基于流变特性的粗骨料级配优化设计

第36卷第3期 娃酸盐通报Vol.36 No.3 2017 年 3 月__________________BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY_________________March,2017

基于流变特性的粗骨料级配优化设计

焦登武1，史才军1，2，安晓鹏1，刘豫1，何富强3

(1.中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室，北京100024;

2.湖南大学土木工程学院，长沙410082;

3.厦门理工学院土木工程与建筑系，厦门361024)

摘要:采用IC A R流变仪测试了三级配粗骨料不同比例组成时新拌混凝土的性能，在宾汉姆模型的基础上，得到了 流变参数。探究了粗骨料级配对扩展度、屈服应力和塑性粘度的影响，进而综合评述屈服应力和塑性粘度的最优 范围，对混凝土三级配粗骨料组成进行了优化。结果表明，改变粗骨料的级配组成能够明显影响混凝土的流动性 和流变参数，另一方面，通过控制新拌混凝土流变参数，可以确定不同级配粗骨料的最优组配。因此，通过限定适 宜的流变参数范围，可以指导混凝土的组成设计。

关键词:级配优化；等值线图；流变特性；混凝土

中图分类号:TU528.041 文献标识码:A文章编号:1001-1625 (2017) 03-1064-07 Optimization of Coarse Aggregate Gradation Based on Rheological Behavior

JIAO Deng-wu ,SHI Cai-jun1,2 ,AN Xiao-peng1 ,LIU Yu ,HE Fu-qiang3

(1. State Key Laboratory of Green Building Materials,China Building Materials Academy,Beijing 100024,China；

2. College of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China；

3.School of Civil Engineering and Architecture,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024, China)

Abstract： Based on Bingham m odel, the rheological properties of fresh concrete w ith varied coarse aggregate gradation of three sizes were tested using an IC A R rheometer. The effects of coarse aggregate gradation on slump flo w, yield stress and plastic viscosity of concrete were investigated and then the coarse aggregate gradation were optimized. Results indicate that the gradation of coarse aggregate has significant effects on flow ability and rheological parameters of fresh concrete. On the other hand, the optim um composition of three sizes aggregate could be determined by controlling the rheological parameters of concrete. Therefore, it is a better way to optimize the concrete m ixture design by lim itin g the range of rheological parameters.

Key words ：optim ization of gradation ； contours ； rheological behavior ； concrete

1引言

骨料的粒径、级配、堆积密度、表面粗糙程度、形状、体积分数以及针片状颗粒含量等性质对混凝土的流 变性能均具有显著地影响[1_3]，这是由于骨料颗粒间作用力（例如咬合力和摩擦力）和骨料颗粒在新拌混凝 土液相中的流动阻力的存在。H a rin i[4]发现细骨料的空隙率能够影响砂浆的流动性，空隙率越高，砂浆流动 性越低，而级配良好的骨料能够改善砂浆的流动性。Hu[5]发现相同配合比下，细骨料粒径越高，砂浆的流动 性越好，而多级配组成的砂浆比单一级配砂浆具有更高的流动度。s a n t〇s[6]发现采用连续级配骨料配制的

基金项目：国家国际科技合作专项(2015DFA50880);国家自然科学基金（U1305243)

作者简介:焦登武（1992-)，男，硕士研究生.主要从事土木工程材料的研究.

通讯作者:史才军，教授，博导.

第3期焦登武等:基于流变特性的粗骨料级配优化设计1065图2粗骨料组成设计

图3粗骨料的级配曲线Fig. 2 Composition design of coarse aggregate Fig. 3 Gradation curves of coarse aggregates

2.2.2混凝土配合比

本研究中固定水灰比为〇• 4，砂率为0• 42，减水剂掺量为0• 75%，设计的混凝土配合比如表1所示。自密实混凝土比间断级配骨料混凝土具有更好的抗离析性能和力学性能，且级配对塑性粘度的影响远高于 对屈服应力的影响。W eSterh 〇lm [7]研究发现细集料经水洗去除40 p m 以下微细颗粒后，显著降低了砂浆的 屈服应力，同时稍微增大了砂浆的塑性粘度和离析的风险。对普通混凝土而言，骨料占原材料总体积的 70%〜80%，粗骨料的堆积状态对新拌混凝土的工作性能和流变性能将有很重要的影响，然而关于这一方面 的研究则比较少。

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。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，不仅能够改善混凝土的工作性能，还能够降低水泥用量，节约生产成本。最常用的级配 理论是最大密实曲线理论和粒子干涉理论，因此主要有以下几种方法进行级配优化:通过测定混合骨料的最 紧密堆积密度进行确定;通过使各粒级粗细骨料的比率逼近富勒曲线，确定最佳级配[8];采用改进Andreasen 级配公式确定不同材料的颗粒级配[9];采用混料回归设计方法对颗粒级配进行优化设计[1°]。每种级配优化 方式都有各自的特点，但是由于误差大、复杂等因素致使很多研究成果在实际工程应用过程中有诸多不便之 处。

本文采用ICAR 流变仪探究了三级配粗骨料不同比例组成对混凝土流变性能的影响，分析了粗骨料级 配与扩展度、屈服应力和塑性粘度的关系，并从流变特性角度对混凝土中粗骨料级配的组成设计进行优化。2实验

2.1原材料

本研究采用P • I 硅酸盐水泥，比表面积为348 m 2/kg ，密度为3150 kg /m 3;所采用的细骨料的细度模

数为3.13，含泥量为1.53%，表观密度为2440 kg /m 3，

堆积密度为1390 kg /m 3，其级配曲线如图1所示;粗骨

料最大粒径为19 mm ，表观密度为2540 kg /m 3;减水剂

为聚竣酸盐系减水剂（Superplasticizer ，SP )，减水率为

45% 0

12配合比设计

2.2.1粗骨料级配组成设计

将粗骨料(4. 75〜19 mm )分为三个粒径段，即小

粒径(4.75〜9. 5 mm )、中间粒径（9. 5〜16 mm )和大粒径（16〜19 mm )。本研究中不同级配粗骨料的组成设计和级配曲线分别如图2和图3所示。

0 0,15 03 0.6 1.18 236 4,75Sieve size/mm 图1细骨料级配曲线Fig. 1 Gradation curve of fine aggregates

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