骨料級(jí)配簡介

骨料級(jí)配

骨料中各種大小不同的顆粒之間的數(shù)量比例，稱為骨料的級(jí)配。

骨料的級(jí)配如果選擇不當(dāng)，以至骨料的比表面積、空隙率過大，則需要更多的水泥漿，才能使混凝土獲得一定的流動(dòng)性，才能填充骨料間的空隙。而且，骨料的級(jí)配對(duì)硬化混凝土的性能也有很大的影響，如強(qiáng)度、耐久性等。如果骨料級(jí)配不合理，有時(shí)即使多加水泥，硬化混凝土的性能也會(huì)受到一定的影響，因此骨料級(jí)配對(duì)于獲得高質(zhì)量、低成本的混凝土非常重要。

骨料顆粒大小常用篩分確定，JGJ52-2006對(duì)標(biāo)準(zhǔn)篩系的規(guī)格和質(zhì)量有明確的規(guī)定。骨料的級(jí)配采用各篩上的篩余量按質(zhì)量百分率表示，其篩分結(jié)構(gòu)可以繪制成篩分曲線，也稱級(jí)配曲線。

骨料級(jí)配對(duì)空隙率影響

骨料級(jí)配、骨料最大粒徑和最小粒徑等因素對(duì)混凝土的水泥用量和需水量都有很大影響，同時(shí)還對(duì)混凝土的和易性、可泵性、經(jīng)濟(jì)性、孔隙率、收縮性和耐久性產(chǎn)生顯著影響。

骨料的級(jí)配對(duì)空隙率的影響從下圖的實(shí)驗(yàn)中可以看出。第一個(gè)燒杯中是單一級(jí)配的粒徑較大的骨料，第二個(gè)燒杯中是單一級(jí)配的粒徑較小的骨料，第三個(gè)燒杯中是這兩種骨料按1:1混合（體積比）的混合骨料。然后向這三個(gè)燒杯中注入水，前兩個(gè)燒杯可注入的水量完全相同，說明骨料間的空隙的體積是相同的，與骨料的粒徑?jīng)]有關(guān)系。而第三個(gè)燒杯可注入的水量明顯減少，說明這兩種骨料混合后，骨料間空隙的體積明顯減小，也就是說空隙率顯著下降。如果將更多不同粒徑的骨料混合在一起，其空隙率會(huì)進(jìn)一步下降。而混凝土中水泥漿的用量與骨料空隙率成正比。

骨料空隙率實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際工程中，水泥漿的用量往往大于骨料間空隙的體積。如下圖所示，上圖中骨料彼此相接觸，下圖表示骨料分布在水泥漿中的情況，骨料彼此不再接觸，因此空隙體積變大，也就是水泥漿的用量增大，只有這樣，混凝土才具有良好的和易性。

骨料空隙率與水泥漿的用量

級(jí)配理論

良好的骨料級(jí)配要滿足以下基本要求：

1，骨料的空隙率最小，可以減少水泥漿用量，配出性能好的混凝土。

2，骨料混合物具有適當(dāng)小的表面積，從而節(jié)省水泥，改善工作性能。

3，盡可能采用最大數(shù)量的最大粒徑骨料，這樣可以大大提高密實(shí)度，減少表面積。大粒徑骨料越多，骨架作用越強(qiáng)。

目前常用的級(jí)配理論有兩種，連續(xù)級(jí)配和間斷級(jí)配。

一、連續(xù)級(jí)配理論

連續(xù)級(jí)配的特征是粗細(xì)骨料各分級(jí)粒度俱全，相鄰兩級(jí)粒徑比為2。

主張連續(xù)級(jí)配的專家認(rèn)為，一個(gè)良好的連續(xù)級(jí)配是按照一定的粒徑比及其含量形成一個(gè)連續(xù)的級(jí)配曲線。如在實(shí)際配合混凝土?xí)r，骨料各級(jí)含量符合或接近此理論曲線，所配的混凝土具有良好的工作度和最大密實(shí)度。

二、間斷級(jí)配理論

為了得到最小空隙率，相鄰兩級(jí)骨料粒度比要比較大，才能使大顆粒十分靠近，大顆粒數(shù)量最多。有試驗(yàn)證明，但粒度比為8:1時(shí)，采用2-3級(jí)的間斷級(jí)配，就可能達(dá)到最優(yōu)的空隙率。試驗(yàn)還指出，間斷級(jí)配最大一級(jí)骨料用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于連續(xù)級(jí)配最大一級(jí)骨料的用量，在達(dá)到同樣的空隙率時(shí)，間斷級(jí)配的表面積較小。

上述兩種級(jí)配理論的前提是，認(rèn)為硬化后混凝土的結(jié)構(gòu)及其骨料的空間關(guān)系，與硬化前干混合物顆粒排列狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。只有在此前提下，骨料的理想級(jí)配才有意義。

但實(shí)際情況是，混凝土是通過一定的工藝措施才能使之密實(shí)成型，因此骨料的實(shí)際分布狀態(tài)受混凝土拌合物流動(dòng)性及外力作用條件的影響，不一定能保持理想位置，特別是混凝土干硬時(shí)，其緊密程度與理想狀態(tài)有較大出入。

其實(shí)，上述兩個(gè)級(jí)配理論都是要降低骨料的空隙率和表面積，從而提高最大顆粒的使用量。在這方面，間斷級(jí)配的優(yōu)越性顯然更顯著些。間斷級(jí)配的優(yōu)點(diǎn)是空隙率小，表面積小，骨料的骨架作用較顯著，從而能節(jié)省水泥，提高混凝土的性能。

骨料如何配？

骨料組合結(jié)構(gòu)有懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)三類（分別對(duì)應(yīng)的是巖石中的基底膠結(jié)、孔隙膠結(jié)、接觸膠結(jié)）。不同的混凝土對(duì)骨架的結(jié)構(gòu)要求各有不同。

對(duì)于泵送的混凝土而言,需要的是相對(duì)密實(shí)而易于流動(dòng)的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)骨料組合,對(duì)于干硬性和塑性混凝土則需要密實(shí)結(jié)構(gòu)的骨料組合，對(duì)于透水混凝土則需要骨架空隙結(jié)構(gòu)。

一種確定的骨料其級(jí)配是確定的連續(xù)粒級(jí)或者單一粒級(jí)。生產(chǎn)所需要的骨料是以這已有的（確定的）骨料去合成一個(gè)具有新級(jí)配的骨料組合。其方法有：

1、按不同的比例組合骨料，分別測(cè)定其容重，取較密實(shí)者。一般是先分別確定各種砂、石的比例，然后按經(jīng)驗(yàn)或者其他方法確定砂率。也就是結(jié)果是密實(shí)的，但是否適合配制泵送混凝土，是不確定的。對(duì)于2種砂或石的合成比較方便，如果有3種以上，那試驗(yàn)會(huì)比較煩雜。那就需要先合成其的2種，然后將這作為贗顆粒與第3種再去合成。

2、直接以篩分結(jié)果，按連續(xù)級(jí)配的曲線試算求解。按不同的比例組合骨料，分別試算其各檔料的篩余是否符合連續(xù)級(jí)配。與方法1一樣，石、砂先分別按規(guī)范中的級(jí)配范圍配好，再去選擇砂率。

3、按上一檔（較大粒徑）的空隙率確定下一檔（較小粒徑）的用量。也是先確定各種石的比例，然后確定砂率。比如以“干砂漿”體積填充石子空隙以及其他的“正填法”、“逆填法”。

4、骨料密實(shí)級(jí)配，富勒理想級(jí)配的曲線公式：P=A+（100-A）* 式中 P---通過某一篩孔的顆粒百分?jǐn)?shù)%A---系數(shù)，隨混凝土的坍落度而變，查下表d---某一篩的篩孔寬或直徑mmD---骨料的最大粒徑mm由上式計(jì)算出來的各級(jí)顆粒百分?jǐn)?shù)，可作為密實(shí)級(jí)配的參考，在此基礎(chǔ)上作適當(dāng)調(diào)整，求出骨料容重最大的級(jí)配，即為密實(shí)級(jí)配。

5、按間斷級(jí)配間斷級(jí)配是人為的剔去骨料中的某些中間級(jí)，在顆粒配合時(shí)故意造成顆粒尺寸的間斷，也就消除了較小顆粒的契塞和支撐作用所造成的空隙，使骨料的空隙率達(dá)到最小。間斷級(jí)配的顆粒組成不能用篩分曲線圖來表示。間斷級(jí)配的優(yōu)點(diǎn)是空隙率小，比連續(xù)級(jí)配的密實(shí)度高。

間斷級(jí)配的各檔集料組合之間關(guān)系，以D1、D2、D3、D4表示各檔顆粒粒徑的上限，d1、d2、d3、d4為其下限，則：第一檔組合 D1/d1=1.5第二檔組合 D2/d2=1.5—2第三檔組合 D3/d3=2第四檔組合 D4/d4=2至于D1、D2、D3、D4之間的關(guān)系，卵石：D2/D1=1/8，D3/D2=1/6—1/8，D4/D3=1/6；碎石：D2/D1=1/10，D3/D2=1/8—1/10，D4/D3=1/8。

一般情況下只要采用兩檔級(jí)配，很少采用四檔級(jí)配，因?yàn)橛玫诙n組合的集料填充第一檔組合的集料，其填滿程度就可以達(dá)到95%。

骨料中斷后，下一級(jí)和上一級(jí)顆粒平均尺寸的比值一般采用1：4—1：6之間。在一般工業(yè)與民用建筑上，以采用兩級(jí)中斷為宜。如最大粒徑為40mm，其分級(jí)可為5—10mm，20--40mm。在大體積（如水工）中，可采用三級(jí)中斷。如最大粒徑為250mm，其分級(jí)可為5—10mm，25--50mm，150--250mm。當(dāng)最大粒徑小于25mm時(shí)，因空隙率的減少不顯著，不宜采用。以上5種方法可以配出密實(shí)的組合，卻不能保證流動(dòng)性。

6、基于連續(xù)級(jí)配的砂石統(tǒng)一曲線基于砂、石都是骨料，只不過是顆粒粗、細(xì)的區(qū)別和石、砂分別配在二者的粒徑交界處會(huì)有很大的“撞車” 可能，應(yīng)該將砂、石統(tǒng)一考慮，以簡化、優(yōu)化合成骨料級(jí)配的方法。以FULLER最大密度曲線理論為基礎(chǔ), 參考混凝土泵送規(guī)范的最佳級(jí)配線和適宜泵級(jí)配區(qū)、骨料組成對(duì)強(qiáng)度的影響、個(gè)別孔徑顆粒對(duì)泵送的影響(如0.315等)對(duì)曲線作一定的修正,形成砂石統(tǒng)一曲線。

曲線(略)經(jīng)過與幾個(gè)區(qū)域的實(shí)際應(yīng)用配比對(duì)比： 僅僅是死板的按曲線計(jì)算得出的結(jié)果與實(shí)際使用的配比相差不大(實(shí)際應(yīng)用時(shí)不是僅僅考慮流動(dòng)性最好,而是成本第一)；對(duì)存在問題的配比也可以比較直觀的發(fā)現(xiàn)問題所在；無論是天然砂、機(jī)制砂還是石屑都一樣適用。

來源：砼學(xué)研究所

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骨料級(jí)配

骨料中各種大小不同的顆粒之間的數(shù)量比例，稱為骨料的級(jí)配。

骨料的級(jí)配如果選擇不當(dāng)，以至骨料的比表面積、空隙率過大，則需要更多的水泥漿，才能使混凝土獲得一定的流動(dòng)性，才能填充骨料間的空隙。而且，骨料的級(jí)配對(duì)硬化混凝土的性能也有很大的影響，如強(qiáng)度、耐久性等。如果骨料級(jí)配不合理，有時(shí)即使多加水泥，硬化混凝土的性能也會(huì)受到一定的影響，因此骨料級(jí)配對(duì)于獲得高質(zhì)量、低成本的混凝土非常重要。

骨料顆粒大小常用篩分確定，JGJ52-2006對(duì)標(biāo)準(zhǔn)篩系的規(guī)格和質(zhì)量有明確的規(guī)定。骨料的級(jí)配采用各篩上的篩余量按質(zhì)量百分率表示，其篩分結(jié)構(gòu)可以繪制成篩分曲線，也稱級(jí)配曲線。

骨料級(jí)配對(duì)空隙率影響

骨料級(jí)配、骨料最大粒徑和最小粒徑等因素對(duì)混凝土的水泥用量和需水量都有很大影響，同時(shí)還對(duì)混凝土的和易性、可泵性、經(jīng)濟(jì)性、孔隙率、收縮性和耐久性產(chǎn)生顯著影響。

骨料的級(jí)配對(duì)空隙率的影響從下圖的實(shí)驗(yàn)中可以看出。第一個(gè)燒杯中是單一級(jí)配的粒徑較大的骨料，第二個(gè)燒杯中是單一級(jí)配的粒徑較小的骨料，第三個(gè)燒杯中是這兩種骨料按1:1混合（體積比）的混合骨料。然后向這三個(gè)燒杯中注入水，前兩個(gè)燒杯可注入的水量完全相同，說明骨料間的空隙的體積是相同的，與骨料的粒徑?jīng)]有關(guān)系。而第三個(gè)燒杯可注入的水量明顯減少，說明這兩種骨料混合后，骨料間空隙的體積明顯減小，也就是說空隙率顯著下降。如果將更多不同粒徑的骨料混合在一起，其空隙率會(huì)進(jìn)一步下降。而混凝土中水泥漿的用量與骨料空隙率成正比。

骨料空隙率實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際工程中，水泥漿的用量往往大于骨料間空隙的體積。如下圖所示，上圖中骨料彼此相接觸，下圖表示骨料分布在水泥漿中的情況，骨料彼此不再接觸，因此空隙體積變大，也就是水泥漿的用量增大，只有這樣，混凝土才具有良好的和易性。

骨料空隙率與水泥漿的用量

級(jí)配理論

良好的骨料級(jí)配要滿足以下基本要求：

1，骨料的空隙率最小，可以減少水泥漿用量，配出性能好的混凝土。

2，骨料混合物具有適當(dāng)小的表面積，從而節(jié)省水泥，改善工作性能。

3，盡可能采用最大數(shù)量的最大粒徑骨料，這樣可以大大提高密實(shí)度，減少表面積。大粒徑骨料越多，骨架作用越強(qiáng)。

目前常用的級(jí)配理論有兩種，連續(xù)級(jí)配和間斷級(jí)配。

一、連續(xù)級(jí)配理論

連續(xù)級(jí)配的特征是粗細(xì)骨料各分級(jí)粒度俱全，相鄰兩級(jí)粒徑比為2。

主張連續(xù)級(jí)配的專家認(rèn)為，一個(gè)良好的連續(xù)級(jí)配是按照一定的粒徑比及其含量形成一個(gè)連續(xù)的級(jí)配曲線。如在實(shí)際配合混凝土?xí)r，骨料各級(jí)含量符合或接近此理論曲線，所配的混凝土具有良好的工作度和最大密實(shí)度。

二、間斷級(jí)配理論

為了得到最小空隙率，相鄰兩級(jí)骨料粒度比要比較大，才能使大顆粒十分靠近，大顆粒數(shù)量最多。有試驗(yàn)證明，但粒度比為8:1時(shí)，采用2-3級(jí)的間斷級(jí)配，就可能達(dá)到最優(yōu)的空隙率。試驗(yàn)還指出，間斷級(jí)配最大一級(jí)骨料用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于連續(xù)級(jí)配最大一級(jí)骨料的用量，在達(dá)到同樣的空隙率時(shí)，間斷級(jí)配的表面積較小。

上述兩種級(jí)配理論的前提是，認(rèn)為硬化后混凝土的結(jié)構(gòu)及其骨料的空間關(guān)系，與硬化前干混合物顆粒排列狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。只有在此前提下，骨料的理想級(jí)配才有意義。

但實(shí)際情況是，混凝土是通過一定的工藝措施才能使之密實(shí)成型，因此骨料的實(shí)際分布狀態(tài)受混凝土拌合物流動(dòng)性及外力作用條件的影響，不一定能保持理想位置，特別是混凝土干硬時(shí)，其緊密程度與理想狀態(tài)有較大出入。

其實(shí)，上述兩個(gè)級(jí)配理論都是要降低骨料的空隙率和表面積，從而提高最大顆粒的使用量。在這方面，間斷級(jí)配的優(yōu)越性顯然更顯著些。間斷級(jí)配的優(yōu)點(diǎn)是空隙率小，表面積小，骨料的骨架作用較顯著，從而能節(jié)省水泥，提高混凝土的性能。

骨料如何配？

骨料組合結(jié)構(gòu)有懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)三類（分別對(duì)應(yīng)的是巖石中的基底膠結(jié)、孔隙膠結(jié)、接觸膠結(jié)）。不同的混凝土對(duì)骨架的結(jié)構(gòu)要求各有不同。

對(duì)于泵送的混凝土而言,需要的是相對(duì)密實(shí)而易于流動(dòng)的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)骨料組合,對(duì)于干硬性和塑性混凝土則需要密實(shí)結(jié)構(gòu)的骨料組合，對(duì)于透水混凝土則需要骨架空隙結(jié)構(gòu)。

一種確定的骨料其級(jí)配是確定的連續(xù)粒級(jí)或者單一粒級(jí)。生產(chǎn)所需要的骨料是以這已有的（確定的）骨料去合成一個(gè)具有新級(jí)配的骨料組合。其方法有：

1、按不同的比例組合骨料，分別測(cè)定其容重，取較密實(shí)者。一般是先分別確定各種砂、石的比例，然后按經(jīng)驗(yàn)或者其他方法確定砂率。也就是結(jié)果是密實(shí)的，但是否適合配制泵送混凝土，是不確定的。對(duì)于2種砂或石的合成比較方便，如果有3種以上，那試驗(yàn)會(huì)比較煩雜。那就需要先合成其的2種，然后將這作為贗顆粒與第3種再去合成。

2、直接以篩分結(jié)果，按連續(xù)級(jí)配的曲線試算求解。按不同的比例組合骨料，分別試算其各檔料的篩余是否符合連續(xù)級(jí)配。與方法1一樣，石、砂先分別按規(guī)范中的級(jí)配范圍配好，再去選擇砂率。

3、按上一檔（較大粒徑）的空隙率確定下一檔（較小粒徑）的用量。也是先確定各種石的比例，然后確定砂率。比如以“干砂漿”體積填充石子空隙以及其他的“正填法”、“逆填法”。

4、骨料密實(shí)級(jí)配，富勒理想級(jí)配的曲線公式：P=A+（100-A）* 式中 P---通過某一篩孔的顆粒百分?jǐn)?shù)%A---系數(shù)，隨混凝土的坍落度而變，查下表d---某一篩的篩孔寬或直徑mmD---骨料的最大粒徑mm由上式計(jì)算出來的各級(jí)顆粒百分?jǐn)?shù)，可作為密實(shí)級(jí)配的參考，在此基礎(chǔ)上作適當(dāng)調(diào)整，求出骨料容重最大的級(jí)配，即為密實(shí)級(jí)配。

5、按間斷級(jí)配間斷級(jí)配是人為的剔去骨料中的某些中間級(jí)，在顆粒配合時(shí)故意造成顆粒尺寸的間斷，也就消除了較小顆粒的契塞和支撐作用所造成的空隙，使骨料的空隙率達(dá)到最小。間斷級(jí)配的顆粒組成不能用篩分曲線圖來表示。間斷級(jí)配的優(yōu)點(diǎn)是空隙率小，比連續(xù)級(jí)配的密實(shí)度高。

間斷級(jí)配的各檔集料組合之間關(guān)系，以D1、D2、D3、D4表示各檔顆粒粒徑的上限，d1、d2、d3、d4為其下限，則：第一檔組合 D1/d1=1.5第二檔組合 D2/d2=1.5—2第三檔組合 D3/d3=2第四檔組合 D4/d4=2至于D1、D2、D3、D4之間的關(guān)系，卵石：D2/D1=1/8，D3/D2=1/6—1/8，D4/D3=1/6；碎石：D2/D1=1/10，D3/D2=1/8—1/10，D4/D3=1/8。

一般情況下只要采用兩檔級(jí)配，很少采用四檔級(jí)配，因?yàn)橛玫诙n組合的集料填充第一檔組合的集料，其填滿程度就可以達(dá)到95%。

骨料中斷后，下一級(jí)和上一級(jí)顆粒平均尺寸的比值一般采用1：4—1：6之間。在一般工業(yè)與民用建筑上，以采用兩級(jí)中斷為宜。如最大粒徑為40mm，其分級(jí)可為5—10mm，20--40mm。在大體積（如水工）中，可采用三級(jí)中斷。如最大粒徑為250mm，其分級(jí)可為5—10mm，25--50mm，150--250mm。當(dāng)最大粒徑小于25mm時(shí)，因空隙率的減少不顯著，不宜采用。以上5種方法可以配出密實(shí)的組合，卻不能保證流動(dòng)性。

6、基于連續(xù)級(jí)配的砂石統(tǒng)一曲線基于砂、石都是骨料，只不過是顆粒粗、細(xì)的區(qū)別和石、砂分別配在二者的粒徑交界處會(huì)有很大的“撞車” 可能，應(yīng)該將砂、石統(tǒng)一考慮，以簡化、優(yōu)化合成骨料級(jí)配的方法。以FULLER最大密度曲線理論為基礎(chǔ), 參考混凝土泵送規(guī)范的最佳級(jí)配線和適宜泵級(jí)配區(qū)、骨料組成對(duì)強(qiáng)度的影響、個(gè)別孔徑顆粒對(duì)泵送的影響(如0.315等)對(duì)曲線作一定的修正,形成砂石統(tǒng)一曲線。

曲線(略)經(jīng)過與幾個(gè)區(qū)域的實(shí)際應(yīng)用配比對(duì)比： 僅僅是死板的按曲線計(jì)算得出的結(jié)果與實(shí)際使用的配比相差不大(實(shí)際應(yīng)用時(shí)不是僅僅考慮流動(dòng)性最好,而是成本第一)；對(duì)存在問題的配比也可以比較直觀的發(fā)現(xiàn)問題所在；無論是天然砂、機(jī)制砂還是石屑都一樣適用。

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混凝土企業(yè)對(duì)骨料級(jí)配搭配的優(yōu)化主要是以空隙率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般認(rèn)為，具有最小空隙率或者最大密度的混凝土骨料是最經(jīng)濟(jì)的。隨著空隙率降低，可使得混凝土硬化體系更加均勻密實(shí)，強(qiáng)度增加，或者在強(qiáng)度不變的情況下，膠凝材料的用量可以減少，對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)來講存在巨大的經(jīng)濟(jì)效益。要想獲得較小空隙率級(jí)配要求的骨料，市售產(chǎn)品很難達(dá)到要求，最經(jīng)濟(jì)的手段為通過兩種或兩種以上的骨料混合達(dá)到。

研究人員通過對(duì)骨料級(jí)配的大量研究，建立最優(yōu)的理想級(jí)配曲線，得到理論最大密度或最小空隙率的骨料最優(yōu)理論級(jí)配曲線模型，然后用試算法確定骨料各級(jí)配的混合比例，但在工程實(shí)際運(yùn)用中往往不太方便。如何科學(xué)地對(duì)混凝土骨料級(jí)配進(jìn)行重新組合，簡單方便的實(shí)現(xiàn)最佳的粒徑搭配，是混凝土生產(chǎn)企業(yè)和骨料供應(yīng)企業(yè)提升骨料質(zhì)量和技術(shù)控制的關(guān)鍵點(diǎn)。

為此，本文針對(duì) 5～25mm 粗骨料的工程中常用 5～10mm、10～16mm、16～20mm 和 20～25mm 四個(gè)粒級(jí)，分別測(cè)定四個(gè)粒級(jí)的二元、三元和四元混合體系的空隙率。并采用不同空隙率的骨料級(jí)配，進(jìn)行了 C30 混凝土試配，分析粗骨料空隙率對(duì)混凝土和易性和力學(xué)性能的影響程度。以此為骨料生產(chǎn)企業(yè)和混凝土控制和提升企業(yè)粗骨料質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本提供參考依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

原材料

水泥：品種為 P·O 42.5R。

粉煤灰：Ⅱ級(jí)，45μm 篩余 19%，燒失量為 3.5%，需水量比 102%，唐山陡河電廠。

高爐礦渣粉：S95 級(jí)，比表面積 418m2/kg，活性指數(shù) 102%，唐山銀豐鋼廠。

砂子：Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù) 2.65。

石子：表觀密度 2744kg/m3。選取了某骨料生產(chǎn)企業(yè)小粒徑、中等粒徑和大粒徑三個(gè)種類碎石石子，三個(gè)粒級(jí)各自級(jí)配如表 1 所示。

外加劑：聚羧酸減水劑，固含量 12%，減水率 23%。

試驗(yàn)方案

1、骨料級(jí)配試驗(yàn)

第一步：進(jìn)行骨料篩分，得到 5～10mm、10～16mm、16～ 20mm 和 20～25mm 四種單粒級(jí)骨料樣品。

第二步：分別制備二元混合體系、三元混合體系、四元混合體系粗骨料樣品。具體方法為：固定某一單粒級(jí)的用量，調(diào)節(jié)其他粒級(jí)的比例，步長為 10%。

2、粗骨料空隙率測(cè)試

進(jìn)行空隙率測(cè)定：對(duì)象是單粒級(jí)、二元混合體系、三元混合體系、四元混合體系的石子。參照 GB/T 14685— 2011《建筑用卵石和碎石》中測(cè)定方法，按 7.12 和 7.13 分別測(cè)定石子的表觀密度及堆積密度，按下式計(jì)算空隙率。

V0=(1-ρ1/ρ2)×100%

式中：V0——空隙率，%；

ρ1——松散堆積密度，kg/m3；

ρ2——表觀密度，kg/m3。

3、不同空隙率骨料下混凝土的拌制及性能測(cè)試

制備空隙率分別為 46%、44%、42% 和 40% 四種骨料，要注意粒徑搭配。然后再混凝土試配。試配時(shí)記住保持不變的是膠凝材料和外加劑用量，單方用水量和砂率是調(diào)整關(guān)鍵，把混凝土的坍落度控制在 230～250mm、擴(kuò)展度控制在 550～600mm，測(cè)試 28d 抗壓強(qiáng)度，分析空隙率對(duì)混凝土性能的影響。

結(jié)果討論

1、粗骨料級(jí)配與空隙率關(guān)系

篩分后單粒級(jí)粗骨料空隙率檢測(cè)結(jié)果如表 2 所示。

2、二元系統(tǒng)級(jí)配與空隙率的關(guān)系

構(gòu)成二元系統(tǒng)是在5～25mm 粒徑范圍內(nèi)四個(gè)單粒級(jí)兩兩搭配，共六種粒徑組合、54 組不同的級(jí)配比例，試驗(yàn)結(jié)果見表3～5。

這樣兩種粒徑不同的骨料不同搭配可明顯降低空隙率，單粒級(jí)時(shí)是 46%～48%，“混搭”后最低可降至 40% 左右，降幅超過 5%。空隙率的降低程度受粒徑及其所占比例的影響。

首先，空隙率最低值基本都出現(xiàn)在小粒徑骨料比例為30%～40% 左右。其次，空隙率的降低程度與相鄰粒徑半徑比值密切相關(guān)。六種粒徑組合對(duì)空隙率的降低程度如下：

5～10mm & 20～25mm ＞5～10mm & 16～20mm ＞5～10mm & 10～16mm＞10～16mm & 20～25mm＞10～16mm & 16～20mm＞16～20mm & 20～25mm；最明顯的是前四種組合，其 R小/R大 較小，尤其是 5～10mm與 20～25mm 組合；而后兩種相鄰粒徑組合對(duì)空隙率影響不大。

根據(jù)球體堆積理論，假設(shè)較大粒級(jí)石子做等大球體的最緊密堆積，小粒級(jí)石子填充空隙將使空隙率進(jìn)一步降低。小粒級(jí)石子所填充空隙類型取決于粒徑之比。根據(jù)各單粒徑骨料的算術(shù)平均粒徑，計(jì)算小/大石子的粒徑比 R小/R大，如表6 所示。

二元石子組合的降低空隙率程度隨著 R小/R大粒徑比值增大而下降?？障堵实慕档妥饔米蠲黠@是在R小/R大=0.33～0.58，而 R小/R大>0.72 時(shí)，由于兩個(gè)粒級(jí)半徑接近，產(chǎn)生干擾作用，體系空隙率基本無降低。

綜上所述，二元骨料進(jìn)行搭配時(shí)，小石子和大石子的粒徑比 R小/R大> 0.72 時(shí)，二元組合空隙率基本不變；R小/R大 < 0.60、小粒徑骨料所占比例為 30%～40%="" 時(shí)，體系空隙率達(dá)到較好的優(yōu)化效果。

3、三元系統(tǒng)級(jí)配與空隙率的關(guān)系

參照5～ 25mm 連續(xù)級(jí)配石子的級(jí)配范圍，首先固定 16～20mm 比例，分別設(shè)定為 30%、40%、50%、60% 和 70%，調(diào)整5～10mm、10～16mm的比例，步長 10%。試驗(yàn)三元系統(tǒng)的級(jí)配與空隙率的關(guān)系，其結(jié)果列于表 7 ，趨勢(shì)如圖 2 所示。

圖 2 結(jié)果顯示，三元級(jí)配相對(duì)于二元體系可進(jìn)一步降低空隙率。與二元體系相比，最低空隙率的出現(xiàn)位置略有差別。

16～20mm 比例>60% 時(shí)，空隙率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，這是因?yàn)轶w系中大石子比例過大，相對(duì)應(yīng)填充空隙的小石子數(shù)量減少。16～20mm 石子比例<60 %，產(chǎn)生最低空隙率時(shí)，5～10mm 與10～16mm 混搭比例接近 5:5 ，此時(shí) 5～10mm粒徑整體占比約為20%～40% 之間，由此可見體系中小粒徑顆粒比例對(duì)空隙率起較大作用。此三元體系中，5～10mm∶10～16mm∶16～20mm="1:1:2" 時(shí)，空隙率出現(xiàn)最小值。

4、四元系統(tǒng)級(jí)配與空隙率的關(guān)系

二元體系試驗(yàn)顯示搭配比例對(duì)空隙率的影響較小，16～20mm 與 20～25mm 顆粒粒徑接近。因此在三元體系最低空隙率的基礎(chǔ)上，繼續(xù)改變預(yù)計(jì)四元體系中 16～20mm 與20～25mm 的搭配比例（表 8），驗(yàn)證是否可將兩個(gè)粒級(jí)合并考慮。

表 8 結(jié)果顯示，16～20mm 與 20～25mm 兩者比例對(duì)整體空隙率影響較小，建議考慮骨料級(jí)配時(shí)可以直接合并兩者總量。

5、5～25mm 三級(jí)配粗骨料與空隙率的關(guān)系

綜上，對(duì)于5～25mm 連續(xù)級(jí)配石子為了獲得空隙率的骨料級(jí)配，可按 5～10mm、10～16mm 和 16～25mm 三粒級(jí)進(jìn)行優(yōu)化混搭。參照相圖的繪制方法，制備了骨料級(jí)配—空隙率圖（圖 3），標(biāo)注了試驗(yàn)中二元和三元骨料混搭時(shí)的空隙率數(shù)據(jù)，以作為石子搭配的參考。

6、骨料空隙率與混凝土性能關(guān)系研究

考察粗骨料級(jí)配對(duì)混凝土性能的影響程度建立在骨料空隙率測(cè)定基礎(chǔ)上。選取了四種不同骨料級(jí)配，空隙率分別是 40%、42%、44%和 46% ，試配混凝土，配合比如表 9 所示。試配時(shí)，保持膠凝材料各組分比例、用量和外加劑用量不變，通過調(diào)整單方用水量和砂率使混凝土的坍落度控制在 230～250mm、擴(kuò)展度控制在 550～600mm。混凝土的出機(jī)性能及 28d 抗壓強(qiáng)度如表 10 所示。

由表 10，保持混凝土中膠凝材料比例、用量和外加劑用量不變的情況下，隨空隙率降低，混凝土單方用水量隨之降低，混凝土的強(qiáng)度隨之提高，空隙率與混凝土的單方用水量有良好的相關(guān)性。當(dāng)空隙率由 46% 降至最低空隙率 40%，混凝土的 28 天強(qiáng)度相差 13.4MPa?；炷猎诖止橇峡障堵势骄拷档?1% 的情況下，28 天強(qiáng)度提高約為 2MPa，因此調(diào)整骨料級(jí)配，降低空隙率，有利于降低混凝土的單方成本。

結(jié)論

（1）骨料和混凝土生產(chǎn)過程中，通過調(diào)整 5～10mm、10～16mm 和 16～20mm和 20～25mm 四個(gè)粒級(jí)的粗骨料級(jí)配，使空隙率由 46% 降至 40% 左右，混凝土 28 天強(qiáng)度提升13.3MPa?？梢杂行У慕档突炷恋膯畏匠杀?，提升混凝土質(zhì)量。

（2）二元骨料級(jí)配顯示，骨料粒徑比 R小/R大 < 0.60="">小粒徑骨料占比 30%～40% 之間，對(duì)空隙率有較好的優(yōu)化效果。R小/R大 >0.72 時(shí)，對(duì)空隙率降低不明顯。

（3）三元粗骨料混合體系中，粗骨料最佳混合比例為5～10mm 占 25%，10～16mm 占 25%，16～20mm 占 50%，即各組分比例為 1:1:2。

（4）四元粗骨料混合體系中，16～20mm 與 20～25mm兩者比例對(duì)整體空隙率影響較小，在考慮骨料級(jí)配時(shí)可以直接考慮兩者總量。

來源：砼學(xué)研究院

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