混凝土配合比设计中粗细骨料用量确定方法的比较.doc

混凝土配合比设计中粗细骨料用量确定方法的比较付 征 , 黄政宇 , 单 波 , 何 文(湖南大学土木工程学院 ,湖南 长沙 410082) 摘 要 本文探讨了混凝土配合比设计中粗细骨料用量确定方法 ,对我国现行规范方法与 ACI 方法进行了比较 ,建议借鉴 ACI 的方法来确定混凝土配合比设计中粗细骨料用量 。 关键词 配合比设计 ; ACI ; 细骨料 ; 粗骨料 中图分类号 TU528101 文献标识码 A 文章编号 1002 - 3550 ( 2004) 02 - 0036 - 04Comparison of the method of select ing theright combinat ion of f ine aggregates and coarse aggregatesHU A N G Zhen g2y u , S HA N B o ,FU Zhen g ,H E W en(Depart ment of Civil Engineering , Hunan U niversity ,Changsa Hunan 410082 ,China)Abstract : The met hod of selecting t he right co mbinatio n of fine aggregates and coarse aggregates in p roportio n of co n2 crete mixes is discussed in t his ariticle. We co mpare t he met hod of our criterio n wit h t he met hod of ACI and p ropose to adop t ACI met hod.Key words : p roportio n of co ncrete mixes ; ACI ; fine aggregates ; coarse aggregates和易性是混凝土拌合物易于施工操作 ( 拌合 、运输 、浇灌 、捣实) ,并能获得质量均匀 、成型密实的性能 。和易性作为新拌 混凝土所具有的性能 ,虽然并不是混凝土一直固有的特性 ,但 却在很大程度上影响着硬化混凝土的性能 。和易性不佳的混 凝土拌合物是不大可能获得要求的强度和耐久性的 。混凝土 具有良好的和易性是生产优质混凝土的前提 。作为混凝土中用量最大的组成成分 ,骨料在混凝土中所占 的体积达 60 % 80 % 。在骨料的诸多性质中 , 骨料的颗粒级 配对于混凝土的品质有着很大的影响 :虽然在水灰比一定的情 况下 ,完全密实的硬化混凝土的强度与骨料的级配是无关的 , 但对于新拌混凝土 ,骨料级配直接影响到其和易性 ,从而影响 到硬化混凝土的强度及耐久性等性质 。因而 ,选取合适的骨料 级配对于新拌混凝土和硬化混凝土均十分重要 。在实际应用中 ,粗骨料 (石子) 与细骨料 (砂) 往往是分别取得 ,从而产生了如何分别确定砂 、石的用量以获得较好的颗粒 级配的问题 。各国在混凝土配合比设计中均把骨料的颗粒级 配作为一个重要方面 ,但具体方法不尽相同 。下面就我国现行 规范和美国混凝土协会 ( ACI) 的混凝土配比设计方法中粗细 骨料的确定方法做一比较 。1混凝土配比设计中关于粗细骨料的确定方法111 我国混凝土配合比设计规范的方法我国用砂率 (砂与粗细骨料的重量比) 这一概念来表征砂 石之间用量的关系 。在配合比设计中 ,先求出单位体积的混凝 土中骨料总重量 ,再用砂率求出砂 、石各自的用量 。砂率的取 值如表 1 。表 1混凝土的砂率( 中砂)卵石最大粒径/ mm碎石最大粒径/ mm水灰比/ ( w/ c)102040162040014015016017263230353338364125312934323735402430283331363439303533383641394429343237354038432732303533383641同时 ,规范指出 :对于细砂和粗砂需相应减小或增大砂率 ;对于一个单粒级粗骨料配制的混凝土 ,砂率应当增大 ; 对于坍 落度不在 10mm60mm 之间的混凝土及掺用外加剂和掺合料 的混凝土 ,其砂率应经试验确定 ;对坍落度等于或大于 100mm 的混凝土砂率 ,应在表 1 的基础上 ,按坍落度每增大 20mm ,砂 率增大 1 %的幅度调整 。112 美国混凝土协会( ACI) 配比设计方法ACI 的混凝土 配 比 设 计 方 法 中 并 未 提 出 砂 率 这 一 概 念 。 其基本思路是通过规定单位体积混凝土中粗骨料所占的体积 (用捣实容重表征) 确定粗骨料的用量 (表 2) ,然后用绝对体积 法求出砂的用量 (其中粗骨料的体积通过表中的捣实体积和捣 实容重及其密度求得) 。2AC I 方法与我国现行规范方法的比较我国规范方法对于砂率的确定 ,主要考虑了如下的因素 :水灰比 、粗骨料最大粒径 、粒形 (区分了卵石和碎石) 、砂的粗细表 2单位体积中混凝土粗集料的体积在下列细度模量时 ,单位体积混凝土中粗骨料在干燥捣实的状态下所占体积骨料最大粒径/ mm2142 . 62 . 83 . 0图 2 砂率随粗骨料捣实容重的变化 (砂细度模数 214)为方便与我国的规范表格作比较 ,我们的讨论均在粗骨料 级配符合规定的范围内进行 ,即对卵石捣实容重 11651185 ,碎石捣实容重 11551175 。由图 1 ,在粗骨料级配符合规定且砂的细度模数不变的情况下 ,砂率约有 67 个百分点的变化 。 若考虑粗骨料级配不好的情况则砂率的变化更大 。由图 2 ,在粗骨料级配符合规定且水灰比不变的情况下 ,砂率约有 67 个百分点的变化 。212 细骨料我国规范将中砂 ( Mx = 213 310) 作为一类确定砂率 , 但 在中砂的细度模数 (213310) 范围内 ,不同细度模数的差别并 未在表中得到体现 。在 ACI 的配比设计方法中 , 则细致考虑了砂的细度模数的影响 。同样重量的砂 ,细度模数较高的砂有着较小的表面积 。因而在同样的水灰比和砂率下 ,较细的砂会 比较粗的砂的和易性差 。显然 ,通过对不同的砂的细度模数规 定不同的砂率是合理的 。按 ACI 的方法 ,在用水量为 179 kg/ m3 、粗骨料最大粒径为20mm 的情况下 ,可整理出如下图 3 。从图中可清楚的看出砂率 随砂的细度模数的增大而增大 ,变化幅度约为 45 个百分点 。9 . 512 . 5190 . 500 . 590 . 660 . 480 . 570 . 640 . 460 . 550 . 620 . 440 . 530 . 60250 . 710 . 690 . 670 . 65380 . 750 . 730 . 710 . 69500 . 780 . 760 . 740 . 72750 . 820 . 800 . 780 . 761500 . 870 . 850 . 830 . 81注 :以上体积 ,是以配制出工作性适于一般钢筋混凝土结构的经验关系为依据的 ,对于工作性较小的混凝土 ,如混凝土路面工程所要求的 粗骨料体积 ,可增加 10 %左右 , 而工作性较大的 , 例 如 用 泵 送 法 浇 注 时 ,可减少 10 % 。(区分了粗砂 、中砂 、细砂) 。其它影响因素 ( 如砂的细度模数 、 用水量) 则以一个取值范围囊括 ; 粗骨料的级配则认为是符合要求 ,级配良好的 。ACI 的方法则是以以下几点为控制因素 : 骨料最大粒径 、 单位体积混凝土中粗骨料在干燥捣实的状态下所占体积 、砂的 细度模数 (区分了粗 、细 、中砂 ; 并对中砂进行了细分) 、粗骨料 的捣实容重 。下面我们从影响砂率的各个方面来加以详细阐述和比较 。211 粗骨料对于粗骨料 ,我国规范考虑了卵石和碎石的区别 ,对于粗 骨料的级配则认为其符合规范要求 ,并指出若为单粒级则砂率应适当增大 。这些规定过于笼统 ,广泛 。事实上 ,砂率取值的大小还与粒形和级配有关 。 粗骨料粒形和级配对砂率的影响最终可归结为一个性质 :空隙率 。无论是粒形 ,还是级配都是因为其对空隙率的影响而间接对砂率产生影响 。把粗骨料的捣实容重与其表观密度相 比较我们就可求得粗骨料的空隙率 ,从而绕开纷繁复杂的种种细节表征出粗骨料的性质对砂率的总的影响 。ACI 方法正是以简单易行的测捣实容重的试验取代了种种复杂而又无法囊 括一切的表格和规定 : 对于粗骨料的各种粒形 ,好抑或不好的级配均能起到指导作用 。按 ACI 的方法 ,在用水量为 179 kg/ m3 、粗骨料最大粒径为20mm 的情况下 ,可整理出砂率随粗骨料捣实容重的变化 ,如 下图 1 、图 2 。由图可见 , 砂率随粗骨料捣实容重的 变 大 而 变 小 。有较好级配和粒形的粗骨料有着较大的捣实容重即较小 的空隙率 ,相应的砂率也较小 ,这显然是合理的 。图 3 砂率随砂细度模数的变化 (水灰比 014)213 水灰比我国规范 把 水 灰 比 作 为 确 定 砂 率 的 一 个 参 量 ( 见 表 1 ) 。 从表 1 可看出 ,随着水灰比增大 ,砂率随之增大 。ACI 的配比 设计方法没有直接把水灰比作为参量 ,但其影响通过绝对体积 法求砂用量而得到了体现 : 在用水量一定 、粗骨料的量一定的 情况下 ,水泥用量的增减 ,即 W/ C 的大小 ,直接决定了砂用量 的多少 。水泥用量增加 , W/ C 减小 ,砂的用量也同时减少 ; 水 泥用量减小 , W/ C 增大 , 砂的用量也同时增加 。按 ACI 的 方法 ,在用水量为 179 k/ m3 ,粗骨料最大粒径为 20mm 的情况下 ,可整 理 出 如 下 图 4 、图 5 。由 图 可 见 , 无 论 是 砂 取 各 种 细 度 模图 4 砂率随水灰比的变化 (粗骨料捣实容重 116)图 1 砂率随粗骨料捣实容重的变化 (水灰比 014)37 忽视 。图 5 砂率随水灰比的变化 (砂细度模数为 214)数 ,还是粗骨料取不同捣实容重 ,砂率随水灰比的增大而增大 的规律是一致而明显的 ,变化幅度约为 5 个百分点 。214 砂石密度差异在实际的混凝土配制中 ,粗骨料和细骨料的密度常常是不 同的 。我国规范将砂率定义为砂重与砂石总重之比 ,是一个重 量比例的概念 。实际上我们为获得较好的混凝土 ,关心的是砂 是否能很好地填充石子中的空隙 ,即我们要控制的是粗细骨料 的体积比例 。当砂石密度相同时 ,控制重量比与控制体积比是 一致的 ,并无不妥 ;但当粗骨料和细骨料的密度不同时 ,控制重 量比与控制体积比之间就存在差异了 。当粗骨料和细骨料的 密度差异较大时 ,规范给出的砂率在很大程度上就失去它的指 导意义 。而 ACI 的方法通过体积法来求得砂的重量 , 就不会出现这样的问题 。我国规范由于砂率这一重量比例概念的存在 ,体积法是无法完全运用的 ,只能称为半体积半重量的方法 。 根据我国砂 、石情况统计9 : 我国石子的表观密度范围为2680 kg/ m3 3150 kg/ m3 ,砂子的表观密度范围为 2050 kg/ m3 2800 kg/ m3 。按 ACI 的方法 ,以用水量为 179 kg/ m3 ,粗骨料为卵石 ,最 大粒 径 为 20mm , 细 度 模 数 为 214 , 水 灰 比 分 别 为 014 、015 、016 、017 的情况为例 ,比较两组极端情况下的砂率差异 : 第一 组的石子表观 密 度 为 3150 k/ m3 , 砂 子 的 表 观 密 度 为 2050 kg/m3 ;第二组的石子表观密度为 2680 kg/ m3 ,砂子的表观密度为2800 kg/ m3 ;两组的粗骨料捣实后的空隙率均为 37 % 。按 ACI 方法计算结果如图 6 。可见砂石密度差异大时 ,砂 率的差异达到了十个百分点 ,相对于我国规范表格中 5 个百分 点的取值范围 ,这个差异是非常大了 。虽然在实际工程中或许 不会遇到这么极端的情况 ,但这足以说明 :砂石密度差异不可图 6 砂率随砂石密度的变化215 各因素的综合影响以上对各个影响因素分别进行了分析 。实际上 ,各因素的 综合影响决定了最后的砂率 。下面 ,根据图 1图 5 ,我们分析 一下粗骨料的捣实容重 、砂的细度模数 、水灰比各因素的综合 影响 。而砂石的密度差异作为一个比较特殊的影响因素 ,在此 不再予以讨论 。由图 1 ,当粗骨料的捣实容重变化 ( 11651185) 与砂的细 度模数的变化同时考虑时 ,在捣实容重 1165 ,砂细度模数 310 时砂 率 取 到 43 % , 而 当 捣 实 容 重 为 1185 , 砂 细 度 模 数 为 214 时 ,砂率取到 31 % ,砂率的变化达到了 12 个百分点 。图 3 也是同样的规律 。由图 2 ,当粗骨料的捣实容重变化 ( 11651185) 与水灰比 的变化同时考虑时 ,在捣实容重 1165 ,水灰比为 017 时砂率取 到 43 % ,而当 捣 实 容 重 为 1185 , 水 灰 比 为 014 时 , 砂 率 取 到31 % ,砂率的变化达到了 12 个百分点 。图 5 也是同样的规律 。 由图 4 ,当砂率与水灰比的变化同时考虑时 ,在砂细度模数为 310 ,水灰比为 017 时砂率取到 50 % ,而当砂细度模数为214 ,水灰比为 014 时 ,砂率取到 40 % ,砂率的变化达到了 10 个 百分点 。图 1 图 5 的 数 值 均 为 某 几 种 特 定 情 况 下 砂 率 的 取 值 。 用 ACI 方法对影响砂率的各个因素取各自常用范围内变化进 行计算 ,结果表明图 1图 5 具有普遍的意义 ,砂率的变化趋 势基本是一致的 。为便于与我国规范方法对比 ,将结果总结如 表 3 。 ( 表 中 计 算 取 砂 的 表 观 密 度 为 2650 k/ m3 , 粗 骨 料 为2700 kg/ m3 ) 。表 3 ACI 的砂率取值卵石最大粒径/ mm ( 捣实容重 11651185)碎石最大粒径/ mm ( 捣实容重 11551175)水灰比/ ( w/ c)102040162040014015016017405743594660476127423046324734482340264228433044324835513852395330473450365137522744304632473347从表中可见 ,除最大粒径为 10mm 的卵石外 ,ACI 方法求得的砂率的下限值与我国的砂率取值是很接近的 ; 但 ACI 的 值域更宽 ,在 15 个百分点左右 ,而我国只有 5 个百分点左右 。本试验的目的是比较当粗骨料的级配在我国规范所允许范围内变化时 ,ACI 方法和我国规范方法的适用性 。 以相同的原材料 ,分别使用我国和美国两种混凝土配合比设计方法 ,配制要求相同的混凝土 。按不同的粗骨料级配 ,配 制三组不同的混凝土 ,分别测量其坍落度和抗压强度 。三组配 比中 ,A 组的粗骨料各单粒级比例的取值处于规范所允许范围 值中部 ,B 组的粗骨料各单粒级比例的取值处于规范所允许范 围值边界 ,C 组的粗骨料各单粒级比例的取值处于规范所允许 范围值之外 。3关于粗细骨料的确定方法的试验比较以上我们通过计算 , 比较了 ACI 和我国规范方法确定砂 率时的差别 ,但究竟何种方法更合理有效 ,还需试验验证 , 为 此 ,进行了如下试验比较 。311 试验 1 :粗骨料级配对砂率影响的比较38 实验结果如表 4 。表 4 ACI 方法与我国方法试验比较 1强度也大大降低 ;而 ACI 方法所配制的混凝土性能比较稳定 ,坍落度变化不大 ,强度也比较稳定 。从试验可见 ,ACI 的方法在粗骨料的级配在我国规范所允 许范围内变化时有更好的适用性 。312 试验 2 :砂率取值范围的比较本试验旨在验证 ACI 砂率取值范围的合理性 。对比表 1 和表 3 ,我国砂率取值范围与 ACI 的取值范围有 着较大的差异 ,主要是最大粒径为 10mm 的卵石及各个粒径下 砂率取值的最大值 。从上文的分析可知 ,在最大粒径一定 、水 灰比一定的情况下 ,当粗骨料的级配曲线位于规范允许范围的边界且砂较粗时 (细度模数 310) 应取到表中最大的砂率 ;粗骨料的级配曲线位于规范允许范围的中部且砂较细 ( 细度模数214) 时 ,应取到表中最小的砂率 。据此对表 1 和表 3 中差别较 大的几个情况比较如表 5 (其中粗骨料均为卵石) 。从表 4 中可以看出 ,从 A 组到 C 组 ,随着粗骨料级配的变差 ,捣实容重是变小的 。随捣实容重的变小 ,ACI 方法所用的 砂率是增大的 ,而 GB 方法采用的砂率是不变的 。从表中可见GB 方法所配制的混凝土随捣实容重的减小 ,坍落度增大 ,和易性急剧恶化 。实际上坍落度增大是由于混凝土崩落而引起的 ,表 5 ACI 方法与我国方法试验比较 210mm , 粘 聚严重对于组 1 的情况 ,取 ACI 和我国的砂率效果均不很理想 ,但当在试验中分别加入了一定量的减水剂 ,两者的坍落度均增 加到 50mm 后 ,ACI 方法配制的混凝土粘聚性相当好 ,而我国 方法 配 制 的 混 凝 土 则 离 析 严 重 。对 于 粗 骨 料 最 大 粒 径 为10mm 的情况 ,我国的砂率明显是偏低了 : 5mm 以下的骨料只 占到骨料总量的 30 %多 ,而 10mm 一个粒级占到 60 %多 ,这显然不合理 ,应加以修正 。比较组 2 ,组 3 ,由表可见 ,当水灰比变 化时 ,ACI 的砂率变化较我国的为小 ,而两者拌制的混凝土和 易性没有大的差别 , ACI 的 砂 率 也 是 适 用 的 。由 组 4 则 可 看 出 ,ACI 的砂率更合理 。容重和砂的细度模数这两个在材料确定后 、试配前可以测得的数据 ,使砂率的确定较为合理 。借鉴 ACI 的思路 ,结合我国实 际 ,采用捣实容重法确定砂率 ,将能更好地指导我国的混凝土 配比设计工作 。 参考文献 12P. 梅泰. 混凝土的结构 、性能与材料. 同济大学出版社 ,1991 .湖南大学 、天津大学 、同济大学 、东南大学合编. 土木工程材料. 中国 建筑工业出版社 ,2002 .美国内务部垦务局. 混凝土手册. 水利电力出版社 ,1990 .悉尼. 明德斯 、J . 弗郎西斯 ,混凝土. 李立权. 混凝土手册. 建筑工业出版社. 饶勃. 实用混凝土手册. 上海交通大学.34564结论综上所述 ,相对于 ACI 的方法 ,我国现行规范对许多个因 素的考虑不够周到 ,也较为模糊 。在表 1 中给出的只是一个取 值范围 ,而在这个范围内 ,砂率随粗骨料的级配和粒形 、砂的细 度模数 、砂石的密度差异如何变化均末明确定量给出 ,在实践 中必然会带来大量的试配工作 ,对试验人员的经验要求很高 , 对快速 、有效地得出符合要求的混凝