粗骨料級配優(yōu)化的實踐與探討

劉偉華，楚建平，宓振軍

（1. 冀東發(fā)展集團有限責(zé)任公司/材料科研技術(shù)中心，河北 唐山 064000；2. 唐山冀東混凝土有限公司，北京 101111）

粗骨料級配優(yōu)化的實踐與探討

劉偉華1，楚建平2，宓振軍1

（1. 冀東發(fā)展集團有限責(zé)任公司/材料科研技術(shù)中心，河北 唐山 064000；2. 唐山冀東混凝土有限公司，北京 101111）

本文以空隙率為主要指標，對某骨料企業(yè) 5～25mm 碎石進行級配優(yōu)化。通過不同粒級骨料的優(yōu)化搭配，可使其孔隙率由最初的 46% 降至 40%。并繪制了石子三元級配的孔隙率相圖。C30 等級的混凝土試配顯示，在配合比其它材料保持不變、和易性相同時，單方用水量可降低 10kg/m3，28d 強度提高 13.3MPa 左右。

粗骨料；級配；空隙率；粒徑

0 引言

粗骨料作為混凝土的重要組成部分，約占普通混凝土體積的 30%～50%，對混凝土的和易性、耐久性、力學(xué)性能和經(jīng)濟性能都有著很大的影響[1,2]。骨料在優(yōu)良的級配下可用較少的膠凝材料制成和易性良好的混凝土拌合物，有利于質(zhì)量控制，同時也有利于生產(chǎn)成本的降低。2011 年的國標中對粗骨料級配方面的相關(guān)質(zhì)量指標進行了規(guī)定[3,4]，但由于范圍較寬，具體到某一骨料會存在不足，尤其是在骨料級配劣化，需要進行搭配改良。

混凝土企業(yè)對骨料級配搭配的優(yōu)化主要是以空隙率為評價指標。一般認為，具有最小空隙率或者最大密度的混凝土骨料是最經(jīng)濟的。隨著空隙率降低，可使得混凝土硬化體系更加均勻密實，強度增加，或者在強度不變的情況下，膠凝材料的用量可以減少，對于生產(chǎn)企業(yè)來講存在巨大的經(jīng)濟效益[5,6]。要想獲得較小空隙率級配要求的骨料，市售產(chǎn)品很難達到要求，最經(jīng)濟的手段為通過兩種或兩種以上的骨料混合達到。

研究人員通過對骨料級配的大量研究，建立最優(yōu)的理想級配曲線，得到理論最大密度或最小空隙率的骨料最優(yōu)理論級配曲線模型，然后用試算法確定骨料各級配的混合比例，但在工程實際運用中往往不太方便。如何科學(xué)地對混凝土骨料級配進行重新組合，簡單方便的實現(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。

為此，本文針對 5～25mm 粗骨料的工程中常用 5～10mm、10～16mm、16～20mm 和 20～25mm 四個粒級，分別測定四個粒級的二元、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配，進行了 C30 混凝土試配，分析粗骨料空隙率對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。

1 試驗原材料與方法

1.1 原材料

（1）水泥：品種為 P·O42.5R，唐山冀東水泥有限公司。

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

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

（4）砂子：Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù) 2.65。

（5）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種類碎石石子，三個粒級各自級配如表1所示。

（6）混凝土外加劑：聚羧酸減水劑，固含量 12%，減水率 23%。

表1 三種粗骨料的級配

1.2 試驗方案

1.2.1 骨料的級配試驗

（1）骨料篩分，得到 5～10mm、10～16mm、16～20mm 和 20～25mm 四種單粒級骨料樣品。

（2）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：固定某一單粒級的用量，調(diào)節(jié)其他粒級的比例，步長為 10%。

1.2.2 粗骨料空隙率測試

分別對單粒級、二元混合體系、三元混合體系、四元混合體系的石子進行空隙率測定。測定方法參照 GB/T 14685—2011《建筑用卵石和碎石》，按 7.12 和 7.13 分別測定石子的表觀密度及堆積密度，按下式計算空隙率。

式中：V0——空隙率，%；

ρ1——松散堆積密度，kg/m3；

ρ2——表觀密度，kg/m3。

1.2.3 不同空隙率骨料下混凝土的拌制及性能測試

通過粒徑搭配，制備空隙率分別為 46%、44%、42% 和40% 四種骨料，然后進行混凝土試配。試配時膠凝材料和外加劑用量保持不變，調(diào)整單方用水量和砂率，使混凝土的坍落度控制在 230～250mm、擴展度控制在 550～600mm，測試28d 抗壓強度，分析空隙率對混凝土性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 粗骨料級配與空隙率關(guān)系

篩分后單粒級粗骨料空隙率檢測結(jié)果如表2所示。

表2 單粒級骨料空隙率

2.2 二元系統(tǒng)級配與空隙率的關(guān)系

5～25mm 粒徑范圍內(nèi)四個單粒級兩兩搭配構(gòu)成二元系統(tǒng)，共六種粒徑組合、54 組不同的級配比例，試驗結(jié)果見表3～5。各級配石子與對應(yīng)空隙率的關(guān)系如圖 1 所示。

表3 5～10mm 粒徑顆粒與不同粒徑進行二元搭配時的空隙率 %

表4 10～16mm 粒徑顆粒與不同粒徑進行二元搭配時的空隙率 %

表5 16～20mm 與 20～25mm 粒徑顆粒進行二元搭配時的空隙率 %

從圖 1 看出，兩種粒徑不同的骨料，在進行不同的搭配時可明顯降低空隙率，從單粒級的 46%～48%，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；前四種組合對空隙率有較明顯的降低作用，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空隙率影響不大。

圖1 二元體系骨料級配與空隙率關(guān)系

根據(jù)球體堆積理論[7]，假設(shè)較大粒級石子做等大球體的最緊密堆積，小粒級石子填充空隙將使空隙率進一步降低。小粒級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，計算小/大石子的粒徑比 R小/R大，如表6 所示。

表6 二元體系石子級配的算術(shù)平均粒徑比

綜合表6數(shù)據(jù)與圖 1 分析，隨著 R小/R大粒徑比值增大，二元石子組合的降低空隙率程度下降。R小/R大=0.33～0.58時，對空隙率的降低作用明顯，而 R小/R大>0.72 時，由于兩個粒級半徑接近，產(chǎn)生干擾作用，體系空隙率基本無降低。

綜上所述，二元骨料進行搭配時，小石子和大石子的粒徑比 R小/R大> 0.72 時，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，體系空隙率達到較好的優(yōu)化效果。根據(jù)本試驗結(jié)果，5～10mm∶20～25mm ≈ 3:7，最低空隙率可達 40%。

2.3 三元系統(tǒng)級配與空隙率的關(guān)系

GB/T 14685—2011 參照《建筑用卵石和碎石》中 5～25mm 連續(xù)級配石子的級配范圍，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%。試驗三元系統(tǒng)的級配與空隙率的關(guān)系，其結(jié)果列于表7，趨勢如圖2所示。

表7 三元體系不同石子級配下的空隙率 %

圖2 三元體系石子級配與空隙率關(guān)系

圖2結(jié)果顯示，相對于二元體系，三元級配可進一步降低空隙率。但最低空隙率的出現(xiàn)位置與二元體系略有差別。

16～20mm 比例>60% 時，體系中大石子比例過大，相對應(yīng)填充空隙的小石子數(shù)量減少，因此空隙率呈現(xiàn)增加趨勢。16～20mm 石子比例<60 %時，5～10mm 與 10～16mm 混搭比例接近 5:5 產(chǎn)生最低空隙率，此時 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空隙率起較大作用。此三元體系中，5～10mm∶10～16mm∶16～20mm=1:1:2 時，空隙率出現(xiàn)最小值，約為 40% 左右。

2.4 四元系統(tǒng)級配與空隙率的關(guān)系

二元體系試驗顯示 16～20mm 與 20～25mm 顆粒粒徑接近，搭配比例對空隙率的影響較小。因此在三元體系最低空隙率的基礎(chǔ)上，繼續(xù)改變預(yù)計四元體系中 16～20mm 與20～25mm 的搭配比例（表 8），驗證是否可將兩個粒級合并考慮。

表8 四元粒徑顆粒搭配比例與空隙率的關(guān)系

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

2.5 5～25mm 三級配粗骨料與空隙率的關(guān)系

綜合以上試驗結(jié)果，5～25mm 連續(xù)級配石子，可按 5～10mm、10～16mm 和 16～25mm 三粒級進行優(yōu)化混搭，以獲得空隙率的骨料級配。筆者參照相圖的繪制方法，制備了骨料級配—空隙率圖（圖 3），標注了試驗中二元和三元骨料混搭時的空隙率數(shù)據(jù)，以作為石子搭配的參考。

圖3 三元體系中級配與空隙率關(guān)系

2.6 骨料空隙率與混凝土性能關(guān)系研究

在骨料空隙率測定基礎(chǔ)上，考察粗骨料級配對混凝土性能的影響程度。選取了四種不同空隙率 40%、42%、44%和 46% 下的骨料級配，試配混凝土，配合比如表9所示。試配時通過調(diào)整單方用水量和砂率，保持膠凝材料各組分比例、用量和外加劑用量不變，使混凝土的坍落度控制在 230～250mm、擴展度控制在 550～600mm。混凝土的出機性能及28d 抗壓強度如表10所示。

表9 空隙率對混凝土性能影響的配合比 kg/m3

表10 空隙率對混凝土性能影響

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 天強度相差 13.4MPa。混凝土在粗骨料空隙率平均每降低 1% 的情況下，28 天強度提高約為 2MPa，因此調(diào)整骨料級配，降低空隙率，有利于降低混凝土的單方成本。

3 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 四個粒級的粗骨料級配，使空隙率由 46% 降至 40% 左右，混凝土 28 天強度提升13.3MPa。可以有效的降低混凝土的單方成本，提升混凝土質(zhì)量。

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

（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兩者比例對整體空隙率影響較小，在考慮骨料級配時可以直接考慮兩者總量。

[1] 沈威，黃文熙，閔盤榮．水泥工藝學(xué)[M]．武漢：武漢理工大學(xué)出版社，1998．

[2] 陳建奎．混凝土外加劑原理與應(yīng)用[M]．北京：中國計劃出版社出版，2004．

[3] GB/T 14685—2011．建設(shè)用碎石卵石[S]．

[4] 彭祖強．考慮骨料級配及密度的混凝土配合比設(shè)計研究[D]．昆明理工大學(xué)[A]，2010．

[5] 山啟江．骨料級配優(yōu)化對普通混凝土配合比的影響[J]．內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟．2003(7): 60-61．

[6] 吳國誠，王立華．混合粗骨料混凝土性能的模型研究[J]．廣東水利水電，2007(3) : 59-62．

[7] 陸佩文．無機材料科學(xué)基礎(chǔ)[M]．武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2007．

［通訊地址］河北省唐山市豐潤區(qū)林蔭路 223 號 冀東發(fā)展集團有限責(zé)任公司（064000）

劉偉華（1979—），碩士，工程師，主要從事混凝土及水泥基材料的生產(chǎn)及產(chǎn)品開發(fā)工作。