考虑粗集料充填体积率与级配的混凝土标准配合比设计方法

考虑粗集料充填体积率与级配混凝土配合比设计方法赵尚传1,4杨永顺2梁奎基31交通部公路科学研究院;2山东省交通厅公路局;3山东省公路建设集团有限企业;4道路结构与材料交通行业关键试验室（北京）摘要:分析了粗集料充填体积率对混凝土拌合物工作性、混凝土强度和耐久性能影响,提出粗集料充填体积率在60%-75%之间对混凝土工作性和开裂性能控制比较适宜;分析了级配对粗集料振实容重和空隙率影响,试验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明最大公称粒径19mm石灰岩粗集料,振实容重有20kg/m3差异,空隙率有0.7%差异;分析了连续级配粗集料最大粒径对振实容重和空隙率影响,最大公称粒径19mm和26.5mm之间,振实容重有60-70kg/m3差异,空隙率有2%-3%差异;对石灰岩粗集料配制混凝土密度与粗集料充填体积率相关性进行了试验研究,相关性好,拟合得到最大公称粒径19mm、26.5mm石灰岩粗集料配制混凝土密度与粗集料充填体积率之间相关性为0.83-0.98;基于现有混凝土配合比设计理论,提出考虑粗集料充填体积率、级配等特征指标混凝土配合比计算方法,实例分析表明利用该方法计算结果与实测情况非常吻合。关键词:公路工程设计方法混凝土性能粗集料级配充填体积率配合比MixtureDesignMethodofConcreteBasedonVolumeRatioandGradationofCoarseAggregateZHAO-Shangchuan1、4,YANG-Yongshun2,LIANG-Kuiji31ResearchInstituteofHighway,MinistryofCommunications,PRC2ShandongHighwayAdministrationBureau,ShandongProvince3ShandongHighwayEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd4KeyLaboratoryofRoadstructuresandMaterialsMinistryofCommunications,PRCABSTRACT:Concreteworkingperformance,strengthanddurabilityaretestedindifferentcoarseaggregatevolumeratio,whichshowsthatitisappropriateforconcreteworkingandcrackingperformancewhencoarseaggregatevolumeratioiscontrolledbetween60percentand75percent.Influenceontapdensityandvoidratioisanalyzedforcoarseaggregategradation,whichshowsthatthereexist20kg/m3differenceintapdensityand0.7percentdifferenceinvoidratioforlimecoarseaggregatewhosemaximumparticlesizeis19mm.Influenceontapdensityandvoidratioisanalyzedalsoforcoarseaggregatemaximumparticlesize,whichshowsthatthereexist60-70kg/m3varianceintapdensityand2%-3%variancebetween19mmand26.5mm.Testsarecarriedouttogainthecorrelationbetweenconcretedensityandcoarseaggregatevolumeratioforlimerock,whichshowsthatcoefficientsofcorrelationisin0.83-0.98whencoarseaggregatemaximumparticlesizeis19mmand26.5mm.MixtureDesignMethodofConcreteisputforthbasedonvolumeratioandgradationofcoarseaggregate.Exampleshowsthatcalculatingresultbythisdesignmethodisveryconcordancetoactualmeasurement.KEYWORDS:Highwayengineering;designmethod;concreteperformance;coarseaggregategradation;volumeRatio;concretemixture1、引言混凝土是有水泥、拌合水、粗集料、细集料为基础成份混合物。以往对混凝土配合比设计方法很多,在混凝土配合比设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 中归结为密度法和体积法。这两种方法不一样之处于于密度法为假定混凝土理论密度,而体积法则假定混凝土体积为全部组合成份之体积之和。二者理论基础基础相同,即都是在依据混凝土设计强度等级基础上,确定混凝土水灰比、依据工作性确定用水量,然后确定水泥用量。至于粗集料和细集料含量,经过前述假定,在经验基础上选择一个砂率,进行计算。这种方法经过多年使用,证实基础是可行。不过,也存在部分缺点:（1）没有考虑混凝土中粗集料充填体积率。因为混凝土关键以粗集料为主体骨架,粗集料充填体积率对于混凝土工作性能、力学性能和抗开裂性能均存在关键影响。（2）没有考虑粗集料最大粒径和级配对于混凝土密实性影响。在计算混凝土粗集料用量时,只计算其质量,没有考虑粗集料最大粒径和级配范围影响。（3）几乎不能依据混凝土使用环境条件和使用要求来设计混凝土配合比。本文经过对混凝土中粗集料充填体积率和空隙率试验研究,在现有配合比设计理论基础上,提出了改善混凝土配合比设计方法。2、粗集料充填体积率与混凝土性能试验设计强度等级C40。水泥砂浆中水、水泥、细集料百分比为:175:440:670。水泥为42.5R一般硅酸盐水泥。减水剂为奈系高效减水剂。细集料细度模数为2.6河砂。经过调整粗集料和水泥砂浆百分比而达成控制粗骨料含量目。选择粗骨料分最大粒径为26.5mm和19mm两种。其级配见表1。表1试验用两种粗骨料级配编号最大粒径（mm）各粒级骨料含量（%）2.36~4.754.75~9.59.5~1616~1919~26.526.5~31.5A26.50152030305B197233035502.1混凝土拌合物工作性能照片1和照片2所表示是A、B两组混凝土在不一样粗集料含量下混凝土坍落度情况。a)A1(45%)b)A2(56%)c)A3(70%)d)A4(75%)e)A5(81%)照片1A组混凝土坍落度a)B1(42%)b)B2(56%)c)B3(60%)d)B4(71%)e)B5(79%)照片2B组混凝土坍落度从照片中能够看出,当骨料含量在45%~60%左右时,砂浆占大多数,混凝土粘聚性好,非常轻易插捣,几乎感觉不出骨料阻力,而且轻易抹光,保水性能好。骨料在60%~75%左右混凝土插捣有较显著阻力,粘聚性很好,抹光性也较骨料含量小时差,保水性很好。当骨料含量在75%~80%左右时,混凝土插捣变得十分困难,混凝土流动性很差,粘聚性也变差,而且砂浆太少,显得离析,抹光相当困难。试验中发觉,要达成相同坍落度当粗骨料含量增加时,需要增加减水剂用量。当骨料含量在70%以上时增加减水剂用量对增大坍落度作用显著减弱。当粗骨料含量在80%左右坍落度很小,而且减水剂增加对坍落度几乎没有影响。试验对硬化后混凝土标准抗压试件进行了横向和竖向切片观察。照片3-6分别为最大粒径26.5mm不一样骨料含量竖向切片、最大粒径19mm不一样骨料含量竖向切片、最大粒径26.5mm不一样骨料含量横向切片及最大粒径19mm不一样骨料含量横向切片。从照片中能够看出A1、A2和B1、B2骨料分布是悬浮于水泥砂浆之中。A3、A4和B3、B4骨料则比较密实,骨料间间距较小,形成骨架结构。A5和B5骨料密度更大,骨料之间几乎是紧密结合,砂浆填充于骨料之间。A1(45%)A2(56%)A3(70%)A4(75%)A5(81%)照片3最大粒径26.5mm不一样粗骨料含量竖向切片观察A1(45%)A2(56%)A3(70%)A4(75%)A5(81%)照片4最大粒径26.5mm不一样粗骨料含量横向切片观察B1(42%)B2(56%)B3(60%)B4(71%)B5(79%)照片5最大粒径19mm不一样粗骨料含量竖向切片观察B1(42%)B2(56%)B3(60%)B4(71%)B5(79%)照片6最大粒径19mm不一样粗骨料含量横向切片观察2.2早期开裂性能对不一样骨料含量混凝土采取平板法对混凝土塑性裂缝开展进行了试验。照片7和照片8分别为粗骨料最大粒径19mm和26.5mm不一样粗骨料体积含量下裂缝开展情况。A1、A2和B1、B2时,裂缝较少,且多出现在平板边缘,裂缝宽度较小,分叉少。伴随粗骨料含量增加,裂缝宽度增大,且出现在平板中间,有几乎贯穿平板,如A4。裂缝分叉也增多。B1(42%)B2(56%)B3(60%)B4(71%)B5(79%)照片7最大粒径19mm不一样粗骨料含量裂缝观察A1(45%)A2(56%)A3(70%)A4(75%)A5(81%)照片8最大粒径26.5mm不一样粗骨料含量裂缝观察随粗集料充填体积率增加,因为混凝土中砂浆含量降低,泌水量小,在早期表面快速失水条件下,内部水分来不及向表面补充,混凝土产生塑性裂缝趋势显著增大,而且粗集料表面包裹砂浆量少,较少砂浆不能有效分散因为干缩而产生变形量,同时骨料对砂浆局部收缩约束作用显著,使得砂浆轻易开裂,裂缝宽度也较大。不过,因为粗集料约束,混凝土总体干缩变形将随体积充填率增加而降低。总体看来,混凝土工作性能与粗集料充填体积率关系比较亲密,粗集料充填体积率在60%-75%之间对混凝土工作性和开裂性能控制比较适宜。3、粗集料级配与空隙率对于占混凝土体积绝大多数粗集料而言,良好级配不仅能够降低离析现象,改善混凝土拌合物工作性,而且增加了粗集料之间嵌锁能力,有利于提升混凝土抗压、弯拉及抗剪等强度,而且可合适降低水泥浆体用量,减小混凝土干缩量。对于每一最大公称粒径粗集料而言,混凝土配制过程中粗集料各个筛孔控制量为一个范围。只要在这个范围内,集料级配就是可用。而实际上,对于级配范围内不一样级配粗集料而言,其振实容重和空隙率是有区分。在现行混凝土配合比设计中,对于粗集料只计算其质量,而不考虑级配和最大粒径影响。图1是最大粒径为19mm粗集料一组级配曲线,该组级配曲线振实容重和空隙率见表2。表2最大粒径19mm粗集料振实容重和空隙率单粒级百分比/%振实容重(kg/m3)空隙率/%40162440.150163039.960163040.067164239.570164439.475164339.578164339.480163439.8图1最大粒径19mm筛分曲线由表中数据可见,不一样级配曲线之间振实容重有20kg/m3差异,空隙率有0.7%左右差异。最大公称粒径26.5mm某级配粗集料振实容重和空隙率见表3。表3最大公称粒径26.5mm粗集料级配及振实容重和空隙率各粒级骨料含量（%）振实容重（kg/m3）空隙率%2.36~4.754.75~9.59.5~1616~1919~26.526.5~31.50152030305169937.8%对比表2和表3,不一样最大粒径粗集料,振实容重有近60-70kg/m3差异,空隙率有近2%-3%差异。由此可见,对于连续级配而言,最大粒径和级配对粗集料振实容重和空隙率存在影响。4、考虑粗集料充填体积率和粗集料级配混凝土配合比设计4.1水灰比、用水量和水泥用量依据现行相关混凝土配制技术标准,依据施工配制强度,确定混凝土水灰比（W/C）;依据混凝土工作性,确定用水量（W）;依据水灰比和用水量,确定水泥用量（C）。4.2粗集料用量粗集料在混凝土中充填体积率能够表示为（1）式中,为粗集料振实后体积,m3;为混凝土体积,m3。粗集料振实后空隙率以体积表示式可表示为（2）式中,为振实后粗集料空隙体积,m3;为粗集料振实后体积,m3。粗集料体积与混凝土体积之比能够表示为（3）单方混凝土中粗集料用量为（4）式中,为粗集料视密度,kg/m3。4.3细集料用量混凝土关键由粗集料和水泥砂浆组成,所以（5）式中,为砂浆质量,kg。单方混凝土中砂浆质量（6）式中,为混凝土密度,kg/m3。图2和图3是试验得到不一样粗集料最大公称粒径和粗集料充填体积率与混凝土密度对应关系曲线。图2粗集料最大粒径19mm图3粗集料最大粒径26.5mm能够看出,不管粗集料最大粒径是19mm还是26.5mm,粗集料充填体积率与混凝土密度存在良好线性关系。因为存在水分蒸发,新拌混凝土容重大于3天龄期混凝土容重。在混凝土配合比设计中,通常采取新拌混凝土容重。在试验中得到混凝土容重和石灰岩粗集料充填体积率关系以下:石灰岩粗集料最大公称粒径19mm,（7）石灰岩粗集料最大公称粒径26.5mm,（8）单位体积混凝土中砂用量为（9）5、混凝土配合比计算实例设计C40混凝土,混凝土中单方水和水泥用量分别为:175,440kg。5.1《一般混凝土配合比设计规程》（JGJ55-）设计方法依据《一般混凝土配合比设计规程》（JGJ55-）中相关要求,选择砂率为35%,假定混凝土容重为2450kg/m3,则能够计算出粗集料和细集料用量分别为1193,642kg/m3。5.2本文设计方法选择两种不一样粒径石灰岩粗集料:19mm,26.5mm;空隙率分别为39.4%,37.8%。石灰岩视密度为2720kg/m3。在不一样粗集料充填体积率下,混凝土配合比见表4。表4不一样粗集料充填体积率混凝土配合比及容重和砂率最大粒径19mm粗集料体积含量（kc）粗集料用量/kg细集料用量/kg计算混凝土容重/kg/m3实测新拌混凝土容重/kg/m3砂率%0.42744.5782.823422355510.56926.4656.123982356410.60992.6605.724132437380.711174.6467.124572461280.791307.0366.22488248922最大粒径26.5mm粗集料体积含量kc粗集料用量细集料用量计算混凝土容重kg/m3实测新拌混凝土容重/kg/m3砂率%0.45764.1782.323612357510.56950.9638.024042413400.701188.6454.424582449280.751273.5388.824772482230.811375.4310.025002500185.3结果分析对于不一样粗集料充填体积率、最大粒径和粗集料级配,混凝土配合比是有区分。在混凝土配制强度一定条件下,当粗集料充填体积率增加时,粗集料用量增加,而细集料用量降低;当粗集料级配比较密实、空隙率小时,细集料用量少。利用本文混凝土配合比计算方法能够反应粗集料充填体积率、最大粒径、级配等特征指标,计算结果表明与实测情况比较吻合。按现行混凝土配合比设计规范计算混凝土各成份含量相当于按本文配合比计算方法在粗集料充填体积率70%左右时计算混凝土各成份含量。6、结论（1）混凝土工作性能与粗集料充填体积率关系比较亲密,粗集料充填体积率在55%-75%之间对混凝土工作性和开裂性能控制比较适宜。（2）对于连续级配而言,最大粒径和级配对粗集料振实容重和空隙率存在影响。最大公称粒径19mm石灰岩粗集料,振实容重有20kg/m3差异,空隙率有0.7%差异;最大公称粒径19mm和26.5mm之间,振实容重有60-70kg/m3差异,空隙率有2%-3%差异。（3）石灰岩粗集料配制混凝土密度与粗集料充填体积率含有显著线性关系,随粗集料充填体积率增加混凝土密度增大。依据试验结果提出了最大公称粒径19mm、26.5mm石灰岩粗集料配制混凝土密度与粗集料充填体积率之间相关关系。（4）基于现有混凝土配合比设计理论,提出了考虑粗集料充填体积率、最大粒径、级配等特征指标混凝土配合比计算方法,实例分析表明利用该方法计算结果与实测情况非常吻合。关键参考文件[1]吴沙和.粗集料级配对一般混凝土耐久性影响.商品混凝土.,(1):32-35.[2]王雨利,管学茂,潘启东等.粗骨料颗粒级配对混凝土强度影响.焦作工学院学报(自然科学版),,23(3):213-215.[3]S.S.Jamkar,C.B.K.Rao.IndexofAggregateParticleShapeandTextureofcoarseaggregateasaparameterforconcretemixproportioning.cementandconcreteresearch,,34(12):2021-2027.[4]刘国华,陈斌,曹学有.粗骨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