膠凝材料用量概述

膠凝材料用量 cementitious material consumption

每立方米混凝土中水泥和摻合料質量的總和。

混凝土的膠凝材料用量(mc+mp)、水泥用量(mc)和摻和料用量(mp)按下式計算:

`m_c`+`m_p` = `m_w`/[w/(c+p)]

`m_c` = (1―`P_m`) (`m_c`+`m_p`)

`m_p` = `P_m` (`m_c`+`m_p`)

式中:

`m_c` - 每立方米混凝土水泥用量，kg;

`m_p` - 每立方米混凝土摻和料用量，kg;

`m_w` - 每立方米混凝土用水量，kg;

`P_m` - 摻和料摻量，kg;

w/(c+p) - 水膠比。

隨著建筑工程的蓬勃發(fā)展，混凝土的應用越來越廣泛。然而面對激烈的市場競爭，混凝土生產(chǎn)廠家迫切需要通過各種技術手段降低企業(yè)生產(chǎn)成本才能適應市場的發(fā)展。在混凝土拌合物中，水泥漿體填充砂、石空隙，并包裹砂、石表面起潤滑作用，使混凝土獲得施工時必要的和易性，而砂、石骨料在混凝土中起著骨架作用［1，4］。為此，優(yōu)化粗細骨料級配使粗細顆粒配合得當，細骨料填充粗骨料空隙，水泥漿填充細骨料空隙，可實現(xiàn)在一定程度上減少空隙率并達到降低膠凝材料用量的目的。

然而，級配優(yōu)化理論所建立的理想模型與實際應用存在很大差別。在實際生產(chǎn)過程中，幾乎所有砂石都是直接使用，并未經(jīng)過任何級配優(yōu)化處理，天然骨料堆積形成的空隙往往空隙率較大，如圖1(a)所示，仍然具有較大的空間可降低，而骨料級配優(yōu)化后的堆積空隙率則可得到明顯的降低，如圖1(b)所示，這對于生產(chǎn)企業(yè)來講預示著粗細骨料級配優(yōu)化存在巨大的經(jīng)濟效應［2－3，5］。鑒于此，本文通過優(yōu)化粗細骨料級配并將級配優(yōu)化前后的粗細骨料應用在混凝土中，以對比骨料級配優(yōu)化對單方混凝土膠凝材料用量的降低作用，然后結合實例進行驗算，為企業(yè)合理使用粗細骨料和降低生產(chǎn)成本提供重要的參考依據(jù)。

1試驗

1.1主要原材料

1.1.1水泥

本試驗采用廣東塔牌集團生產(chǎn)的P·Ⅱ42.5Ｒ水泥，其基本物理性能如表1所示。

1.1.2細骨料

天然河砂，屬于級配Ⅱ區(qū)，細度模數(shù)為2.60～2.80，表觀密度為2670kg/m3，含泥量為0.8%，0.315mm以下細砂含量為8.12%。

1.1.3粗骨料

共有3種不同尺寸的碎石，均屬花崗巖碎石，5～31.5mm碎石和5～25mm碎石連續(xù)級配，基本物理指標如表2所示。

1.1.4其它原材料

1)礦渣粉：S95礦渣粉，為廣東韶鋼嘉羊新型建材有限公司生產(chǎn)，表觀密度為2.80g/cm3，28d活性指數(shù)為98%；

2)粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，為廣州恒達資源綜合利用有限公司黃電粉煤灰加工廠生產(chǎn)，表觀密度為2.38g/cm3，28d活性系數(shù)為70%，需水量比為95%，燒失量為7.15%；

3)減水劑：使用深圳五山萘系減水劑，固含量為30%，pH=6.3，密度=1.10g/cm3，減水率為20%。

1.2試驗方法

1.2.1粗細骨料樣品制備

不同空隙率的細骨料主要通過控制0.315mm以下細砂含量進行調整，細骨料細度模數(shù)應控制在Ⅱ區(qū)中砂范圍內；不同空隙率的粗骨料主要通過5～10mm石和5～31.5mm碎石或5～25mm碎石按比例攪拌均勻后進行測定，根據(jù)工程應用要求，直卸混凝土主要使用5～31.5mm碎石，泵送混凝土主要使用5～25mm碎石。

2試驗結果與分析

2.1骨料級配優(yōu)化

2.1.1細骨料最低空隙率

本試驗中使用0.315mm以下細砂含量控制砂的空隙率，主要基于以下2點考慮：(1)《混凝土泵送施工技術規(guī)范》(JGJ/T10)中指明細骨料宜采用中砂，通過0.315mm篩孔的砂，不應少于15%；(2)工程實踐經(jīng)驗通常以控制0.315mm以下細砂含量為指標，以改善混凝土的粘聚性和增加混凝土的密實性。

由圖2可知，隨著0.315mm以下細砂含量的不斷增大，從8.12%逐漸增大到31.0%時，細骨料松散堆積和緊密堆積的空隙率均先逐漸降低后逐漸升高。從試驗數(shù)據(jù)可知，其在17.84%時空隙率達到最低，分別是41.44%和35.18%。從圖2中松散堆積對應的空隙率來看，0.315mm以下細砂含量在20.20%和22.00%時空隙率也相對較低，分別為41.48%和41.47%，其對應的0.315mm以下細砂含量均可作為工程參考指標。

綜上所述，0.315mm以下細砂含量為17.84%、20.20%和22.00%同樣可作為實際工程應用中的參考指標。然而，由于0.315mm以下細砂含量的增大往往也會直接增大了砂的含泥量，同時砂的總比表面積也會增大，從而導致其需水量增大，增加了減水劑的摻量。因此，為了滿足工程要求的同時找出相對較低的空隙率，可將0.315mm以下細砂含量控制在17.84%左右為宜，而在實際工程應用中，泵送混凝土要求0.315mm以下細砂含量必須大于15%，因此17.84%左右的控制指標符合工程實際要求。

2.1.2粗骨料最低空隙率

由圖3(a)可知，隨著5～10mm石含量不斷增大，5～10mm石與5～31.5mm碎石組成的混合碎石堆積空隙率先降低后升高，當5～10mm石含量為10%時松散堆積和緊密堆積的空隙率均達到最低，分別為47.48%和42.69%。因此，通過試驗結果表明，對于直卸混凝土，為了控制碎石空隙率使其達到最低，實際工程應用以90%的5～31.5mm碎石摻10%的5～10mm石為宜。

由圖3(b)可知，隨著5～10mm石含量不斷增大，5～10mm石與5～25mm碎石組成的混合碎石堆積空隙率先降低后升高，當5～10mm石含量為10%時松散堆積和緊密堆積的空隙率均達到最低，分別為47.36%和42.50%。因此，通過試驗結果表明，對于泵送混凝土，為了控制碎石空隙率使其達到最低，實際工程應用以90%的5～20碎石摻10%的5～10mm石為宜。

2.2混凝土配合比試驗

混凝土骨料級配優(yōu)化前后所使用的骨料類型如表3所示。2種混凝土數(shù)據(jù)對比前提條件為：(1)同一強度等級下的2種混凝土(級配優(yōu)化前和級配優(yōu)化后)水膠比保持一致，砂率不變，碎石總用量相同，且坍落度相差均在10mm以內；(2)膠凝材料中，水泥與粉煤灰固定比例為7∶3；(3)混凝土粘聚性均良好，無明顯泌水離析現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.2.1直卸混凝土

由表4可知，對于C20直卸混凝土來講，在混凝土坍落度、坍落擴展度和28d抗壓強度相近的情況下，使用級配優(yōu)化后的河砂和碎石進行配合比試驗其每m3混凝土中膠凝材料用量相比級配優(yōu)化前的降低了15kg/m3。究其原因，級配優(yōu)化后的河砂和碎石堆積更加密實，空隙率得到一定程度的降低，從而導致需要填充在砂石空隙間的漿體用量減少，膠凝材料用量因此也得到節(jié)省。同樣，從C25、C30配合比試驗數(shù)據(jù)同時可以看出，使用級配優(yōu)化后的河砂和碎石進行混凝土配合比試驗，其相比較級配優(yōu)化前每m3混凝土中膠凝材料用量均降低了10kg/m3。因此，從直卸混凝土配合比試驗結果可知，通過優(yōu)化河砂和碎石級配，在確?；炷凉ぷ餍阅芎土W性能的前提下，每m3混凝土中的膠凝材料用量可得到一定程度的降低，而這對于降低企業(yè)生產(chǎn)成本或提高混凝土的性能具有重要的指導作用。

2.2.2泵送混凝土

由表5可知，對于不同標號的泵送混凝土來講，摻入級配優(yōu)化前后的粗細骨料的混凝土坍落度、坍落擴展度和28d抗壓強度均較為相近。其中，摻入級配優(yōu)化后的粗細骨料的C20和C25泵送混凝土中每m3膠凝材料用量相比級配優(yōu)化前的均降低15kg/m3，C30則降低10kg/m3。其降低幅度與直卸混凝土較為一致。從表5試驗數(shù)據(jù)同樣可以說明，摻入級配優(yōu)化前后的粗細骨料的混凝土工作性能和力學性能較為相近，而粗細骨料級配優(yōu)化則可以在一定程度上降低混凝土中膠凝材料用量。