特别策划 ：混凝土配合比设计时的骨料级配考虑

1、·1·编者按:现今的混凝土配合比设计对骨料级配有两种考虑,一种是砂石分离,石子做连续级配,砂来填充石子的孔隙;另一种是将砂、石级配一体化考虑,而不是孤立地分为两段。在实际操作中,前一种就像标准中说的那样,需要有最优砂率的考虑,而后一种则不存在砂率的问题。那么这两种思路有何区别?如何区分? 哪种思路更合理些?什么时候用哪种更适合?本期特别策划将请专家就相关问题进行探讨。特别策划:混凝土配合比设计时的骨料级配考虑(砂率的影响因素和确定方法混凝土砂率的影响因素和确定方法戴镇潮(武警水电第二总队 退休高级工程师混凝土的砂率是骨料(砂子+石子中所含细骨料砂子的百分率。严格地,砂率应按

2、实体积计,但由于砂子和石子的密度相同或相近,所以也可按重量计。砂率属于混凝土骨料级配的一部分,通常与粗骨料级配分开,各自单独确定。其原因:一是砂率基本上不影响粗骨料级配;二是砂率的影响因素多、对混凝土影响大且准确选定的难度大;三是与粗骨料级配一起更加不易准确选定(如后述的最大密度法。砂率是混凝土成分配合中的重要参数。砂率主要影响混凝土用水量,不影响强度等其它性能。确定用水量最小的砂率是选择混凝土成分配合的重要任务。这样才能获得水泥用量最小、成本最低的混凝土。为了确定砂率,就要了解有关的影响因素和采用有效的方法。1 影响砂率的因素影响砂率的主要因素有:石子(粗骨料的空隙率和比表面积、砂子粗细、水

3、灰比。此外,水泥和掺合料的需水性,外加剂的性能等也有影响。1.1 石子的空隙率和表面积石子的最大粒径越大,级配越好,颗粒越接近圆形,表面越光滑,其空隙率和表面积越小,填充空隙和包裹表面的砂浆体积可越小,相应地砂率可越小。由于石子经级配后的空隙呈缝隙状,特别是级配较好时,这时只要砂浆包裹了石子表面,其空隙也就被填充满了,所以石子的比表面积的影响应是最主要的。不同骨料最大粒径的砂率(大致范围参见表 1。1.2 砂子粗细砂子粗,填入石子中,石子间隙被挤开的程度大,填充的砂浆体积需增大,相应地砂子用量、砂率要增大,石子用量要减小;砂子细,石子被挤开程度小,填充的砂浆体积可减小,相应地砂子用量、砂率要减

4、小,石子用量要增大。示意于图 1。表 1 不同骨料最大粒径的砂率(大致范围骨料最大粒径 (mm204080150砂率 (%3337273120241822注:1、粗骨料为卵石、级配较好,采用碎石约需增加 5%;2、砂子细度模数为 2.5,细度模数±0.1,砂率约需±0.5%;3、水灰比为 0.6,水灰比±0.1,砂率约需±2%3%a、未加砂时b、加入细砂时c、加入粗砂时图 1 粗砂和细砂挤开粗骨料的程度示意图故砂子粗细对混凝土成分配合有相当大的影响。按照设计、选择混凝土成分配合的原则,即在保证质量和施工性能(即水灰比和坍落度不变的前提下,尽量降低或不增加

5、用水量,得到不同细度模数砂子的混凝土成分配合列于表 2。表 2 表明,水灰比 0.6,砂子细度模数在一定范围(2.03.0内时,调整砂子和石子用量,可不改变用水量和水泥用量,而不影响混凝土质量和施工性能(即水灰比不变和坍落度大体相同。砂子细度模数每增减 0.1,砂用量约增减 2%。当细度模数大于 3.0,虽然混凝土的水泥用量稍可减小,但饱水性差,极易离析、泌水,影响施工质量;当细度模数小于 2.0 时,因砂子挤开石子的作用程度降低,填充石子的砂浆体积的减小程度也降低,而其表面积则显著增大,需较多的水泥浆来包裹其表面,否则将不能达到要求的流动度,因此就要增加用水量和水泥用量,这时,砂子细度模数每

6、减小 0.1,用水量和水泥用量约增加 1.2%。根据以上试验结果,当水灰比为 0.6 时,砂子细度模数的适用范围为 2.03.0。当水灰比增大时,则此适用范围将下移;当水灰比减小时,适用范围则上推。具体范围需通过试验来确定。表 2 不同粗细砂子的混凝土成分配合砂子细度模数成分配合 (kg/m3砂率(%坍落度(cm外观水泥砂卵石水520mm2040mm1.622045764897113222.0 6.4和易性好1.821549063795712923.3 6.0和易性好2.021052563094512625.0 5.5和易性好2.221055661892612626.5 6.9和易性好2.42

7、1058860490812628.0 6.8和易性好2.621060959789412629.0 6.5和易性好2.821062958988212630.07.0和易性好3.021065058186912631.07.5有离析、粘性差3.220568256785112332.58.6离析较严重3.420071056384712033.512.0离析严重表 2 中混凝土砂率与砂子细度模数呈较好的线性关系,现将与另一次补充试验的结果一并绘于图 2。 图 2 砂子粗细对混凝土砂率的影响1.3 水灰比混凝土成分配合的规律表明,当水灰比改变,可不改变用水量,若要保持坍落度不变,只需保持砂浆体积和流动度大

8、致不变就可做到。当水灰比增大,水泥用量(水泥用量=用水量/水灰比减小,水泥浆变稀、体积减小,从而使砂浆变稀、体积减小,要保持砂浆体积和流动度大致不变就要增加砂子用量,即增加砂率;当水灰比减小,水泥用量增大,水泥浆变稠、体积增大,从而使砂浆变稠、体积增大,要保持砂浆体积和流动度大致不变就要减小砂子用量,即减小砂率。图 2 已表明,水灰比 0.7 的砂率大于水灰比 0.6 的砂率约3%。现再将几座大坝的混凝土砂子用量与灰水比(水灰比的倒数的关系示于图 3。图 3 新安江、石门、东江大坝混凝土的砂用量与灰水比的关系图3 表明,在常用灰水比2.501.43(水灰比0.40 0.70范围内,砂用量随灰水

9、比增大而减少,且都十分接近直线关系。之所以没有完全呈直线关系,是由于确定混凝土成分配合中存在人为经验因素造成的。1.4 水泥和掺合料的需水性同样的用水量,水泥和掺合料的需水性较小,水泥浆(含掺合料,下同较稀,要保持砂浆流动度就要适当增加砂子用量,即增加砂率;当水泥和掺合料的需水性较大,水泥浆较稠,要保持砂浆流动度就要适当减小砂子用量,即减小砂率。1.5 外加剂的性能掺加引气剂,水泥浆体积将增大,可适当减小砂子用量。掺加减水剂,水泥浆变稀,应视稀化程度适当增加砂子用量,以保持砂浆流动度。1.6 坍落度坍落度增大,混凝土用水量增大,为保持砂浆的饱水性,应稍加大砂子用量。2 砂率的确定方法确定砂率的

10、方法有:经验法、计算法、最大密度法、最大坍落度法和综合法。其中经验法使用较普遍;计算法和最大密度法不适用;最大坍落度法最科学,综合法更合理准确。2.1 经验法迄今为止,仍较普遍地采用经验法确定砂率。就是先确定 1 种砂率(如参考表 1的混凝土成分配合,拌制得少量混凝土,肉眼观察砂浆的流动性和体积是否恰当;再做坍落度灰水比砂用量(kg/m3·2·试验,捣棒插捣混凝土时,若阻力大较困难,即“棍度”较差,说明砂率偏小,插捣很容易,“棍度”好,说明砂率可能偏大;填满后,表面抹平不易,说明砂率偏小,表面很容易抹平,说明砂率可能偏大;提起坍落度筒,混凝土表面不平整、有空隙,说明砂率偏小

11、;用捣棒轻击混凝土,若慢慢坍落,说明砂率恰当也可能偏大,若崩坍,说明砂率偏小。然后凭经验确定新的砂率,计算得新的混凝土成分配合,再拌制得少量混凝土,进行观察、作坍落度试验,判断砂率是否恰当直至获得恰当的砂率。除在做坍落度试验中观察外,也可拌制少量混凝土,装入容积升中,放在振动台上振动,观察振动密实的难易程度,振密后表面砂浆的多寡,来判断砂率是否恰当。由于各人的判断标准不同,经验法确定的砂率因人而异,甚至差异较大。2.2 计算法计算法是按砂子填充石子的空隙得出下式进行计算:P=kag s/(g g+ kag s×100%式中:P砂率,%;a石子空隙率,%;g g石子松堆密度,kg/m3

12、;g s砂子松堆密度,kg/m3;k包裹系数,取 1.01.3,机械振捣、细砂、水灰比小取低值,人工捣实、粗砂、水灰比大取高值。该式看起来理论是正确的,但由于其包裹系数是经验值,计算得的砂率P 也是经验值;而且,在混凝土中砂子和石子不是干的而都是湿的,湿的砂子和石子的堆积密度和干燥状态时不同,特别是砂子的堆积密度比干燥状态显著增大,所以该式是不符合实际的。既然如此,不如直接参考表 1确定一个砂率经验值,省去计算。因此计算法是不适用的。2.3 最大密度法由于认为砂子+石子最大堆积密度(空隙率最小时混凝土用水量最小,这时的砂率是最佳的。于是有的通过测定砂子+石子最小堆积空隙率来确定砂率。图4 是粒

13、径510mm 和 520mm 卵石+不同粗细砂子,不同砂率时的干松堆积空隙率。 图 4 粒径 510mm 和 520mm 卵石+不同粗细砂子,不同砂率时的干松堆积空隙率注:细砂细度模数 2.0,中砂细度模数 2.4,粗砂细度模数 2.8。图4 表明,卵石粒径不同、砂子粗细不同,都没有改变最大密度(空隙率最小时的砂率,都是约 40%。此外,也无法反映水灰比的影响。同样应该指出的,砂子干湿状态不同,堆积密度差异很大,最大密度法只能在干燥状态下进行,与混凝土中的湿润状态完全不同。说明最大密度法也不适合用来确定混凝土的砂率。2.4 最大坍落度法(或最小工作度法由于混凝土在砂率最佳时的用水量最小,则相应

14、地当混凝土用水量不变,砂率最佳时的坍落度最大。于是在初步确定用水量和水泥用量后(最好将坍落度控制在 10cm 左右,以每个相差 1%2%确定 56 个砂率,分别计算得混凝土成分配合,拌制少量混凝土,测定坍落度或工作度,可得如图 5的结果,同时进行有关观察并记录。图5 中坍落度最大处的砂率最佳。砂率增大,砂子表面积增大,砂浆变稠,坍落度减小;砂率减小,虽然砂浆变稀,但体积减小,不能足够包裹石子表面,石子之间不够润滑,也使坍落度减小。但是坍落度最大处的砂率,不是一个值,在一个小范围内都是,所以还要依据测定坍落度时的有关观察记录,最终在这个小范围内确定砂率。工作度则和坍落度相反,工作度最小的砂率为最

15、佳砂率。 图 5 不同砂率混凝土的坍落度和工作度(示意表 3 就是用六种砂率测得的混凝土测定坍落度,确定得砂率为 38%,这时坍落度最大为 5cm。表 3 砂子用量(砂率不同时的混凝土坍落度实测结果(水灰比 0.651序号混凝土成分配合 (kg/m3砂率 (%坍落度(cm水泥砂卵石水124166413341573302241705129315735 3.5324176512321573854241794120315739.535241826117815741 1.562418681135157431最大坍落度法依据坍落度测定结果来确定砂率,是各种方法中最科学的,应提倡采用。但由于坍落度筒尺寸小

16、,只能装下最大骨料粒径 40mm 的混凝土,最大骨料粒径>40mm 的混凝土就无法测定坍落度,也就不能用最大坍落度法确定砂率。这时可拌制少量混凝土,装入容积升桶中,放在振动台上振动,观察振动密实的难易程度,振实后根据表面砂浆的多寡,凭经验来判断砂率是否恰当。2.5 综合法综合法是将最大坍落度法测得的砂率,以有关规律主要是砂率与砂子细度模数的关系、砂率与灰水比的关系加以检验并调整,可很大程度上消除经验因素,使最终所得砂率更加准确。·3·杭美艳(内蒙古科技大学,高工骨料在混凝土中所占体积约为 70%80%,在混凝土中起骨架作用。骨料的搭配对混凝土和易性、强度及耐久性均有较

17、大的影响,因此在混凝土配合比设计时粗细骨料如何搭配具有重要的意义。目前混凝土设计时关于骨料比例的考虑,一种是考虑砂率;一种是砂石级配一体化考虑,不用考虑砂率。我认为在混凝土配合比设计中,在浆体体积足够的情况下可以不用考虑砂率,采用砂石级配一体化来满足配比要求。即在浆体体积充足的情况下,选择较好的集料级配,采用砂石级配一体化可改善混凝土和易性及密实性,从而提高混凝土强度。若浆体体积较少时则需要考虑砂率,因为砂率越大,砂子用量越大,骨料的比表面积越大,有限的浆体无法包裹骨料,可能会造成混凝土和易性较差、强度降低等问题。若考虑砂率时,必须是考虑合理砂率。高国成(威海市威龙建筑安装有限公司,技术经理砂

18、率是普通混凝土设计中要考虑的一个很重要的因素,顾名思义就是砂子用量占砂子和石子用量百分比,即s=m so/(m so+m go ×100%普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准等有关标准把砂子按照细度模数分为粗、中、细、特细四级,按照颗粒级配分为、三个标准区间。配制混凝土时宜优先选用区砂,因为区砂的颗粒级配均匀,填充石子空隙的孔隙率也为最小。当采用区砂,应提高砂子用量,也就是要提高砂率,因为该区砂子偏粗,比表面积相对较小,不足以来填充石子的空隙,为了减小石子的空隙率就要相应地提高砂率并需要足够的水泥浆量来填充砂子空隙。当然要是采用区砂子,宜降低砂子用量。所以说砂率的变动,会影响新拌混凝

19、土中骨料的级配,使骨料的空隙率和总表面积有很大变化,对新拌混凝土的和易性产生显著影响。在水泥浆数量一定时,砂率过大,骨料的总表面积及空隙率都会增大,需较多水泥浆填充和包裹骨料,使起润滑作用的水泥浆减少,新拌混凝土的流动性减小。砂率过小,粗骨料的空隙率显著增加,不能保证在粗骨料之间有足够的砂浆层,也会降低新拌混凝土的流动性,并会严重影响粘聚性和保水性,容易造成离析、流浆等现象。可以说砂率是一个宏观比较粗糙的控制混凝土填充石子孔隙率的指标。砂石级配一体化是对骨料的一种整体考虑,是按一定比例从 0.315mm 到 20mm、25mm、30mm 等再结合实际情况而配制的一种连续级配填充而成的一种孔隙率

20、非常小的混合骨料。不再按照 5mm 以下和以上把骨料分为细骨料和粗骨料,而是根据有关标准规范选择粗细级配填充的材料,这种状态孔隙率小,混凝土的工作性也非常好。这种思路模式从孔隙率和比表面积的角度去看更加合理。从概念上我们不难发现,砂率是考虑砂子和石子的填充效应,但是也同时考虑了砂子、石子的单个级配情况,是一种分解分别考虑的情况;而砂石级配一体化考虑的是级级之间的一种填充关系,是对骨料的一种整体考虑。可以说从分解的角度和整体的角度去合理的安排骨料之间的关系,其实目的只有一个就是填充它们之间的孔隙率,使其配制出的材料更加密实。合理砂率时,在用水量和水泥用量一定的情况下,能使混凝土拌和物获得最大的流动性且能保持良好的粘聚性和保水性。合理砂率随粗骨料种类、最大粒径和级配、砂子的粗细程度和级配,混凝土的水灰比和施工要求的流动性而变化,需要根据实际施工条件,通过试验来选择。合理的砂石级配,孔隙率小,需要的用水量和胶凝材料也少,获得的混凝土拌合物的和易性满足施工的要求,在保持用水量和胶凝材料用量的情况下,可以获得良好的流动性、黏结性和保水性。当然砂石级配一体化的配制思路对骨料的级配要求非常严格,控制难度大,实际操作性差。从当今混凝土的混凝土粗放管理到搅拌站的集中搅拌,只是减少了环境的污染和质量的波动,并没有真正的改善了骨料的级