不同類型砂石復(fù)配使用方法的應(yīng)用實(shí)踐

孫亞楠，余春榮，李國(guó)宏，耿加會(huì)

（1. 舞陽(yáng)縣惠達(dá)公路工程有限公司，河南 舞陽(yáng) 462400；

2. 建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，北京 100024）

不同類型砂石復(fù)配使用方法的應(yīng)用實(shí)踐

孫亞楠1，余春榮2，李國(guó)宏1，耿加會(huì)1

（1. 舞陽(yáng)縣惠達(dá)公路工程有限公司，河南 舞陽(yáng) 462400；

2. 建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，北京 100024）

本文從不同粒徑的砂石進(jìn)行復(fù)配的角度出發(fā)，通過(guò)復(fù)配達(dá)到滿足國(guó)家規(guī)范的技術(shù)指標(biāo)要求。筆者分別探索出砂子和石子的復(fù)配方法，這兩種方法通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，快速確定砂石的不同品種之間的復(fù)配比例。找到了混合砂細(xì)度模數(shù)和碎石復(fù)配計(jì)算的簡(jiǎn)易方法，方便試驗(yàn)和生產(chǎn)。

顆粒級(jí)配；細(xì)度模數(shù)；混合砂；碎石復(fù)配；空隙率

0 概述

骨料作為水泥混凝土的重要組成部分，在預(yù)拌混凝土中占到約 70% 的比例。隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越要求骨料的質(zhì)量穩(wěn)定、粒形和級(jí)配良好。我國(guó)的骨料名義上的連續(xù)級(jí)配，實(shí)際上其中部分顆粒缺失，造成骨料級(jí)配單一、空隙率增大，導(dǎo)致混凝土配制時(shí)砂率高、漿體多、水泥用量大，不僅混凝土成本高，并且在混凝土和易性、強(qiáng)度方面的負(fù)面作用突出，而且體積穩(wěn)定性也較差。良好的級(jí)配，有利于對(duì)混凝土質(zhì)量的控制，同時(shí)也有利于降低生產(chǎn)成本。

針對(duì)不同級(jí)配的砂石在入場(chǎng)及使用時(shí)，如何進(jìn)行重新組合這一技術(shù)難題，筆者結(jié)合 GB/T 14684—2011《建筑用砂》、GB/T 14685—2011《建筑用碎石、卵石》及 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》對(duì)骨料的技術(shù)指標(biāo)要求，探索用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)計(jì)算的方法破解骨料復(fù)配這一難題，以實(shí)現(xiàn)骨料的最佳生產(chǎn)級(jí)配。

1 原材料

1.1 水泥

平頂山市郟縣中聯(lián)水泥 P·O42.5，其物理力學(xué)性能如表1。

表 1 水泥的物理與力學(xué)性能

1.2 粉煤灰

平頂山姚孟電廠Ⅱ級(jí)灰，其性能如表 2。

表 2 粉煤灰性能

1.3 粗集料

舞鋼市礦山碎石，5～25mm 與 5～10mm 兩種復(fù)配使用。其性能指標(biāo)如表 3。

表 3 舞鋼碎石性能指標(biāo)

1.4 細(xì)集料

平頂山市葉縣辛店鎮(zhèn)河砂，平頂山市舞鋼尾礦砂篩分指標(biāo)見(jiàn)表 4。

表 4 舞鋼尾礦砂篩分指標(biāo)

1.5 減水劑

脂肪族復(fù)合高效減水劑，其性能指標(biāo)見(jiàn)表 5。

表 5 減水劑性能指標(biāo)

2 砂的復(fù)合使用

2.1 砂的細(xì)度模數(shù)與顆粒級(jí)配的關(guān)系

砂子的細(xì)度模數(shù)是砂子的一個(gè)重要指標(biāo)，通常用來(lái)表示砂子的粗細(xì)程度。砂子的級(jí)配決定細(xì)度模數(shù)，同一細(xì)度模數(shù)的砂子可以有多種級(jí)配（表 6），砂子的細(xì)度模數(shù)相同不代表砂子的級(jí)配相同。

表 6 砂子的細(xì)度模數(shù)均為 3.0 的中砂，級(jí)配不同

砂子的細(xì)度模數(shù)雖然不能全面反映砂子的顆粒級(jí)配情況，但作為一種簡(jiǎn)明的指標(biāo)，可以在一定程度上反映砂子的差別。通常情況下（除間斷級(jí)配、中間一級(jí)或連續(xù)兩級(jí)含量過(guò)多的連續(xù)級(jí)配差者外），細(xì)度模數(shù)固定，級(jí)配發(fā)生變化對(duì)混凝土的性能影響很小。商品混凝土是一種專業(yè)的、批量生產(chǎn)的混凝土單位，砂子的用量大，砂子的來(lái)源復(fù)雜、級(jí)配多變，給混凝土質(zhì)量控制的穩(wěn)定帶來(lái)很大的難度，完全依靠砂子的級(jí)配變化來(lái)控制混凝土質(zhì)量是不現(xiàn)實(shí)的。因此，我們要通過(guò)找到砂子的細(xì)度模數(shù)對(duì)混凝土性能的影響，通過(guò)對(duì)砂子細(xì)度模數(shù)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)控制混凝土的質(zhì)量。

2.2 砂子的細(xì)度模數(shù)對(duì)混凝土性能的影響

為了研究砂子的細(xì)度模數(shù)變化對(duì)混凝土性能有較好的相關(guān)性，特采用砂子細(xì)度模數(shù)為 2.4～3.2 的中、粗砂進(jìn)行配合比試驗(yàn)。設(shè)計(jì)配合比要求坍落度為 180～200mm，以滿足實(shí)際生產(chǎn)中大流動(dòng)性泵送混凝土生產(chǎn)的實(shí)際需要。在試驗(yàn)中保持其他參數(shù)不變，僅改變砂子的細(xì)度模數(shù)，進(jìn)行混凝土坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比各細(xì)度模數(shù)的砂子對(duì)混凝土工作性能的影響。配合比見(jiàn)表7，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表 7 C30 試驗(yàn)配合比 kg/m3

表 8 不同細(xì)度模數(shù)的砂子對(duì)混凝土工作性能的影響

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出：（1）隨著砂子細(xì)度模數(shù)的增大，混凝土坍落度先增大后減小。當(dāng)砂子細(xì)度模數(shù)變小時(shí)，砂子的比表面積增大，需水量增加，混凝土表現(xiàn)坍落度變小；當(dāng)砂子細(xì)度模數(shù)變大時(shí)，砂子的比表面積減小，需水量減少，混凝土出現(xiàn)泌漿現(xiàn)象，石子出現(xiàn)堆積，坍落度變小。（2）砂子的細(xì)度模數(shù)減小，混凝土保水性變好，流動(dòng)性變差，擴(kuò)展度變小；砂子的細(xì)度模數(shù)增大，混凝土保水性變差，做擴(kuò)展度試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)水圈。（3）隨著砂子細(xì)度模數(shù)的增加，混凝土工作性先變好后變差。在細(xì)度模數(shù)適合時(shí)，混凝土和易性較好，符合施工要求。細(xì)度模數(shù)大于 3.0 時(shí)泌水增加，可泵性變差。這時(shí)砂子粗顆粒過(guò)多，比表面積小，保水性差，混凝土中多余的水浮在表面或邊緣。（4）水膠比是混凝土強(qiáng)度的決定因素，砂子細(xì)度模數(shù)的變化對(duì)混凝土強(qiáng)度的變化影響不大，不超出 2～3 MPa。

2.3 砂子的復(fù)合使用方法

對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，由于水膠比不同，膠凝材料用量不同，所要求的砂子的細(xì)度模數(shù)也不相同。按照上述C30的試驗(yàn)方法分別對(duì) C15～C60 的各強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證（圖 1）。

圖 1 不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土最佳細(xì)度模數(shù)

由圖 1 可以看出，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高對(duì)砂子的細(xì)度模數(shù)要求也越高，混凝土強(qiáng)度等級(jí)高，水膠比小，膠凝材料用量大，膠凝材料的細(xì)度較小，漿體的富余量大，對(duì)砂子中的細(xì)顆粒需求量相對(duì)較少；低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，水膠比大，膠凝材料用量少，漿體不足以填充集料間的空隙，需要有較多的細(xì)顆粒來(lái)填充空隙，因此對(duì)砂子的細(xì)顆粒量要求大，砂子的細(xì)度模數(shù)相應(yīng)較小。

由此可見(jiàn)，不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土對(duì)砂子的細(xì)度模數(shù)要求也不相同，商品混凝土公司所生產(chǎn)的混凝土等級(jí)多樣。為了滿足不同的混凝土對(duì)砂子細(xì)度模數(shù)的要求，可以選用不同細(xì)度模數(shù)的砂子復(fù)配使用便于控制實(shí)際生產(chǎn)控制。

例如，現(xiàn)有兩種不同細(xì)度的砂，分別為 μf=1.7 和 3.2，欲將其復(fù)配為細(xì)度模數(shù) 2.7 的砂，其各自的百分比為：

設(shè)：細(xì)度模數(shù) 3.2 的砂復(fù)配百分?jǐn)?shù)為 X，μf=1.7 的砂為(1- X)

3.2X+1.7 (1- X) = 2.7，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算， 則細(xì)度模數(shù) 3.2的砂為 67%；細(xì)度模數(shù) 1.8 為 33%。

將河砂 (67%) 與尾礦砂 (33%) 進(jìn)行復(fù)配，篩分指標(biāo)見(jiàn)表9。

表 9 河砂與尾礦砂復(fù)配的篩分指標(biāo)

圖 2 河砂 (67%) 與尾礦砂 (33%) 篩分級(jí)配圖

該種砂子的復(fù)配方法可以根據(jù)混凝土對(duì)砂子細(xì)度模數(shù)不同的要求，迅速確定不同細(xì)度模數(shù)砂子的復(fù)配比例，對(duì)砂子的細(xì)度模數(shù)變化情況及時(shí)調(diào)整。在實(shí)際生產(chǎn)中每種砂通過(guò)不同的料倉(cāng)分別計(jì)量，以確保混合砂摻配比例準(zhǔn)確，質(zhì)量均勻。

3 石子的復(fù)合理論及應(yīng)用

連續(xù)級(jí)配碎石由大粒徑和小粒徑兩種不同粒徑組成，受粒徑級(jí)配數(shù)量的不同影響，連續(xù)級(jí)配碎石可以形成不同的組成結(jié)構(gòu)：懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)和骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)（圖3）。泵送混凝土需要相對(duì)密實(shí)的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)骨料組合這種骨架結(jié)構(gòu)易于流動(dòng)，利于泵送。

圖 3 級(jí)配碎石組成結(jié)構(gòu)圖

碎石的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)是一種連續(xù)級(jí)配的組合形式，連續(xù)級(jí)配是按照不同尺寸顆粒按照一定的比例合理搭配，從而達(dá)到最小的空隙率，較小的比表面積。在碎石的生產(chǎn)過(guò)程中，由于裝、卸、運(yùn)輸?shù)葎?dòng)力作用下，只能達(dá)到數(shù)量上的級(jí)配，無(wú)法做到整體級(jí)配的均勻性。為了克服在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的這種在動(dòng)力作用下，小顆粒向下移動(dòng)，大顆粒留在表面的現(xiàn)象，在混凝土的生產(chǎn)過(guò)程中采用分級(jí)供應(yīng)，使用了用單粒級(jí)兩級(jí)配或三級(jí)配，按量復(fù)配使用來(lái)優(yōu)化級(jí)配，減小空隙率，降低膠凝材料用量。用兩級(jí)配或三級(jí)配復(fù)合的原則就是顆粒較小的碎石填滿顆粒較大的碎石并有一定的富余量，能在較大碎石間形成一定的松動(dòng)效應(yīng)（如圖 4），以減少碎石間的摩擦阻力，改善骨料的潤(rùn)滑作用，從而改善混凝土的流動(dòng)性。

圖 4 碎石的松動(dòng)效應(yīng)圖

按照上述填充理論則有：

將式 (2) 代入 (1) 得：

將 (4)、(5) 代入 (3)，整理得：

以上各式中：

V'、V'——分別為 1m3混凝土中大粒徑碎石、小粒徑

0j0x碎石的體積，m3；

ρ0j'、ρ0x'——分別為大粒徑碎石、小粒徑碎石的堆積密度，kg/m3；

ρ0j——大粒徑碎石的表觀密度，kg/m3；

m、m——分別為 1m3混凝土中大粒徑碎石、小粒徑碎

jx石的質(zhì)量，kg；

Pj——大粒徑碎石的空隙率，%。

式 (6) 是兩種不同粒徑碎石的合理?yè)搅坑?jì)算公式，由試驗(yàn)報(bào)告的基本數(shù)據(jù)就可以算出兩種不同粒徑碎石的復(fù)配合理?yè)搅俊?/p>

例如：現(xiàn)有 5～25mm 和 5～10mm 兩種不同粒徑的碎石，根據(jù)表 3 整理其基本數(shù)據(jù)如表 10。將其復(fù)配為 5～25mm連續(xù)級(jí)配的石子。

表 10 復(fù)配前碎

將表 10 材料的各項(xiàng)指標(biāo)代入式 (6)：

則可以得出：

5～10mm 的碎石在該連續(xù)級(jí)配中的摻量約為 28.0%時(shí)，該連續(xù)級(jí)配碎石的工作性最佳。按此比例進(jìn)行復(fù)配后測(cè)得表觀密度為 1668kg/m3，空隙率為 38%。表 11 和圖 5 是該復(fù)配方案的結(jié)果。

表 11 5～10mm (28%) 和 5～25mm (72%) 進(jìn)行復(fù)配

圖 5 5～10mm (28%) 和 5～25mm (72%)復(fù)配篩分曲線圖

4 結(jié)論

（1）對(duì)于混凝土生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，遇到的不符合細(xì)度模數(shù)或顆粒級(jí)配的的骨料，采用兩種規(guī)格的骨料按照上述方法進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算并按結(jié)果進(jìn)行復(fù)配，定量計(jì)算出兩種不同骨料的摻量比例。按上述方法摻配可以克服單一骨料的不利影響，取長(zhǎng)補(bǔ)短，配制出級(jí)配更加合理、符合質(zhì)量要求的骨料，從而改善混凝土的各項(xiàng)性能。

（2）在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，采用兩種級(jí)配的骨科進(jìn)行復(fù)配，可以克服原材料的小幅度波動(dòng)。不同顆粒級(jí)配的骨料按照計(jì)算確定的比例，通過(guò)不同料倉(cāng)分別計(jì)量，以確保混合砂摻配比例準(zhǔn)確、質(zhì)量均勻。

（3）在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，不同類型的骨料在混凝土配合比中摻配比例不能過(guò)小，造成混凝土攪拌機(jī)不能計(jì)量或稱量誤差過(guò)大，超出允許范圍。

[1]GB/T14684—2011．建筑用砂[S]．

[2]GB/T14685—2011．建筑用碎石、卵石[S]．

[3] JGJ55—2011．普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S]．

［通訊地址］河南省舞陽(yáng)縣（人民路東段）惠達(dá)公路工程有限公司（462400）

孫亞楠（1990—），大專，主要從事混凝土原材料檢測(cè)與質(zhì)量控制。