基于CMP模型的人工砂混凝土級配優化研究

潘 婧

(江蘇聯合職業技術學院南京分院，江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著天然砂存儲量的減少，人工砂作為細骨料得到了普遍應用[1-2]。目前工地上使用的人工砂很難統一標準，存在較多問題[3]，其中就有人工砂級配雜亂。JGJ/T 241—2011《人工砂混凝土應用技術規程》中參照天然砂細骨料級配，對人工砂顆粒級配做出了大致的區間規定，其中0.6～1.18mm間的顆粒偏多，整體細度模數偏大。相比于球狀體的天然砂，人工砂屬于棱角粒型，比表面積較大，細顆粒偏多會導致流動性較差，混凝土澆筑中需水量變大，易產生收縮裂縫，直接導致混凝土內部結構不致密，孔隙率變大，耐久性能變差等一系列后果，且人工砂混凝土硬化過程中水化反應過程及產物與天然砂不同。若僅將天然砂替換為人工砂進行配制勢必會影響混凝土性質，因此，找到適合人工砂特性的骨料級配是很有必要的。

顆粒堆積是一種模擬固體顆粒堆積體系中堆積密度、孔隙率等參數的方法，可以優化混凝土內骨料堆積狀態，改善混凝土內部致密度，從而減少有害空隙，提高混凝土性能。在過去70年里，一些典型的數學堆積模型被開發出來[4-9]，比如：Furnas方程、Andreasen方程、Dinger-Funk方程等，但這些公式大多都是建立在球形顆粒，材料均勻的理想情況下，而人工砂骨料顆粒直徑較大、材料不均勻、粒型為不規則棱狀體，基于以上理想公式求出的堆積密度誤差較大。De Earrard[10]、聶晶[11]在以上模型的基礎上提出一種CMP(Concrete Mixture Proportioning)顆粒堆積模型，該模型引入壓實指數和剩余堆積密度(不同的材料根據其自身特性都有各自不同的剩余堆積密度)，有效解決了非球形堆積顆粒產生的堆積密度誤差，考慮了不同的堆積方式、不同顆粒材質對堆積密度產生的影響?；谝陨戏治?，本文將運用CMP模型對人工砂骨料級配進行調整，得出最優級配，并研究級配的優化對水泥基材料性能的影響。

1 人工砂優化級配推導

1.1 細骨料級配推導

CMP模型較其他堆積模型優勢在于引入剩余堆積密度和壓實指數。剩余堆積密度是材料本身特有性質，壓實指數則為不同堆積方式的體現，兩參數的引入更加準確、真實地模擬顆粒堆積狀態。為了深入研究多顆粒堆積問題，本文還引入Appolonian模型。Appolonian模型[12]是一種基于上述原理簡化過的模型，能提供一種直接的方法計算連續顆?；旌系淖顑灱壟?。根據CMP模型和Appolonian連續顆粒堆積模型推導出本文所用細骨料的最佳級配，見表1。

表1 各粒徑區間骨料的特性參數

1.2 混凝土骨料級配推導

混凝土的骨料可將其看成粗、細骨料兩大種。采用CMP模型中二元骨料堆積模型進行計算，其中細骨料用表1中計算得到的級配，粗骨料直徑5～20mm，見表2。

表2 骨料參數

運用MATLAB按照CMP模型中二元顆粒堆積計算方法編程計算得到粗細骨料混摻堆積密度，如圖1所示。

圖1 粗細骨料混摻堆積密度

由圖1可知，兩骨料對應的最大堆積密度情況下，粗骨料占總體積的72%。因此，由CMP計算的混凝土骨料分布為粗骨料∶細骨料=2.57∶1。

2 試驗

2.1 試驗材料

水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料為二級配玄武巖碎石，5～20mm；細骨料為5mm以下的玄武巖砂。用砂石標準篩將細骨料根據已算得的最優粒徑范圍篩分為6個區間，如圖2所示。

圖2 砂子粒型

常規人工砂級配的選用參考JGJ/T 241—2011規范和實際工地所用，見表3。

表3 兩種細骨料級配

兩種砂級配分布如圖3所示，驗測得優化級配砂堆積密度為0.806，超過常規砂堆積密度為0.756的6.6%，說明根據CMP模型算得的級配連續性和堆積性都是較好的。

圖3 兩種細骨料級配區間圖

2.2 砂漿配比

砂漿性能對比試驗分為不加減水劑和加減水劑兩組，每組采用3種水灰比，控制骨料所占體積是相同的，細骨料的級配按照計算結果配制，見表4。

表4 砂漿配比

2.3 混凝土配比

混凝土配比設計控制V漿/V骨=0.35不變，細骨料按照計算結果配制，見表5。

表5 混凝土配比

2.4 試驗方法

參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行砂漿、混凝土的宏觀力學性能。參照ASTM C642—97 《硬化混凝土的比重、吸收性及孔隙率的試驗方法》中真空飽水測定混凝土孔隙率方法測量混凝土電滲處理后的空隙率分布特征。使用快速氯離子滲透法測試混凝土滲透性，采用掃描電鏡探究水泥基材料微觀結構。

3 結果與分析

3.1 拌合物工作性能

按照GB/T 50080—2002《普通濕凝土拌合物性能試驗方法標準》測得新拌砂漿流動性，試驗結果如圖4所示。由圖4可知，在相同配比下，優化級配砂漿流動性明顯大于常規級配砂漿，且差異隨水灰比的減小更加明顯。

圖4 砂漿流動性試驗

新拌混凝土塌落度試驗結果如圖5所示。由圖5可知，相同配比下，優化級配混凝土坍落度大于常規級配。在0.4～0.45的水灰比下，坍落度提高20%～30%。

圖5 混凝土坍落度試驗

綜上所述，水泥基材料中的水泥漿體有三大作用。首先，以一定的漿體厚度包裹骨料，厚度與骨料直徑成正比；其次，填充骨料堆積形成的空隙，取決于堆積密度的大??；最后，剩余的漿體提供新拌材料的流動性，如圖6所示。優化級配骨料最大程度上形成較小顆粒，逐級嵌在較大顆?？障吨g，骨料堆積密度大，孔隙率??；優化級配粗顆粒較多，比表面積小，所需用來包裹骨料表面的漿體就少；水泥漿體體積相同的情況下，在減去填充骨料堆積空隙以及包裹在骨料比表面積的漿體體積后，優化級配就會有更多的剩余漿體來充當潤滑劑，使砂漿流動，從而增大流動性。

圖6 砂漿內部漿骨示意圖

3.2 宏觀力學性能

3.2.1砂漿力學性能

砂漿抗壓強度結果如圖7所示。由圖7可見，優化級配砂漿試塊強度要比常規級配砂漿高，未加減水劑的砂漿強度平均提高6.8%，加減水劑的砂漿強度平均提高10.05%；水灰比越小，強度提高幅度越大。

圖7 砂漿圓柱體抗壓強度試驗

兩種不同級配砂漿抗折強度試驗結果如圖8所示。由圖8可知，優化級配砂漿抗折強度明顯比常規級配砂漿大；抗折強度隨著水灰比減小而增大，且水灰比越小，兩者差異越明顯。

圖8 砂漿抗折強度試驗

通過應變片的應變和強度試驗，采集應力處理得到砂漿的應力-應變曲線計算彈性模量，結果如圖9所示。

圖9 砂漿彈性模量

3.2.2混凝土力學性能

混凝土抗壓強度試驗結果如圖10所示。由圖10可知，相同條件下，優化級配混凝土強度高于常規級配混凝土，強度提高6%左右。

圖10 混凝土抗壓強度試驗

對混凝土試塊做氯離子電通量試驗，結果如圖11所示。由圖11可知，優化級配混凝土的孔隙率及氯離子電通量均小于常規級配混凝土。

圖11 氯離子電通量試驗試驗

3.2.3力學性能機理分析

從骨料堆積角度解釋，優化級配砂漿工作性能好，拌合充分。骨料級配的連續和大小顆粒之間良好的嵌合使得整個骨架結構緊密，澆出的砂漿內部微觀結構致密，有害孔減少，抗壓強度提高。從界面過渡區角度來解釋，界面過渡區的水泥水化較其他部分水泥水化具有密度小、強度低、彈性模量低和滲透性高等特點，通常將其看成是混凝土中的“薄弱環節”，裂縫由此產生。首先，優化級配的比表面積較小，減少界面過渡區的薄弱面，減少產生內部缺陷的可能性。其次，砂漿-骨料間的粘結強度以機械咬合作用為主，該力隨骨料表面粗糙度增大而增大。在優化級配中，粗顆粒占比多、棱角多、接觸點多，骨料與硬化漿體的咬合度高、強度大。所以，優化級配砂漿、混凝土強度高于常規級配。

優化級配砂漿彈性模量大于常規級配砂漿。已有研究表明，水泥基材料的彈性模量與骨料、水泥漿體和界面過渡區有關，提出三相復合球模型來預測水泥基材料彈模[13]，圖12所示。從宏觀上來看，優化級配砂漿內部骨料嵌合度好、整體性高、骨架結構致密，因此，彈模會高于常規級配砂漿。從機理上分析，兩種砂漿骨料來源一致，漿骨比一致，因此，骨料的性質特征相同。唯一不同的是骨料的級配，骨料比表面積不同。有研究發現，界面過渡區彈性模量對水泥基材料整體的彈性模量影響還是較大的[14]。結果表明：在相同集料體積率下，集料比表面積的減小會提高混凝土的彈性模量。而彈性模量與強度是成正比的，優化級配比表面積比常規級配小，此結果也從側面論證了優化級配砂漿強度高于常規級配砂漿。

圖12 三相復合球模型

3.3 微觀分析

3.3.1孔隙率

兩種不同級配砂漿孔隙率試驗結果如圖13所示。由圖13可見，優化級配砂漿孔隙率明顯比普通級配砂漿小，且水灰比越小，這種差異越明顯。

圖13 砂漿孔隙率試驗

兩種不同級配混凝土孔隙率試驗結果如圖14所示。由圖14可見，優化級配混凝土孔隙率明顯比普通級配混凝土小。

圖14 混凝土孔隙率試驗

綜上所述，影響孔隙率的因素有很多，骨料級配是其中之一[15]。優化砂漿工作性優于常規砂漿，含氣量小，從源頭上減少有害孔隙率的帶入。良好的工作性易于拌合，充分的拌合可以減少水泥的絮凝成團，隨著水泥水化的深入，減少水化空隙的產生。且兩種砂漿之間的孔隙率差異隨著水灰比減小而增大。

3.3.2微觀形貌

制取砂漿試樣進行微觀試驗，在電鏡下主要尋找骨料與漿體界面處的粘結狀態，如圖15所示。觀察分析對比可知，常規級配砂漿過渡區存在明顯的裂縫，優化級配砂漿界面過渡區明顯比常規級配界面過渡區致密。

圖15 砂漿骨漿界面過渡區

3.4 優化級配意義

從強度試驗結果來看，優化級配確實能提高強度性能，但提高幅度不大，在5%～10%范圍內。從工作性能試驗結果來看，優化級配能顯著改善工作性，平均提高27%。從工作性角度分析，同一流動，優化級配則可以減小用水量，水灰比的減小對強度提高效果顯著，且不摻任何外加劑，如圖16—17所示。因此，從節約成本角度來看，優化級配砂漿或混凝土可以作為一種改良的、經濟的、環保的材料推廣。

圖16 砂漿立方體抗壓強度、流動度試驗

圖17 混凝土抗壓強度、塌落度試驗

骨料級配對砂漿或者混凝土的強度性能貢獻在高強砂漿或高強混凝土的配制中體現的更加明顯。常規砂漿中，骨料所起的角色不大，膠凝材料承擔大部分力的傳遞。在高強砂漿或混凝土中，水灰比小且骨料所占體積大，骨料起到很大的角色[16]，優化級配的作用體現出來，強度提高的顯著。

4 結論

(1)找到一種適合人工砂級配優化的顆粒堆積模型——CMP模型。該模型引入剩余堆積密度及壓實指數，更能真實準確地模擬不同顆粒的堆積狀態。

(2)優化級配對水泥基材料工作性能改善是顯著的，接近30%。相同工作性能下，優化級配可以減少用水量，即減小水灰比，在不添加其他外加劑的情況下強度明顯提升。

(3)基于CMP模型優化的人工砂級配能有效改善水泥基材料性質。宏觀性能試驗表明：拌合物工作性能上，優化級配砂漿較常規級配平均提高27%；抗壓、抗折強度上，優化級配砂漿提高5%～10%；孔隙率測定上，優化級配砂漿降低5%～10%，優化級配混凝土降低20%～30%；氯離子電通量試驗，優化級配砂漿降低15%。微觀試驗表明：優化級砂漿能改善漿骨界面過渡區的結構，水化產物更加致密，增強粘結力。優化級配理論同樣適用于混凝土。

(4)骨料顆粒級配的優劣直接影響混凝土質量與經濟效益，可通過人工砂生產線實現級配的優化，將優化級配的方法應用到實際工程中。