吴伟，罗小东，陶俊，肖世玉，吴涛

（成都建工赛利混凝土有限公司，成都 610015）

0 前言

混凝土单方成本一直是各工程与商品混凝土企业关注的热点，特别是目前水泥、砂石等受环保压力与运输限制，混凝土单方成本不断攀升。本文针对常用强度等级 C30 在不改变原有材料品质的条件下，对粗细骨料进行优化，使其具有更大的堆积密度，降低空隙率，从而实现配合比的优化，降低混凝土单方成本。试验结果表明，采用最大堆积密度优化后的配合比，在水胶比不变条件下，可节约胶凝材料用量并配制出与基准混凝土同和易性、同强度的混凝土。

1 原材料

（1）水泥：洋房 P·O42.5 水泥，勃氏法比表面积353m2/kg，密度 3.08g/cm3，物检数据见表 1。

（2）粉煤灰：四川博磊Ⅰ级粉煤灰，细度 8%，需水量比 95%，密度 2.3g/cm3，28d 活性指数 75%。

（3）石灰石粉：成都某厂产石粉，细度 3.2%，MB 值 0.3，密度 2.78g/cm3。

（4）砂：成都建工赛利混凝土有限公司人工机制中Ⅱ砂与中 Ⅲ 砂。中Ⅱ细度模数 2.8，含泥量 3.2%；中 Ⅲ 细度模数 2.2，含泥量 5.6%。

（5）石子：成都建工赛利混凝土有限公司 5～31.5mm 连续级配碎石，针片状含量 1.1%，压碎值5.7%，表观密度 2840kg/m3，堆积密度 1617kg/m3，空隙率 43%。

（6）外加剂：石家庄市长安育才建材有限公司 GK-3000磷酸基减水剂[1-2]，固含量 18%，减水率31%。

表 1 水泥物检数据

2 试验与讨论

混凝土配合比设计方法按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》重量法设计。砂石堆积密度和空隙率按 GB/T 14684—2011《建设用砂》进行试验。

2.1 石子空隙率优化

石子空隙率决定了填充空隙需要的浆体，也就是决定了干砂浆所需体积的多少。根据相关文献[3-4]中对于干砂浆的定义，可知其由砂、水泥和掺合料体积共同组成。因此减少石子空隙率可以相应地减少填充空隙的胶凝材料用量。在保持富余浆体体积和水胶比不变的条件下，可以得到相同和易性与强度的混凝土。

2.1.1 石子级配优化

使用筛网对现有 5～31.5mm 碎石进行筛分，得到5～16mm 和 16～31.5mm 二级配碎石。将二级配碎石按不同重量比例进行搭配，测试其堆积密度并绘制曲线见图 1。

图 1 碎石不同比例堆积密度

对图 1 曲线拟合公式求导，可以得到最大堆积密度所需石子配比：49% 的 5～16mm 碎石和 51% 的16～31.5mm 碎石，最大堆积密度为 1667kg/m3，空隙率为 41.3%。和原未筛分碎石对比，空隙率降低了1.7%。由全计算法[4]可知，干砂浆体积可以减少 17L，可以计算得出水泥 8.4kg，粉煤灰 3.2kg，即总胶凝材料可以在原配合比基础上减少约 11kg 的条件下，混凝土的和易性和强度不变。

2.1.2 混凝土对比试验

将实际生产配合比作为基准进行对比（表 2），保持水胶比和砂率不变，外加剂掺量为 1.3%，分别减少8kg 水泥和 3kg 粉煤灰，出机和易性和强度数据见表3。

表 2 石子优化后配合比对比 kg/m3

表 3 石子优化后和易性与强度对比

混凝土对比试验可以看出，当按 2.1.1 堆积密度计算结果减少 8kg 水泥和 3kg 粉煤灰条件下，保持水胶比和砂率不变，混凝土出机和易性与强度均未出现变化，与基准配合比相当。

2.2 砂空隙率优化

2.2.1 不同砂复配

分别将中砂Ⅱ与中砂 Ⅲ 按不同质量比复配[5]，测试其堆积密度，测试数据见图 2。

图 2 两种砂复配堆积密度

对图 2 拟合曲线进行求导，中砂Ⅱ用量 68%，中砂Ⅲ 用量 32%，得到最大堆积密度为 1564kg/m3。此条件空隙率达到最低，为 41%。

2.2.2 石粉替砂

固定砂复配比例为中砂Ⅱ : 中砂 Ⅲ = 0.68:0.32 不变，利用石粉替代砂，再次测试堆积密度，测试结果见图 3。

图 3 石粉替砂堆积密度

对图 3 拟合曲线求导，得到最大堆积密度为1646kg/m3，石粉替代率为 8%，空隙率为 38%，比基准降低了 3%。

2.2.3 混凝土对比

由 2.1 得到最佳碎石级配，采用 5～16mm 碎石49%、16～31.5mm 碎石 51% 固定复配。由 2.2.2 最佳比例中砂Ⅱ: 中砂 Ⅲ = 0.68:0.32，并加入 8% 石粉替代总用砂量。保持水胶比和外加剂用量（掺量为 1.3%）不变，砂率为 48%，考察分别降低 10kg、20kg、30kg和 40kg 胶凝材料对于强度和和易性的影响。配合比见表 4。分别对混凝土出机和易性以及 3d、7d 和 28d 强度进行测试，测试结果见表 5。

表 4 替代石粉配合比 kg/m3

表 5 混凝土强度与和易性数据

首先从强度上对比，使用最大堆积密度的方案从减少 10kg 胶材到 30kg 胶材，无论是早期强度还是后期强度均高于基准生产配比。只有当减少胶材到 40kg 才出现后期强度低于基准生产配比强度，这是因为石粉主要起到微集料效应，填充空隙，降低水性硬性材料到一定水平后，石粉对水化产物稀释作用放大，从而导致了强度下降。再次单独关注 3d 早期强度发现加入石粉后，强度均高于基准，这是因为石粉并非完全惰性，能加速水化效应[6]。从本次试验来看，优化配比减少 30kg 胶材最为合适，其强度数据略高于基准。

从和易性观察发现，在固定外加剂用量的条件下，逐渐减少胶凝材料用量，混凝土倒筒时间先减少后增加，混凝土扩展度先增加后减小。这是因为富余浆体体积的变化，开始减少少量胶凝材料时，由于空隙率小，富余浆体比基准配合比丰富，所以扩展度与倒筒时间得到了优化。当继续减少胶材时，为了控制容重必须增加砂石用量，整个体系骨料表面积增加，包裹骨料所需的浆体体积增加，而通过降低空隙率增加的富余浆体不足以补充时，就造成扩展度与倒筒时间劣化。因此从和易性角度出发，在此次试验材料基准上，配合比优化不宜减少胶材总量超过 30kg。

综合强度、和易性和经济性来看，选用中砂Ⅱ : 中砂 Ⅲ = 0.68:0.32、5～16mm 碎石 : 16～31.5mm 碎石=0.49:0.51、石粉 8% 替代总用砂量，保持水胶比不变的条件下，降低 30kg 胶材可达到与基准配合比等同的和易性，同时强度略高于基准配合比。优化后的配合比对比基准生产配合比，单方成本有所降低。

3 结论

（1）采用二级配碎石搭配优于使用连续级配碎石。当碎石比为 49:51 时，得到最大堆积密度，可降低粗骨料 1.7% 空隙率。对比基准生产配比可降低 11kg 胶材用量，同时混凝土强度与和易性不变，与理论计算节约量吻合。

（2）采用两种砂复配同时加入 8% 石粉替砂，可得到最大堆积密度 1646kg/m3，空隙率为 38%，改进后空隙率降低 3%。

（3）采用最紧密堆积粗细骨料，对比基准生产配比可降低 30kg 胶材用量，同时混凝土和易性与基准相当，早期 3d 强度高于基准，28d 后期强度略高于基准。

（4）采用最紧密堆积法对粗细骨料进行优化后，28d 强度达 43MPa，出机扩展度 570mm，倒筒时间6.1s，满足 C30 混凝土使用条件，且 C30 混凝土单方成本相对于生产基准配比有所降低。