粗骨料级配优化的实践与探讨

刘伟华，楚建平，宓振军

（1. 冀东发展集团有限责任公司/材料科研技术中心，河北 唐山 064000；2. 唐山冀东混凝土有限公司，北京 101111）

粗骨料级配优化的实践与探讨

刘伟华1，楚建平2，宓振军1

（1. 冀东发展集团有限责任公司/材料科研技术中心，河北 唐山 064000；2. 唐山冀东混凝土有限公司，北京 101111）

本文以空隙率为主要指标，对某骨料企业 5～25mm 碎石进行级配优化。通过不同粒级骨料的优化搭配，可使其孔隙率由最初的 46% 降至 40%。并绘制了石子三元级配的孔隙率相图。C30 等级的混凝土试配显示，在配合比其它材料保持不变、和易性相同时，单方用水量可降低 10kg/m3，28d 强度提高 13.3MPa 左右。

粗骨料；级配；空隙率；粒径

0 引言

粗骨料作为混凝土的重要组成部分，约占普通混凝土体积的 30%～50%，对混凝土的和易性、耐久性、力学性能和经济性能都有着很大的影响[1,2]。骨料在优良的级配下可用较少的胶凝材料制成和易性良好的混凝土拌合物，有利于质量控制，同时也有利于生产成本的降低。2011 年的国标中对粗骨料级配方面的相关质量指标进行了规定[3,4]，但由于范围较宽，具体到某一骨料会存在不足，尤其是在骨料级配劣化，需要进行搭配改良。

混凝土企业对骨料级配搭配的优化主要是以空隙率为评价指标。一般认为，具有最小空隙率或者最大密度的混凝土骨料是最经济的。随着空隙率降低，可使得混凝土硬化体系更加均匀密实，强度增加，或者在强度不变的情况下，胶凝材料的用量可以减少，对于生产企业来讲存在巨大的经济效益[5,6]。要想获得较小空隙率级配要求的骨料，市售产品很难达到要求，最经济的手段为通过两种或两种以上的骨料混合达到。

研究人员通过对骨料级配的大量研究，建立最优的理想级配曲线，得到理论最大密度或最小空隙率的骨料最优理论级配曲线模型，然后用试算法确定骨料各级配的混合比例，但在工程实际运用中往往不太方便。如何科学地对混凝土骨料级配进行重新组合，简单方便的实现最佳的粒径搭配，是混凝土生产企业和骨料供应企业提升骨料质量和技术控制的关键点。

为此，本文针对 5～25mm 粗骨料的工程中常用 5～10mm、10～16mm、16～20mm 和 20～25mm 四个粒级，分别测定四个粒级的二元、三元和四元混合体系的空隙率。并采用不同空隙率的骨料级配，进行了 C30 混凝土试配，分析粗骨料空隙率对混凝土和易性和力学性能的影响程度。以此为骨料生产企业和混凝土控制和提升企业粗骨料质量、降低生产成本提供参考依据和数据支持。

1 试验原材料与方法

1.1 原材料

（1）水泥：品种为 P·O42.5R，唐山冀东水泥有限公司。

（2）粉煤灰：Ⅱ级，45μm 筛余 19%，烧失量为 3.5%，需水量比 102%，唐山陡河电厂。

（3）高炉矿渣粉：S95 级，比表面积 418m2/kg，活性指数 102%，唐山银丰钢厂。

（4）砂子：Ⅱ区中砂，细度模数 2.65。

（5）石子：表观密度 2744kg/m3。选取了某骨料生产企业小粒径、中等粒径和大粒径三个种类碎石石子，三个粒级各自级配如表1所示。

（6）混凝土外加剂：聚羧酸减水剂，固含量 12%，减水率 23%。

表1 三种粗骨料的级配

1.2 试验方案

1.2.1 骨料的级配试验

（1）骨料筛分，得到 5～10mm、10～16mm、16～20mm 和 20～25mm 四种单粒级骨料样品。

（2）分别制备二元混合体系、三元混合体系、四元混合体系粗骨料样品。具体方法为：固定某一单粒级的用量，调节其他粒级的比例，步长为 10%。

1.2.2 粗骨料空隙率测试

分别对单粒级、二元混合体系、三元混合体系、四元混合体系的石子进行空隙率测定。测定方法参照 GB/T 14685—2011《建筑用卵石和碎石》，按 7.12 和 7.13 分别测定石子的表观密度及堆积密度，按下式计算空隙率。

式中：V0——空隙率，%；

ρ1——松散堆积密度，kg/m3；

ρ2——表观密度，kg/m3。

1.2.3 不同空隙率骨料下混凝土的拌制及性能测试

通过粒径搭配，制备空隙率分别为 46%、44%、42% 和40% 四种骨料，然后进行混凝土试配。试配时胶凝材料和外加剂用量保持不变，调整单方用水量和砂率，使混凝土的坍落度控制在 230～250mm、扩展度控制在 550～600mm，测试28d 抗压强度，分析空隙率对混凝土性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 粗骨料级配与空隙率关系

筛分后单粒级粗骨料空隙率检测结果如表2所示。

表2 单粒级骨料空隙率

2.2 二元系统级配与空隙率的关系

5～25mm 粒径范围内四个单粒级两两搭配构成二元系统，共六种粒径组合、54 组不同的级配比例，试验结果见表3～5。各级配石子与对应空隙率的关系如图 1 所示。

表3 5～10mm 粒径颗粒与不同粒径进行二元搭配时的空隙率 %

表4 10～16mm 粒径颗粒与不同粒径进行二元搭配时的空隙率 %

表5 16～20mm 与 20～25mm 粒径颗粒进行二元搭配时的空隙率 %

从图 1 看出，两种粒径不同的骨料，在进行不同的搭配时可明显降低空隙率，从单粒级的 46%～48%，最低可降至40% 左右，降幅超过 5%。空隙率的降低程度受粒径及其所占比例的影响。

首先，空隙率最低值基本都出现在小粒径骨料比例为30%～40% 左右。其次，空隙率的降低程度与相邻粒径半径比值密切相关。六种粒径组合对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；前四种组合对空隙率有较明显的降低作用，其 R小/R大较小，尤其是 5～10mm与 20～25mm 组合；而后两种相邻粒径组合对空隙率影响不大。

图1 二元体系骨料级配与空隙率关系

根据球体堆积理论[7]，假设较大粒级石子做等大球体的最紧密堆积，小粒级石子填充空隙将使空隙率进一步降低。小粒级石子所填充空隙类型取决于粒径之比。根据各单粒径骨料的算术平均粒径，计算小/大石子的粒径比 R小/R大，如表6 所示。

表6 二元体系石子级配的算术平均粒径比

综合表6数据与图 1 分析，随着 R小/R大粒径比值增大，二元石子组合的降低空隙率程度下降。R小/R大=0.33～0.58时，对空隙率的降低作用明显，而 R小/R大>0.72 时，由于两个粒级半径接近，产生干扰作用，体系空隙率基本无降低。

综上所述，二元骨料进行搭配时，小石子和大石子的粒径比 R小/R大> 0.72 时，二元组合空隙率基本不变；R小/R大< 0.60、小粒径骨料所占比例为 30%～40% 时，体系空隙率达到较好的优化效果。根据本试验结果，5～10mm∶20～25mm ≈ 3:7，最低空隙率可达 40%。

2.3 三元系统级配与空隙率的关系

GB/T 14685—2011 参照《建筑用卵石和碎石》中 5～25mm 连续级配石子的级配范围，首先固定 16～20mm 比例，分别设定为 30%、40%、50%、60% 和 70%，调整5～10mm、10～16mm的比例，步长 10%。试验三元系统的级配与空隙率的关系，其结果列于表7，趋势如图2所示。

表7 三元体系不同石子级配下的空隙率 %

图2 三元体系石子级配与空隙率关系

图2结果显示，相对于二元体系，三元级配可进一步降低空隙率。但最低空隙率的出现位置与二元体系略有差别。

16～20mm 比例>60% 时，体系中大石子比例过大，相对应填充空隙的小石子数量减少，因此空隙率呈现增加趋势。16～20mm 石子比例<60 %时，5～10mm 与 10～16mm 混搭比例接近 5:5 产生最低空隙率，此时 5～10mm粒径整体占比约为 20%～40% 之间，由此可见体系中小粒径颗粒比例对空隙率起较大作用。此三元体系中，5～10mm∶10～16mm∶16～20mm=1:1:2 时，空隙率出现最小值，约为 40% 左右。

2.4 四元系统级配与空隙率的关系

二元体系试验显示 16～20mm 与 20～25mm 颗粒粒径接近，搭配比例对空隙率的影响较小。因此在三元体系最低空隙率的基础上，继续改变预计四元体系中 16～20mm 与20～25mm 的搭配比例（表 8），验证是否可将两个粒级合并考虑。

表8 四元粒径颗粒搭配比例与空隙率的关系

表8结果显示，16～20mm 与 20～25mm 两者比例对整体空隙率影响较小，建议考虑骨料级配时可以直接合并两者总量。

2.5 5～25mm 三级配粗骨料与空隙率的关系

综合以上试验结果，5～25mm 连续级配石子，可按 5～10mm、10～16mm 和 16～25mm 三粒级进行优化混搭，以获得空隙率的骨料级配。笔者参照相图的绘制方法，制备了骨料级配—空隙率图（图 3），标注了试验中二元和三元骨料混搭时的空隙率数据，以作为石子搭配的参考。

图3 三元体系中级配与空隙率关系

2.6 骨料空隙率与混凝土性能关系研究

在骨料空隙率测定基础上，考察粗骨料级配对混凝土性能的影响程度。选取了四种不同空隙率 40%、42%、44%和 46% 下的骨料级配，试配混凝土，配合比如表9所示。试配时通过调整单方用水量和砂率，保持胶凝材料各组分比例、用量和外加剂用量不变，使混凝土的坍落度控制在 230～250mm、扩展度控制在 550～600mm。混凝土的出机性能及28d 抗压强度如表10所示。

表9 空隙率对混凝土性能影响的配合比 kg/m3

表10 空隙率对混凝土性能影响

由表 10，保持混凝土中胶凝材料比例、用量和外加剂用量不变的情况下，随空隙率降低，混凝土单方用水量随之降低，混凝土的强度随之提高，空隙率与混凝土的单方用水量有良好的相关性。当空隙率由 46% 降至最低空隙率 40%，混凝土的 28 天强度相差 13.4MPa。混凝土在粗骨料空隙率平均每降低 1% 的情况下，28 天强度提高约为 2MPa，因此调整骨料级配，降低空隙率，有利于降低混凝土的单方成本。

3 结论

（1）骨料和混凝土生产过程中，通过调整 5～10mm、10～16mm 和 16～20mm和 20～25mm 四个粒级的粗骨料级配，使空隙率由 46% 降至 40% 左右，混凝土 28 天强度提升13.3MPa。可以有效的降低混凝土的单方成本，提升混凝土质量。

（2）二元骨料级配显示，骨料粒径比 R小/R大< 0.60 时，小粒径骨料占比 30%～40% 之间，对空隙率有较好的优化效果。R小/R大>0.72 时，对空隙率降低不明显。

（3）三元粗骨料混合体系中，粗骨料最佳混合比例为5～10mm 占 25%，10～16mm 占 25%，16～20mm 占 50%，即各组分比例为 1:1:2。

（4）四元粗骨料混合体系中，16～20mm 与 20～25mm两者比例对整体空隙率影响较小，在考虑骨料级配时可以直接考虑两者总量。

[1] 沈威，黄文熙，闵盘荣．水泥工艺学[M]．武汉：武汉理工大学出版社，1998．

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［通讯地址］河北省唐山市丰润区林荫路 223 号 冀东发展集团有限责任公司（064000）

刘伟华（1979—），硕士，工程师，主要从事混凝土及水泥基材料的生产及产品开发工作。