝土工作性，確定用水量(W)；根據(jù)水

19、灰比和用水量，確定水泥用量(C)。4.2粗集料用量kc粗集料在混凝土中的充填體積率可以表示為(1)式中，Vaz為粗集料的振實后的體積，m3； Vc為混凝土體積，m3。粗集料振實后的空隙率以體積表達(dá)式可表示為kiVaiVaz(2)式中，Vai為振實后粗集料的空隙體積,m3； Vaz為粗集料振實后的體積,(3)(4)粗集料體積與混凝土體積之比可以表示為VaVaz -VaiVc Vc單方混凝土中粗集料的用量為ma 二；aVa 二 kc 1 - ki式中，?a為粗集料視密度，kg/m3。4.3細(xì)集料用量混凝土主要由粗集料和水泥砂漿組成，因此mma - mm（5）式中，mm為砂漿質(zhì)量，kg。單方混凝土中

20、砂漿的質(zhì)量mm = Pc - kc（1 一 ki Pa（ 6）式中，c為混凝土密度，kg/m3。圖2和圖3是試驗得到的不同粗集料最大公稱粒徑和粗集料充填體積率與混凝土密度 的對應(yīng)關(guān)系曲線。重容土凝混2500248024602440(2420240023802360234023200.40.60.8粗集料充填體積率新拌3天齡期 一線性（新拌） 一線性（3天齡期）25202500248024602440 重 2420 容 2400土土 2380 混 2360234023203 m g(0.6 0.8粗集料充填體積率.新拌3天齡期線性（新拌）線性（3天齡期）0.4圖2粗集料最大粒徑19mm圖3粗集料

21、最大粒徑26.5mm可以看出，無論粗集料最大粒徑是19mm還是26.5mm，粗集料充填體積率與混凝土密3天齡期混凝土容重。度存在良好的線性關(guān)系。由于存在水分的蒸發(fā)，新拌混凝土容重大于 在混凝土配合比設(shè)計中，一般采用新拌混凝土容重。在試驗中得到的混凝土容重和石灰?guī)r 粗集料充填體積率關(guān)系如下：石灰?guī)r粗集料最大公稱粒徑19mm吐=394.36kc 2176.7，R =0.8361（7）石灰?guī)r粗集料最大公稱粒徑26.5mm2=386.39kc 2187.5，R = 0.9843（ 8）單位體積混凝土中砂的用量為ms 二 mm - mw（ 9）5、混凝土配合比計算實例設(shè)計C40混凝土，混凝土中單方水和水

22、泥用量分別為：175，440kg。5.1普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程（JGJ55-2000 ）設(shè)計方法根據(jù)普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程（JGJ55-2000）中相關(guān)規(guī)定，選擇砂率為35%，假定混凝土容重為2450kg/m3，則可以計算出粗集料和細(xì)集料的用量分別為1193，642kg/m3。5.2本文的設(shè)計方法選擇兩種不同粒徑的石灰?guī)r粗集料：19mm，26.5mm；空隙率分別為 39.4%, 37.8%。石灰?guī)r視密度為2720kg/m。在不同的粗集料充填體積率下，混凝土配合比見表4。表4不同粗集料充填體積率的混凝土配合比及容重和砂率最大粒徑19mm粗集料體積含量（kc）粗集料用量/kg細(xì)集料 用量/kg

23、計算混凝土容重3 /kg/m實測新拌混凝土容重3 /kg/m砂率%0.42744.5782.823422355510.56926.4656.123982356410.60992.6605.724132437380.711174.6467.124572461280.791307.01366.22488248922最大粒徑26.5mm粗集料體積含量kc粗集料用量細(xì)集料用量計算混凝土容重kg/m3實測新拌混凝土容重/kg/m 3砂率%0.45764.1782.323612357510.56950.9638.024042413400.701188.6454.424582449280.751273.5388.824772482230.811375.4310.025002500185.3結(jié)果分析對于不同粗集料充填體積率、 最大粒徑和粗集料級配， 混凝土配合比是有區(qū)別的。 在混 凝土配制強(qiáng)度一定的條件下， 當(dāng)粗集料充填體積率增加時， 粗集料用量增加，而細(xì)集料用量 降低；當(dāng)粗集料級配比較密實、空隙率小時，細(xì)集料用量少。利用本文的混凝土配合比計算方法可以反映粗集料充填體積率、最大粒徑、級配等特征指標(biāo)，計算結(jié)果表明與實測情況比較吻合。按現(xiàn)行混凝土配合比設(shè)計規(guī)范計算的混凝土各成分含量相當(dāng)于按本文配合比計算方法 在粗集料