CN107188494A - 一种利用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法,包括步骤:(1)通过高石粉含量石屑和石子的紧密堆积试验得到大小石比例以及砂率;(2)计算砂石空隙率;(3)选择胶凝材料组成和水胶比;(4)计算得到胶凝材料和水的用量;(5)计算高石粉含量石屑的附加水量;(6)选择外加剂掺量;(7)计算得到初步的混凝土计算配合比;(8)计算不同浆体富余系数n值时的混凝土计算配合比,确定n值;(9)确定砂率;(10)确定最终配合比。本发明所设计的配合比能够使用高石粉含量石屑全取代河砂配制混凝土,并且有效的利用高石粉含量石屑中的石粉填充骨料的空隙,从而降低胶凝材料用量,达到了保护环境和节约成本的效果,有利于推进高石粉含量石屑在混凝土中的应用。

Description

一种利用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法
技术领域
本发明涉及一种利用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法,属于混凝土配合比设计领域。
背景技术
目前国内建筑行业正处于快速发展时期,大面积的旧城改造和新建筑的开发,带来了建筑材料资源不足的难题。长期以来,我国建筑细骨料以河砂为主,我国大部分地区河砂短缺,不仅在用砂高峰时砂的价格偏高,甚至没有天然砂提供,在用砂缺口巨大的情况下,影响了城镇化建设的进程,甚至有些沿海地区使用海砂严重的影响了建筑的质量安全。
目前国内外用其他细骨料取代河砂做了大量的研究,主要为机制砂,再生细骨料,以及石屑。石屑是生产碎石过程中筛出的副产品,每生产100吨碎石,大约产生20~30吨石屑。它作为采石场的废弃物,既占用场地又污染环境,将石屑用于混凝土中取代河砂,既可充分利用社会资源,也可减少对河砂的需求量,减少过度采砂对河道的危害,具有很高的经济和社会效益。
而一般的石屑级配较差,含有一部分大于4.75mm的碎石,而且石屑中含有大量石粉,造成石屑混凝土工作性能差,因此石屑混凝土的推广应用困难。
而通过对石屑进行加工,将大于4.75mm以上的碎石制成小于4.75mm以下的细骨料与原来小于4.75mm以下的石屑混合。这样一方面能够改善石屑的级配,另一方面将小石制备成石屑,使石屑中的骨料增加,粉体相对原来4.75mm以下的石屑减少,压碎指标变小。使石屑的性能变好,有利于石屑的推广使用。
但这种处理方法虽然使得石屑的级配变好,但仍存在石粉含量过高的问题,其石粉含量通常超过10.0%,不符合现有国家标准的规定,而难以应用。
考虑到高石粉含量石屑中含有大量石粉,能够作为微细集料应用,填充骨料的空隙,从而降低胶凝材料用量和成本。在实验研究的基础上,提出本专利的配合比设计方法。
发明内容
本发明的目的是为高石粉含量石屑应用于混凝土提供一种配合比设计方法,考虑到高石粉含量石屑中含有大量微粉,且其部分是石粉,能够作为微细集料应用,填充骨料的空隙,从而降低胶凝材料用量和成本。
为实现上目的,本发明采用的技术方案如下:
一种利用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法,包括如下步骤:
(1)通过不同粒径的多种石子紧密堆积试验,得到最小空隙率对应的石子搭配比例;
(2)往步骤(1)搭配所得的石子中掺加高石粉含量石屑,通过紧密堆积试验,得到随砂率增加,空隙率不明显降低的最小砂率;
(3)按步骤(1)、(2)所得的比例搭配高石粉含量石屑和石子,测定紧密堆积密度,以其为一立方米混凝土中的骨料用量,计算各骨料质量和骨料空隙率;
(4)骨料空隙扣除混凝土中的空气体积,得到浆体需要填充的体积;
(5)按设计要求的混凝土性能要求,参照河砂混凝土选择胶凝材料组成和水胶比;
(6)取一个大于1的浆体富余系数n,计算得到浆体的总体积,进而计算得到胶凝材料和水的用量;
(7)计算高石粉含量石屑的附加水量,所述附加水量等于高石粉含量石屑质量乘以饱和面干吸水率乘以高石粉含量石屑饱和系数,附加水量不计入水胶比,不计入体积;
(8)选择外加剂掺量,外加剂中的水需计入水胶比中;
(9)通过上述步骤,计算得到初步的混凝土计算配合比;
(10)改变浆体富余系数n值,计算不同n值时的混凝土计算配合比;
(11)进行混凝土试配,根据混凝土工作性能,最终确定外加剂掺量和最低浆体富余系数n值;
(12)通过改变砂率得到不同砂率时混凝土配合比;
(13)选择工作性能满足要求的最低砂率配合比,作为优选配合比;
(14)测定混凝土容重,校核配合比,得到混凝土的最终配合比。
进一步地,所述的高石粉含量石屑是指将石屑全部破碎到小于4.75mm,石粉含量大于10.0%,且小于等于20.0%的石屑。
进一步地,如果实验所用的石子符合石子连续级配的规定,则不需要按步骤(1)进行两种或多种石子搭配使用。
进一步地,步骤(4)中所述空气体积,对于引气混凝土可取设计值的中值,非引气混凝土取1.0~1.5%。
进一步地,步骤(6)中所述浆体富余系数n较优取值范围是1.05~1.15。
进一步地,步骤(7)中高石粉含量石屑饱和系数指高石粉含量石屑含水率与饱和面干吸水率的比值,其取值范围是0%~100%。
进一步地,所述高石粉含量石屑饱和系数的取值范围是10%~60%。
进一步地,所述步骤(12)具体包括:保持胶凝材料、水用量不变进行改变砂率的混凝土试验,其中水的用量不含高石粉含量石屑的附加水,改变砂率时,保持骨料总体积不变,最大砂率为步骤(2)所得的砂率,每次降低1~2%,测定混凝土的工作性能,得出不同砂率时混凝土配合比。
进一步地,步骤(12)中的骨料计算过程包括:
在得到初始的骨料用量后,后面降砂率的过程中,设计整体的砂石体积不变,通过按规律降低高石粉含量石屑的体积,其他骨料的体积相应增加,得到不同的体积砂率时各种骨料的体积,再通过各种骨料的体积乘以各种骨料的表观密度,即可得到各种骨料的质量。
相对于现有技术,本发明具有如下优点和有益效果:
(1)本发明的配合比设计方法针对高石粉含量石屑石粉含量高的特点,基于砂石骨料紧密堆积原理,将高石粉含量石屑中石粉作为微细集料加以利用,填充骨料空隙,从而有效降低胶凝材料用量。
(2)在砂石骨料紧密堆积的基础上,考虑到加入浆体后会进一步拨开骨料,从而使得骨料之间的空隙较紧密堆积时增加,有可能用较大的石子取代细骨料,因此进一步引入降低砂率的配合比设计步骤,进一步提高混凝土中粗骨料用量,减少高石粉含量石屑用量,从而改善混凝土性能,降低减水剂用量,进一步降低混凝土成本。
具体实施方式
本发明提供了强度等级C30高石粉含量石屑配合比设计方法,下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明。
准备原材料:
水泥:采用P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥,密度为3140kg/m3
矿渣粉:使用S95级矿粉,密度为2840kg/m3
粉煤灰:使用Ⅲ级粉煤灰,密度为2220kg/m3
高石粉含量石屑:表观密度为2620kg/m3,饱和面干吸水率为1.4%,石粉含量15.0%;
石子:使用大、小石搭配,大石粒径5-20mm,表观密度为2660kg/m3,小石为粒径5-10mm的瓜米石,表观密度为2650kg/m3
减水剂:自制聚羧酸减水剂,固含量为20%。
配合比设计
一种利用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法,包括如下步骤:
S1、确定大小石混合比例,即通过不同粒径的多种石子紧密堆积试验,得到最小空隙率的石子搭配:
利用四分法将不同质量比例的大、小石混合,参照《建设用卵石、碎石》(GB/T14685-2011)中石子的紧密密度试验。测得紧密堆积密度最大时大小石的搭配比例为最佳比例。由表1可见小石、大石最佳混合比例为2:8。
表1大、小石混合紧密堆积密度
小石:大石 0:10 1:9 1.5:8.5 2:8 2.5:7.5 3:7
Uw(kg/m3) 1490 1508 1525 1538 1535 1532
S2、测定不同砂率下骨料的密堆积密度,即往步骤1搭配所得的石子中掺加高石粉含量石屑,通过紧密堆积试验,得到较小空隙率对应的砂率,具体包括:
利用四分法取样,以高石粉含量石屑填充粗骨料的方式,测得不同砂率混合料相应的堆积密度U’w。具体操作方法参照《建设用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)中石子的紧密密度试验。所得数据见表2,得到随砂率增加,空隙率不明显降低的最小砂率为40%。
表2高石粉含量石屑填石子紧密堆积密度
砂率 36% 38% 40% 42% 44% 46% 48%
γm(kg/m3) 1819 1836 1864 1865 1869 1868 1866
S3、计算各骨料质量和骨料空隙率,即按步骤S1、S2所得的比例搭配高石粉含量石屑和石子,测定紧密堆积密度为1864kg/m3,以其为一方混凝土中的骨料用量,计算各骨料质量和骨料空隙率如表3所示。
表3各骨料的质量及骨料空隙率
骨料类型 大石 小石 高石粉含量石屑 骨料空隙率
m(kg/m3) 895 224 746 29.47%
S4、计算浆体体积,即骨料空隙扣除混凝土中的空气体积,得到浆体需要填充的体积。
本实施例设定浆体中的气体含量设定为1.5%,骨料空隙扣除混凝土中的空气体积即可得浆体的体积比为27.97%。
S5、按设计要求的混凝土性能要求,参照河砂混凝土选择胶凝材料组成和水胶比。
本实例配制C30混凝土,要求混凝土坍落度大于180mm,1h坍落度损失小于30mm,强度满足C30混凝土要求。按设计要求的混凝土性能要求,参照河砂混凝土,选择胶凝材料组成为70%水泥、20%矿粉和10%粉煤灰,水胶比为0.50。
S6、计算胶凝材料和水的用量,具体为:
取浆体富余系数n为1.10,计算得到浆体的总体积比30.77%,即浆体量为307.7升,进而计算得到胶凝材料和水的用量如下表4所示。
表4胶凝材料和水的用量
材料类型 胶材用量 水泥 矿粉 粉煤灰
m(kg/m3) 366.9 256.8 73.4 36.7 183.5
S7、计算高石粉含量石屑的附加水量,具体包括:
取高石粉含量石屑饱和系数为100%,高石粉含量石屑的饱和面干吸水率为1.4%,高石粉含量石屑的附加水量等于高石粉含量石屑质量乘以饱和面干吸水率,因此算得附加水用量为10.4kg/m3
S8、选择外加剂掺量,初步选择外加剂的掺量为1.1%,外加剂中的水需计入水胶比中。
S9、计算得到初步的混凝土计算配合比,如表5所示:
表5混凝土的初步计算配合比
S10、计算不同n值时的混凝土计算配合比,即通过改变浆体富余系数n值,计算不同n值时的混凝土计算配合比,如表6所示。
表6不同n值时的混凝土计算配合比
S11、进行混凝土试配,根据混凝土工作性能,确定外加剂掺量为1.1%,同时,测得富余系数n=1.10情况下,混凝土工作性能较好,不同富余系数下混凝土工作性能见下表7。
表7不同n值时的混凝土工作性能
S12、通过改变砂率得到不同砂率时混凝土配合比,具体包括:保持胶凝材料、水(不含高石粉含量石屑的附加水)用量不变,进行改变砂率的混凝土试验;每次降低2%,得出不同砂率时混凝土配合比如表8所示。
表8不同砂率时混凝土计算配合比
S13、确定最低砂率,即选择工作性能满足要求的最低砂率配合比,作为优选配合比,通过测试不同砂率下混凝土的工作性能,得出40.0%为最低砂率时,混凝土有较好的工作性能,不同砂率下混凝土的工作性能如表9所示。
表9不同砂率时的混凝土工作性能
S14、测定混凝土容重,校核配合比,得到混凝土的最佳配合比。
通过步骤S13测定砂率40.0%时混凝土容重,校核配合比,得到混凝土的最终配合比,如表10:
表10高石粉含量石屑混凝土配合比
另外做了河砂与高石粉含量石屑C30混凝土的对比,见表11。
表11河砂与高石粉含量石屑混凝土对比数据
注:水泥440元/t,矿渣320元/t,粉煤灰180元/t,碎石40元/t,河砂60元/t,高石粉含量石屑25元/t,河砂和高石粉含量石屑所用聚羧酸减水剂2400元/t。
通过表格的对比分析可以得出:本方法设计出的高石粉含量石屑混凝土在工作性能和强度能够满足规范要求,差不多与河砂相当;但比河砂节省了4.3%的胶凝材料和12.1%的混凝土单方造价。
以上所述,仅为本发明专利较佳的实施例,但本发明专利的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内,根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)通过不同粒径的多种石子紧密堆积试验,得到最小空隙率对应的石子搭配比例;
(2)往步骤(1)搭配所得的石子中掺加高石粉含量石屑,通过紧密堆积试验,得到随砂率增加,空隙率不明显降低时的最小砂率;
(3)按步骤(1)、(2)所得的比例搭配高石粉含量石屑和石子,测定紧密堆积密度,以其为一立方米混凝土中的骨料用量,计算各骨料质量和骨料空隙率;
(4)骨料空隙扣除混凝土中的空气体积,得到浆体需要填充的体积;
(5)按设计要求的混凝土性能要求,参照河砂混凝土选择胶凝材料组成和水胶比;
(6)取一个大于1的浆体富余系数n,计算得到浆体的总体积,进而计算得到胶凝材料和水的用量;
(7)计算高石粉含量石屑的附加水量,所述附加水量等于高石粉含量石屑质量乘以饱和面干吸水率乘以高石粉含量石屑饱和系数,附加水量不计入水胶比,不计入体积;
(8)选择外加剂掺量,外加剂中的水需计入水胶比中;
(9)通过上述步骤,计算得到初步的混凝土计算配合比;
(10)改变浆体富余系数n值,计算不同n值时的混凝土计算配合比;
(11)进行混凝土试配,根据混凝土工作性能,最终确定外加剂掺量和最低浆体富余系数n值;
(12)通过改变砂率得到不同砂率时混凝土配合比;
(13)选择工作性能满足要求的最低砂率配合比,作为优选配合比;
(14)测定混凝土容重,校核配合比,得到混凝土的最终配合比。
2.根据权利要求1所述的一种利用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法,其特征在于:所述的高石粉含量石屑是指将石屑全部破碎到小于4.75mm,石粉含量大于10.0%,且小于等于20.0%的石屑。
3.根据权利要求1所述的一种利用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法,其特征在于:如果实验所用的石子符合石子连续级配的规定,则不需要按步骤(1)进行两种或多种石子搭配使用。
4.根据权利要求1所述的一种利用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法,其特征在于:步骤(4)中所述空气体积,对于引气混凝土可取设计值的中值,非引气混凝土取1.0~1.5%。
5.根据权利要求1所述的一种利用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法,其特征在于:步骤(6)中所述浆体富余系数n较优取值范围是1.05~1.15。
6.跟据权利要求1所述的一种用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法,其特征在于:步骤(7)中高石粉含量石屑饱和系数指高石粉含量石屑含水率与饱和面干吸水率的比值,其取值范围是0%~100%。
7.跟据权利要求6所述的一种用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法,其特征在于:所述高石粉含量石屑饱和系数的取值范围是10%~60%。
8.根据权利要求1所述的一种利用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法,其特征在于:所述步骤(12)具体包括:保持胶凝材料、水用量不变进行改变砂率的混凝土试验,其中水的用量不含高石粉含量石屑的附加水,改变砂率时,保持骨料总体积不变,最大砂率为步骤(2)所得的砂率,每次降低1~2%,测定混凝土的工作性能,得出不同砂率时混凝土配合比。
9.根据权利要求8所述的一种利用高石粉含量石屑配制混凝土的配合比设计方法,其特征在于,步骤(12)中的骨料计算过程包括:
在得到初始的骨料用量后,后面降砂率的过程中,设计整体的砂石体积不变,通过按规律降低高石粉含量石屑的体积,其他骨料的体积相应增加,得到不同的体积砂率时各种骨料的体积,再通过各种骨料的体积乘以各种骨料的表观密度,即可得到各种骨料的质量。
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