基于骨料三级配的C 20混凝土工作性优化

时间：2024-09-30

连亚明，徐仁崇，桂苗苗

（1. 厦门天润锦龙建材有限公司，福建厦门 361027；2. 厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，福建厦门 361004）

0 前言

现代混凝土施工中大多采用泵送混凝土，在施工现场泵送混凝土流动性的好坏直接决定着混凝土产品使用的好坏，影响着客户满意度。中、高强混凝土胶凝材料用量，其工作性易通过掺加粉煤灰或矿粉以及复配高效减水剂进行改善[1]。而对于普通低强泵送混凝土，其胶凝材料用量较低，混凝土流动性易受影响波动较大。在保证不增加成本的基础上，低强混凝土可从优化骨料级配的方向进行混凝土工作性能优化[2]。

富勒最大密度理论认为粗骨料的级配能够决定骨料的堆积状态，影响骨料的空隙率，当骨料的空隙率最小，堆积密度最大时，骨料的颗粒级配最优。在确定骨料的最佳堆积状态时，通过优化粗骨料的颗粒级配，能够在保证胶凝材料不变的情况下，改善混凝土拌合物的工作性能[3]。

目前预拌混凝土常用的石子为 16～31.5mm 粒径石子、5～20mm 粒径石子、5～10mm 粒径石子，为因地制宜、更贴切实际生产。本文采用该 3 种常用石子进行级配优化，探讨不同粒径石子掺量对低强混凝土工作性能的影响程度，并优化 C20 混凝土的工作性。

1 试验

1.1 设计软件

Design Expert 是一款专注于试验设计和分析的软件，可以设计出高效试验方案，并对试验数据进行专业分析，给出全面、可视的模型及优化结果。Design Expert 提供了 4 大类的试验设计方法，因子设计、响应面设计、混料设计和综合设计。本文拟采用响应面设计法优化进行试验研究。

响应面设计分析法是将体系的响应作为一个或多个因素的函数，采用线性多项式来近似隐式极限状态方程，通过试验设计来确定线性多项式的待定系数，通过迭代来保证线性响应面的失效概率，同时运用图形技术将这种函数关系显示出来。利用响应面法拟合的回归方程模型和绘制的响应曲面，可分析各试验因素交互作用的响应值，并在此基础上拟合响应值以优化试验因素条件[4]。

1.2 原材料

（1）水泥：P·O42.5，初凝时间 172min，终凝时间236min，28d 抗压强度 53.6MPa。

（2）粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，细度 14.8%，需水量比 100%，烧失量 1.31% 。

（3）矿粉：S95 级矿渣粉，比表面积 430m2/kg，流动度比 100%。

（4）粗骨料：碎石，性能指标见表 1。

表1 粗骨料性能指标

（5）细骨料：天然砂，细度模数 2.7，含泥量0.8%。

（6）减水剂：聚羧酸减水剂，减水率 16.5%。

1.3 试验方法

混凝土拌合物性能依据现行国家标准 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》的规定进行测试；混凝土抗压强度依据现行国家标准GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定进行测试。

1.4 试验设计

参考现行国家标准 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行 C20 混凝土配合比设计，结合生产实际，用水量为 176kg/m3，水胶比为 0.6，粉煤灰掺量为 10%，矿粉掺量为 14%，砂率为 0.46，设计基础配合比见表 2，试验设计及结果见表 3。

表3 实验设计及结果

2 试验分析

2.1 粗骨料对混凝土工作性影响程度分析

用 Design-Expert 软件以 16～31.5mm 石子掺量（A）、5～20mm 石子掺量（B）、5～10mm 石子掺量（C）3 种因素为自变量，以骨料紧密空隙率、混凝土工作性为响应结果，对上述试验结果进行分析，得到各因素权重，见表 4、5。

使用 Design-Expert 软件对试验数据进行回归拟合，骨料紧密孔隙率 Y、混凝土工作性 L 与自变量 A、B、C 的回归方程可表达为：

Y=40.60A+40.84B+41.58C-10.33AB-2.51AC-4.28BC-59.04ABC

L=124.73A+79.25B+29.30C+287.96AB-15.83AC-8.68BC+2096.67ABC

“Prob＞F”越小，表明模型与实际结果越接近，当“Prob＞F”小于 0.1 时，模型是可取的。由表 4 和表 5 可知，模型的拟合效果显著。

由表 4 可知，A 与 C 的协同作用对骨料紧密孔隙率的影响最大，根据“均方”和“Prob＞F”分析，对骨料紧密孔隙率影响程度由强到弱的因素为 C＞A＞B。

由表 5 可知，B 与 C 的协同作用对混凝土工作性的影响最大，根据“均方”和“Prob＞F”分析，对混凝土工作性影响程度由强到弱的因素为 C＞B＞A。

表4 骨料紧密空隙率模型方差分析

表5 混凝土工作性模型方差分析

2.2 混凝土工作性拟合优化分析

利用软件的分析功能，得到粗骨料体系对混凝土工作性的响应图，见图 1 和图 2。

图1 骨料体系对混凝土坍落度作用响应图

比较分析图 1 和图 2 的等高线，骨料体系对混凝土坍落度与紧密空隙率作用相应图具有一定的相似性和重叠性，即当骨料体系的紧密空隙率较低时，混凝土的坍落度较大，与大量的试验研究结果相一致。混凝土中骨料紧密空隙率越低，其颗粒级配越紧密，包裹骨料的浆体量越少，在水灰比相同的前提下，其富余浆体量越多，工作性越好。

图2 骨料体系对紧密空隙率作用响应图

由坍落度响应模型优化粗骨料体系，经优化得：当 A:B:C 为 0.437:0.386:0.177 时，混凝土坍落度最优。根据软件拟合的试验结果，选用比例参数分别为 0.437:0.386:0.177；0.333:0.333:0.333 和0.300:0.300:0.400 的石子设计配合比，进行验证试验，见表 6。

由表 6 可知，不同石子比例下混凝土坍落度的验证值与拟合值较为契合，且当 A:B:C 为 0.437:0.386:0.177时，混凝土工作性较为良好，因此采用本试验方法拟合的试验结果较为准确。当 A:B:C 接近 0.437:0.386:0.177时，C20 混凝土工作性为最佳。

表6 验证试验结果