骨料級配優化在預拌混凝土生產中的應用

王恒，曲俐俐

（中交一航局第二工程有限公司預拌分公司，山東 青島 266071）

面對砂石料資源缺乏的現實，某些級配不合格的石子也不得不應用于工程。以往也有采取多加水泥，提高砂率的辦法，但仍出現拌合物和易性不良、離析等現象，直接影響混凝土質量。本文研究了利用市場級配不佳的碎石（砂亦然），優化調配出符合規范要求的級配，生產出質量合格的混凝土。

1 骨料級配優化措施

1.1 粗骨料級配對混凝土質量的影響

集料的級配直接影響新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的性能，如強度、變形、熱學性能等，也會影響混凝土的成本。好的集料級配顆粒間空隙少，總表面積小，可以在較少用水量的條件下制備出密實性好的混凝土。

1.2 粗骨料級配優化措施

在《普通混凝土用砂石質量及檢驗方法標準》、《建筑用卵石、碎石》中明確指出，“單粒級宜用于組合成具有要求級配的連續粒級，也可與連續粒級混合使用，以改善其級配配成較大粒度的連續粒級。”這就給優化骨料級配指明了方向，其中5～31.5 mm連續粒級一般多由5～20 mm或5～25 mm等連續粒級的石子和16～31.5 mm單粒級的石子組合而成，16～31.5 mm單粒級的石子一般都能達到規范要求，但目前連續粒級的碎石多級配不良并且有的石子名稱都是某種連續級配，但實際上顆粒粒徑差別很大。針對此類情況采取的措施如下：某工地要求用粒徑5～31.5 mm連續粒級的碎石，擬用5～25 mm連續粒級的石子和16～31.5 mm單粒級的石子組合配成，而從即墨和萊西兩個石料場進場的兩種5～25 mm碎石的實際級配如表1；16～31.5 mm碎石級配如表2。

從表1中的累計篩余可看出，兩種石子均不符合5～25 mm連續碎石級配要求，并且兩種碎石級配差別很大，即墨石子主要為16 mm以上粒徑顆粒，而萊西石子16 mm以下粒徑顆粒較多，為了保證混凝土質量，采取在料場中設置隔離帶把兩種碎石分開存放分開使用的措施，通過多次試驗調試，把萊西石子、即墨石子和16～31.5 mm碎石分別按50∶30∶20的比例混合后，得到了符合規范要求的級配良好的碎石，試驗調配后監測數據如表3所示。

表1 即墨石子與萊西石子級配

表2 16～31.5 mm碎石級配

表3 試驗調配后5～31.5 mm碎石的級配

從表3可看出，經過現場試驗調配后的5～31.5 mm碎石完全符合JGJ 52—2006標準規定的5～31.5 mm連續粒級級配標準，實際工程上常根據土力學中的兩個重要指標不均勻系數與曲率半徑來判斷土的顆粒級配是否良好，其中不均勻系數Cu反映土顆粒不同粒徑的分布情況，曲率半徑Cc反映土的粒徑級配是否連續，一般認為同時滿足Cu≥5及Cc=1～3兩個條件時可稱為良好級配礫石或良好級配砂。但需注意的是土顆粒分布范圍大，從小于0.002 mm的膠粒到60 mm大的礫石，而我們分析的連續級配碎石粒徑范圍較小，只相當于土顆粒粒徑的一部分，因此具體在不均勻系數Cu的取值上有差別。經計算5～31.5 mm連續碎石粒級級配的上限值、下限值和中間值的不均勻系數和曲率系數分別為：上限Cu=2.14，Cc=0.97；下限Cu=3.09，Cc=1.29；中值Cu=2.70，Cc=1.20。由此筆者認為對于連續級配碎石不均勻系數的取值可為Cu≥2，而曲率系數Cc取值在1～3之間是合理的。調配后5～31.5 mm碎石的Cu=2.18，Cc=1.02，滿足 Cu≥2及 Cc=1～3兩個條件，故該級配碎石是級配良好的。經工地使用驗證，采用優化級配后的5～31.5 mm碎石拌制的混凝土工作性能良好，質量符合要求。

此外，很多時候由于泵送工藝、結構截面的最小尺寸和鋼筋最小凈間距等要求，需要使用5～25 mm等連續粒級的石子，而目前市場供應的兩種石子均不符合級配要求，因此，采用兩種石子通過試驗調配、按試驗確定的一定比例搭配混合使用的辦法，也得到了良好的效果。根據表1的篩分分析結果，用60%的即墨石子和40%的萊西石子進行混合，調整后的石子完全符合粒徑5～25 mm連續粒級碎石級配標準。

1.3 細骨料級配優化措施

1.3.1 細骨料的級配及其對混凝土質量的影響

砂的級配是評定水泥混凝土用砂質量的一個重要指標。根據0.63 mm篩孔的累計篩余百分率，分3個標準級配區。在3個級配區中，I區的砂是粗砂，其需水量小，但容易離析，宜配制低水膠比富水泥漿拌合物。III區的砂級配較細，保水性好，但需水量大，宜配制高水膠比貧水泥漿拌合物。II區的砂為中砂，此種砂顆粒大小適中級配良好，較適宜于配置大流動性的泵送混凝土。

1.3.2 級配優化措施

天然砂由于其形成原因、生產采集工藝等的限制，其特細級配部分是不完善的，而人工砂中有一定量石粉的存在，可以彌補天然砂特細級配不足的缺陷，機制砂顆粒棱角分明，比表面積相應增加，完全替代河砂用于混凝土中會造成水泥用量及用水量過大，而且較易發生離析現象。本文通過試驗，在混凝土中摻入適當比例的機制砂代替部分河砂，改善細集料的顆粒級配，配制出滿足施工規范要求的泵送混凝土。

例如，我們在某一工地需用的泵送混凝土，要求用中砂，而實際采購進場的砂的級配如表4所示。

可以看出此種砂細度模數為3.1，屬于粗砂，并且其0.315 mm篩孔的通過率僅為9%，不符合泵送混凝土用砂要求，為了完善細骨料的級配，提高混凝土密實性，通過試驗在此天然砂中摻入了部分人工砂，摻入的人工砂級配如表5所示。

如表5所示，該人工砂細度模數2.81屬于中砂，級配較好，其通過0.315 mm的細粉較多，純天然砂這部分顆粒相對少一些，在天然砂中摻一定比例的人工砂可以彌補其通過0.315 mm顆粒過少的缺陷。根據兩種砂的篩分結果，通過調配試驗，摻入50%人工砂的混合砂的級配情況如表6。

表4 采購的天然砂的級配

表5 人工砂的級配

表6 混合砂的級配

該結果表明，以50%機制砂與50%天然砂混合后所得到的砂，細度模數適中，空隙率低，同時其Cu=6.56，Cc=1.31，滿足Cu≥5及Cc=1～3兩個條件，因此該混合砂級配良好，且通過0.315 mm篩孔的累計篩余量不大于85%，因此，該混合砂是配制泵送混凝土的較理想的細骨料。該工程中使用的粗骨料為前文所述調配后的5～31.5 mm連續級配碎石，細骨料為該混合砂，當采用33%的砂率即砂∶石=33∶67時，整個骨料的級配如表7。

表7 33%砂率的骨料級配

計算得不均勻系數Cu=27.56，曲率系數Cc=1.45，同時滿足Cu≥5及Cc=1～3兩個條件，故整個骨料級配良好。同時33%的砂率與JGJ 55—2000普通混凝土配合比設計規程中給出的塑性混凝土推薦砂率值基本一致，同時考慮泵送混凝土塌落度較大，要求有較多砂漿富余量的特質，按照每增加20 mm，砂率增加1%的原則，最終選定砂率為40%，經工地使用驗證，采用以上骨料優化級配后的拌制的混凝土工作性能良好，質量完全符合要求。

2 產生的效益

在滿足混凝土強度等耐久性的前提下，采取骨料優化的方法，調配出合理的骨料級配，使得集料具有較少的空隙率，可以減少混凝土中水泥漿體的量，從經濟上講，可以有效地降低混凝土的成本，取得良好的經濟效益。根據試驗結果來看，使用經過優化的骨料每方混凝土至少可節約水泥10～20 kg，相應的減水劑用量也可降低，混凝土成本降低5～10元/m3是完全可以做到的。

3 結語

長期以來，在實際應用中，人們一般只重視膠凝材料質量而忽略了骨料質量的重要性，同時也由于資源的限制，市場上的各種級配不良的砂石料的應用，預拌混凝土生產企業往往被迫采用提高砂率、提高漿骨比等方法來保證混凝土的和易性，易造成膠凝材料用量偏大，提高了混凝土生產成本，對混凝土的性能也造成了不利的影響。應用土顆粒級配的評價方法和規范規定的連續級配區間范圍對進場的砂石進行級配評估，并首次把砂石骨料做為一個整體進行考量，進一步優化了骨料級配，不僅能夠獲得質量優良的混凝土，還能從一定程度上降低了混凝土成本，具有較好的實用性，也取得了一定的經濟效益。

[1]JGJ52—2006，普通混凝土用砂石質量及檢驗方法標準[S].

[2]GB/T 14685—2006，建筑用卵石、碎石[S].

[3]GB/T 14684—2006，建筑用砂[S].

[4]JGJ/T 10—95，混凝土泵送施工技術規程[S].

[5] 周運燦，姜志遠，王秋瑗.解決石子級配不合格的有效途徑[J].低溫建筑技術，1995（1）：19-20.

[6] 秦宇峰，王會民，周迎雪.機制砂在普通混凝土中的應用[J].山西建筑，2007（6）：182-183.

[7] 華東水利學院土力學教研室.土工原理與計算[M].江蘇：水利電力出版社，1979.

[8] 錢家歡.土力學[M].江蘇：河海大學出版社，1998.