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确定配合比中砂石用量的新方法

目前,通常确定砂率的方法方法主要有以下几种方法:

1)堆积确定

2)计算确定

3)经验确定


工程技术人员在长期试验、应用的过程中逐渐积累一定的经验,而砂率的确定方法也以经验为主。人们认可这样一个现象:砂率的确定是依据经验或半定量的,大小随混凝土强度等级的增加而降低。

但是,无论人们采用哪一种方法确定砂率,都要面对同样的问题:我们在确定砂率时最初以哪一个混凝土强度等级为标准呢?人们在长期的实验中,对于如何确定砂率积累了一定的经验,但是对于毫无经验的初学者来说,如何确定砂率将是一个困难的问题。如今,我们面临另外一个问题:过去的砂率确定方法是否适用于骨料多样化以及混凝土大流态化的今天。以往人们在设计塑性混凝土配合比采用优质河砂时,砂率具有一定的适用性。如今,天然优质骨料逐渐减少,机制骨料越来越多应用在混凝土中。大多是天然、机制砂混合使用,砂含石率严重超标,有的已经超过35%,过去的砂率方法已经不再适用。


那么,是否有一种新的砂石确定方法,既可以满足工作性,又能适应骨料的变化,同时有利于初学者掌握?

 01 - 方法的提出 

根据大量的工程经验总结、实验室试验表明,现代普通预拌混凝土配合比设计中石子体积随着混凝土强度等级变化不大,且随着混凝土强度等级提高而增加。另外,由于混凝土中石子体积变化范围不大,所以我们可以假设混凝土中石子体积在很小的范围内变化,浆体体积与砂子体积呈此消彼长状态。

现代预拌混凝土用原材料中,石子堆积标准规定混凝土用石子表观密度大于1300kg/m 3 ,而普通混凝土配合比设计中石子用量一般不超过1200kg/m 3 。所以,现代混凝土中,每立方米混凝土中石子的用量在自然堆积状态下体积小于1m 3 。根据以上总结,我们推出,现代普通预拌混凝土中,石子呈悬浮状态,如图1 。

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那么,在混凝土配合比计算过程中,首先根据胶凝材料用量与水胶比计算浆体体积,然后根据混凝土强度等级与石子空隙率选择石子体积,最后根据绝对体积法求得砂子体积。至此,混凝土初步配合比确定。根据大量实验总结,本论文给出混凝土配合比设计中石子体积选择表,见表1。本表以优质天然骨料为基础,针对不同种类骨料时,根据注解部分进行调整。

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注:

1、同一强度等级混凝土中石子体积选择方法:石子随石子空隙率减小而增加;

2、在使用机制骨料时,体积可在此基础上降低0.01m 3 ;使用天然卵石时,粒径超过40mm时,体积在此基础上降低0.01m 3 ;

3、使用天然砂,如果天然砂含石量超过10%时,含石10%~20%时,等体积从石子中减去砂中含石超过10%的部分,同时将砂增加等石子体积部分。20%以上时,将砂中含石10%以上部分的一半从石子中等体积减去,同时在砂中等体积增加石子中减少的部分。

清华大学廉慧珍教授曾提出“石子松堆空隙率越小,砂石比可越小 ”,也就是说混凝土配合比中,在浆体体积确定后,石子的用量与其空隙率呈反比。即与本表注解部分第一条规定殊途同归。

 02 - 实验与结果分析

2.1 机制骨料混凝土配合比设计

2.1.1 原材料及设计步骤

水泥:金隅P.O 42.5;粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰;矿粉:S95级;砂:机制砂,Ⅱ区中砂,细度模数Mx=2.8,表观密度2650kg/m 3 ;石:碎石,紧密堆积空隙率为38.2%,表观密度2680kg/m 3 ,减水剂:萘系减水剂,减水率15%。

本组实验以机制骨料为主,混凝土设计强度等级选取C20、C30、C40、C50四个等级,水胶比依次为0.48、0.45、0.38、0.32,胶凝材料用量分别为350kg、370kg、423kg、473kg,具体掺合料掺量见表2。

确定浆体体积之后,根据混凝土强度等级、石子空隙率与种类选取石子体积,计算石子质量,最后根据绝对体积法计算砂体积及质量。

以C30为例:按表1选取石子体积,因本实验材料所用骨料为机制骨料,故选取石子体积时在表1的基础上降低0.01m 3 ,C30选取石子体积为0.375m 3 ,最终计算石子质量:

C30石子质量:0.375m 3 ×2680kg/m 3 =1005kg

根据绝对体积法计算砂体积及质量,砂体积按式1计算:

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根据式1计算砂体积为0.312m 3 ,砂质量为:

0.312m 3 ×2650kg/m 3 =827kg。

外加剂掺量按胶凝材料质量的2.0%掺加,最终掺量按工作性调整。

至此,混凝土初步配合比确定,具体配合比、工作性、强度见表2,图2、图3。其中C20、C40、C50等级混凝土石子体积为0.368m 3 、0.380m 3 、0.395m 3 

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2.2 天然骨料混凝土配合比设计

2.2.1 原材料及设计步骤

水泥:新疆头屯河水泥P.O 42.5、P.C 32.5R,粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰;砂:天然河砂,Ⅱ区中砂,Mx=2.9,表观密度2655kg/m 3 。石:天然卵石,5mm~20mm:空隙率36.6%。20mm~40mm:空隙率40%;20mm~40mm与5mm~20mm粒径石子按6:4混合后空隙率:39%,表观密度2700kg/m 3 。减水剂:聚羧酸减水剂,减水率21%。

本组实验以天然骨料为主,混凝土设计强度等级选取C25、C35、C45、C55四个等级,水胶比依次为0.48、0.41、0.35、0.30,胶凝材料用量分别为350kg、398kg、448kg、498kg,具体掺合料掺量见表3。

确定浆体体积之后,根据混凝土强度等级、石子空隙率与种类选取石子体积,计算石子质量,最后根据绝对体积法计算砂体积及质量,以C35为例。

按表1选取石子体积,因本实验材料所用骨料为天然卵石,且粒径超过40mm,故选取石子体积时在表1的基础上降低0.01m 3 ,C35选取石子体积为0.378m 3 ,最终计算石子质量:

0.378m 3 ×2700kg/m 3 =1020kg

根据绝对体积法计算砂体积及质量,按式1计算砂体积为0.315m 3 ,砂质量为:0.315m 3 ×2655kg/m 3 =837kg,外加剂掺量按胶凝材料的0.85%掺,最终掺量按工作性调整。

至此,混凝土初步配合比确定,具体配合比、工作性、强度见表3,图4、5。其中C25、C45等级混凝土石子体积最终为0.370m 3 、0.385m 3 。C55等级混凝土用石子粒径为5mm~20mm,故体积不需要调整,取0.400m 3 。

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2.3 生产验证

2.3.1 原材料与试验步骤

在大量实验的基础上,本方法原材料、结构部位进行工程实际验证。

原材料:水泥:P.O 42.5、P.C 32.5R,粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰;砂:天然河砂,Mx=3.4,Ⅰ区粗砂,含泥量3.1%,含石量28%,表观密度2655kg/m 3 。石:天然卵石,5mm~20mm:空隙率36.6%。20mm~40mm:空隙率40%,针片状含量5%,超40mm石子5%。减水剂:减水率21%。调整石子体积:

由于本次试验所用天然砂含石量超过10%,故需要在按表1确定砂石用量基础上对砂石用量进行调整。砂中包含的石子部分粒径为5mm~10mm,故仅需调整5mm~20mm粒径石子,按表1规定,从中减去砂中含石超过10%以上的一半体积。以C30为例,首先确定水胶比为0.48,胶凝材料用量为350kg,具体掺合料掺量见表6。确定浆体体积后,根据表1选择石子体积为,具体步骤如下:

1)初步确定砂石用量:

根据表1选取石子体积为0.370m 3 ,质量1000g;其中5mm~20mm粒径石子400g,20mm~40mm粒径600g,浆体体积为0.301m 3 。

按式1计算砂体积为0.319m 3 ,砂质量为:

0.319m 3×2655kg/m 3 =848kg。

2)调整石子体积:

从5mm~20mm粒径石子中减去砂含石超过10%以上的一半部分。因为砂含石量为28%,超过10%的部分为18%,从石子中减去18%的一半,同时在砂中等体积增加石子中减少的部分。

小石子最终用量为:

400-[(848×9%)/2655]×2700=314kg

砂最终用量为:

848+[(400-314)/2700]×2655=932kg

最终砂石用量为:

砂:932kg,5mm~20mm粒径

石子:314kg,20mm~40mm粒径石子600kg,调整前后骨料变化见表4、图5。

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表5中砂与5mm~20mm粒径石子调整以等体积调整为原则,20mm~40mm粒径石子无变化。其余等级混凝土砂石调整步骤与C25等级混凝土相同,此处无需再详解。最终混凝土配合比见表6。

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2.4 结果分析

从三组试验结果分析,本次试验的主要目的是验证新方法的适用性,从不同种类的骨料出发,针对不同骨料情况进行试验分析。

第一组试验中使用的骨料均为机制骨料,根据表1选择石子体积时进行适当调整的原因为,由于机制骨料的表面特征对于混凝土新拌合物的工作性有不利的影响,故在选择石子体积时,相对于天然骨料降低0.01m 3 ,等体积提高砂体积有利于其工作性。第二组试验用骨料为天然骨料,其中石子的粒径超过40mm,调整石子体积的主要原因同样为对混凝土新拌合物工作性的影响。第三组试验主要针对细度模数较大或含石量较高的粗砂,调整方法为降低石子体积,增加砂浆体积,调整过程中,胶凝材料体积不变,即传统调整砂率的方法。

另外,按本方法进行混凝土配合比设计时,确定石子体积后,根据和新拌合物工作性砂浆包裹石子情况进行调整,如果包裹情况良好,无石子明显裸露现象时,工作性根据减水剂调整。有石子明显裸露现象时,调整石子体积。在针对不同骨料情况时,本方法提出不同的调整方法,试验结果及生产验证结果证明本方法简单易懂、容易操作。

 03 - 结论

(1)本文提出的确定砂石用量的方法,针对不同原材的应用及调整符合实际。

(2)本方法思路简单明确,可操作性强,给工作人员提供给一种新的思路,工程中具有应用前景。

(3)本方法解决了以往工作人员选择砂率时的误区,同时解决了确定砂率的不能准确定量的问题。

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