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集料对混凝土工作性能的影响之连续级配
admin在2020-11-16发布 频道:行业资讯 标签:
     
摘要:混凝土是指胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称(即:以水泥为主要胶凝材料,与集料和水,必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料,按适当比例配合,经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造石材)。集料在混凝土中具有重要的作用,胶凝材料与细集料合成砂浆体填充粗集料孔隙形成的密实结构,集料构成了混凝土中的强度骨架,集料的材质、强度、颗粒级配、最大粒径、含泥量、砂率、针片状、量化关系等都会对混凝土工作性能产生不同程度的影响。本文从集料的颗粒级配方面分析对混凝土工作性能产生的影响。

0 前言
  集料在混凝土中具有重要作用,传统理念认为混凝土工作性能的好坏主要取决于胶凝材料和胶凝材料与减水剂相容性,而忽略了集料对混凝土工作性能的影响。集料对混凝土工作性能的影响没有引起行业砼仁的足够重视。当前国内胶凝材料和减水剂自身性能有着显著提高(如水泥比表面积提高、高性能掺合料、减水剂的高保坍等),各项技术改进和技术更新频繁提出与验证,反之国内天然集料资源日益匮乏几近枯竭,各种替代天然集料涌现出来(机制砂、再生集料)。如何正确选用和使用天然、非天然集料,保证混凝土工作性能,使之在混凝土组分中发挥应有的作用已逐渐突显。本文指在探索集料的连续级配如何影响混凝土的工作性能及如何正确使用以改善混凝土的工作性能。
  混凝土是一种生产工艺简单,材料组成复杂非匀质的复合材料。混凝土中集料体积达到75%左右,其中粗集料比例达到45%左右,所以集料本身诸多性能在很大程度上影响到混凝土的工作性能,混凝土中集料相互嵌接形成骨架是混凝土稳定的最好结构体。大量试验研究表明集料本身诸多性能(如材质强度、颗粒级配、形状、含泥/泥块/石粉量等)均影响了混凝土内部结构的致密性、稳定性和工作性能。

1 连续级配的目的
  连续级配是指集料中大中小不同的颗粒相互搭配的比例情况。使集料间所产生的空隙尽可能降低,单位体积内空隙达到合理状态,提升集料的致密性,从而满足混凝土结构稳定,在减少胶凝材料的同时提高混凝土的强度和工作性能。
1.1 颗粒级配的理论
1.1.1、最大密度理论:接近于[富勒曲线],孔隙率最小、密度最大为最优级配。
1.1.2、表面积理论:集料表面积越小,用来包裹其表面的胶凝材料用量越少为最优级配。
1.1.3、粒子干涉理论(填充量化关系):上一级集料的间距恰好等于下一级集料的粒径,下一级集料填充其间不发生“干涉”的级配为最优级配。
根据以上三种级配理论得出的最优级配,是从事混凝土技术工作同仁宜遵循的法则,在实际工作中要科学合理地调整集料级配的连续性,使集料在混凝土中达到最佳状态。
1.2 颗粒级配状态分析及对混凝土工作性能的影响
1.2.1、粗集料的颗粒级配
  (1)大粒径颗粒状态分析
表一:粗集料筛分析数据[2]
筛孔直径 筛余量(g) 分计筛余量(%) 累计筛余量(%)
37.5 0 0.0 0
31.5 120 1.9 2
26.5 820 13.0 15
19.0 2280 36.2 51
16.0 920 14.6 66
9.50 1780 28.3 94
4.75 370 5.9 100
2.36 8 0.1 100
 \ 

图1:粗集料筛分析曲线图 
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图2:粗集料筛分析示意图

  通过图1、图2可以直观看到所检测粗集料为非连续颗粒级配。大粒径颗粒过多,其中19.0和9.5两部分累计筛余量均超出合理上限状态。

  混凝土中如粗集料中大粒径集料过多,将减小单位体积混凝土中粗集料的比表面积,使砂浆和粗集料的界面粘结性能降低,导致混凝土结构的致密性和稳定性下降,也降低了混凝土的耐久性能。大粒径颗粒过多的粗集料会造成混凝土难于泵送和振捣成型,且浇筑和运输过程中易产生离析,从而影响到混凝土的抗渗和抗裂性能。在填充量化关系[3]中,大粒径颗粒的过多,则造成空隙提高,填充物(砂浆体)增加,因而也增加混凝土成本。
  (2)小粒径颗粒状态分析
表二:粗集料筛分析数据[2]
筛孔直径 筛余量(g) 分计筛余量(%) 累计筛余量(%)
37.5 0 0.0 0
31.5 0 0.0 0
26.5 217 3.4 3
19.0 573 9.1 13
16.0 2607 41.4 54
9.50 1671 26.5 80
4.75 1002 15.9 96
2.36 229 3.6 100
 \
图3:粗集料筛分析曲线图
\
图4:粗集料筛分析示意图
     
  通过图3、图4可以直观看到所检测粗集料为非连续颗粒级配。小粒径颗粒过多,其中19.0部分累计筛余量已超出合理下限状态。
  混凝土中如粗集料小粒径颗粒过多,增加了单位体积混凝土中粗集料的比表面积,也增加了砂浆和粗集料的界面面积使混凝土受力更加均匀,可提高混凝土强度。在填充量化关系中,小粒径颗粒的过多,则降低空隙提高致密性,填充物(砂浆体)可形成填充过剩,且会影响到混凝土的和易性。
  (3)连续粒径颗粒状态分析
表三:粗集料筛分析数据[2]
筛孔直径 筛余量(g) 分计筛余量(%) 累计筛余量(%)
37.5 0 0.0 0
31.5 186 3.0 3
26.5 721 11.4 14
19.0 1077 17.1 31
16.0 1621 25.7 57
9.50 1790 28.4 86
4.75 831 13.2 99
2.36 73 1.2 100
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 图5:粗集料筛分析曲线图
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图6:粗集料筛分析示意图

  通过图5、图6可以直观看到所检测粗集料为连续颗粒级配状态。
  混凝土中如粗集料具有良好的连续级配,可降低单位体积混凝土的胶凝材料用量和用水量,制得和易性好的混凝土,也降低混凝土的离析、泌水现象的发生,得到结构致密均匀、稳定密实的混凝土,可在提高混凝土强度的同时也增加了混凝土的抗渗和抗裂性能。
  在填充量化关系中连续颗粒级配粗集料的空隙和比表面积达到合理状态,可使填充物(砂浆体)充分填充到粗集料中,提高了砂浆和粗集料界面粘结性,从而满足了混凝土工作性能的要求。

2 细集料的颗粒级配
  混凝土中对细集料细度模数的关注度远远大于对细集料颗粒级配的关注度,以至于忽略了细集料的颗粒级配对混凝土的工作性能的影响。细度模数是无法反映颗粒级配的真实情况,而决定细集料品质的内在因素是颗粒级配。相同细度模数的细集料,颗粒级配可能存在连续级配和间断级配。
  细集料是否是连续级配,将很大程度上影响到混凝土的工作性能,泵送性能、施工难易程度等。细集料在混凝土中主要是和胶凝材料形成砂浆体来填充和包裹粗集料。砂浆体主要决定了混凝土流变性能的屈服应力和塑性粘度(宾汉姆体模型),也就是说砂浆的流变性能对混凝土的工作性能具有影响。在混凝土中配合比不变、材料相同(除细集料外)的情况下,砂浆体中细集料的颗粒级配状态如何,将直接影响着砂浆体的流变性能。
表四:细集料筛分析数据[2]
筛孔直径 筛余量(g) 分计筛余 (%) 累计筛余量(%) 筛余量(g) 分计筛余量(%) 累计筛余量(%) 平均累计筛余量(%)
4.75 4 0.8 0.8 10 2.0 2.0 1
2.36 32 6.4 7.2 36 7.2 9.2 8
1.18 70 14.0 21.2 71 14.2 23.4 22
0.600 210 42.0 63.2 205 41.0 64.4 64
0.300 129 25.8 89.0 118 23.6 88.0 89
0.150 49 9.8 98.8 48 9.6 97.6 98
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图7:细集料筛分析曲线图
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图8:细集料筛分析示意图
  通过图7、图8可以直观看到所检测细集料为中砂Ⅱ区连续颗粒级配状态。
混凝土中如细集料具有良好的连续级配,细集料和胶凝材料形成砂浆体的流变性能较好,同时也降低了胶凝材料用量。反之,采用间断级配的细集料可造成混凝土出现离析、泌水、集料堆积、和易性差等问题。
  填充量化关系中连续颗粒级配细集料和胶凝材料形成的砂浆体可充分填充到粗集料空隙、很好地包裹粗集料表面,提高混凝土的致密性,也满足了混凝土工作性能的要求。

3 粗、细集料的混合颗粒级配
表五:粗、细集料筛分析混合数据[2]
筛孔直径(㎜) 石累计筛余量(%) 砂平均分计筛余量(%) 砂石累计筛余量(%)
31.5 3   3
26.5 14 14
19.0 31 31
16.0 57 57
9.50 86 86
4.75 99 1.4 100
2.36 100 6.8 107
1.18   14.1 121
0.600 41.5 162
0.300 24.7 187
0.150 9.7 197
 \
   图9:粗、细集料筛分析混合曲线图
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图10:粗、细集料筛分析示意图
  表五、图9、图10分别由表三、四、图5、6、图7、8通过全集料筛分析法合成,通过图9、图10可以直观看到所检测粗、细集料颗粒级配状态。

4 结论
  笔者经过多年试验、研究积累,结合混凝土材料间填充量化理论。提出全集料筛分析法进行混凝土中集料的选用和多粒径级配使混凝土中粗、细集料颗粒达到最佳连续级配(越接近图9中间实线越佳)。最佳连续级配状态可形成对抗外力的网络结构且颗粒间能产生“滚珠”效应,让混凝土具有优良的工作性能;也可达到最致密性,不仅在增加混凝土强度同时也降低胶凝材料用量,对混凝土的抗渗、抗裂性能有显著提高。混凝土集料颗粒不可能为理想的圆形,所以在最佳连续级配状态下,可让所有集料颗粒间能灵活自如、连接紧密,才能满足混凝土工作性能。
参考文献:
[1] Stock,A.F.,Hannant,D.J, and Williams,R.I.T. The effect of aggregate concentration upon the strength and modulus of elasticity of concrete,Magazine of Concrete Research[J]
[2] 多年试验、研究积累的试验数据摘选
[3] 混凝土材料间填充的量化研究  赖瑞星
作者:张本强 赵志强 
信息来源:混凝土第一视频网

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