机制砂级配优化及混配试验研究*

孟令凯，周新刚，刘相如

（烟台大学土木工程学院，山东 烟台 264005）

机制砂级配优化及混配试验研究*

孟令凯，周新刚，刘相如

（烟台大学土木工程学院，山东 烟台 264005）

对比分析我国和 ACI 对预拌混凝土砂石的级配标准要求，根据骨料空隙体积最小的原则，对机制砂及混合后骨料的级配进行了整体优化，得到空隙率小的骨料体系。级配优化后粗骨料的空隙率由 0.463 下降到 0.422，细骨料的空隙率由 0.372 下降到 0.338。用级配优化后的骨料进行了三种强度等级（C30、C40、C50）混凝土的试配，依据 CF-WF 理论和坍落度指标对比分析了骨料级配优化后混凝土拌合物工作性的改善情况，同时也对混凝土 7d 和 28d 的抗压强度进行了对比分析。分析结果表明：级配优化后 C30、C40、C50 混凝土的坍落度指标分别提高了 14.2%、9.8%、13.1%；7d 抗压强度分别提高了 3.3MPa、3.3 MPa、3.8 MPa；28d 抗压强度分别提高了 7.3 MPa、8.1 MPa、5.4 MPa。

机制砂；骨料级配；混凝土；工作性；抗压强度

近年来我国优质的天然砂石骨料资源日益匮乏，应用机制砂替代天然砂已成为预拌混凝土行业可持续发展的一种趋势。机制砂的粒型、级配、细度模数、含泥量等指标与加工工艺有关，且与河砂有很大不同，为更好地应用机制砂预拌混凝土，保证混凝土的质量，国内研究者针对机制砂做了大量研究工作。文献 [1-4] 从不同侧重点分别就机制砂的主要参数对混凝土性能的影响规律开展了研究，并提出了相应的控制标准建议值。对比分析我国和 ACI 对预拌混凝土砂石的级配标准要求，根据骨料空隙体积最小的原则，对机制砂和混合后骨料的级配进行了整体优化，得到空隙率小的骨料体系。用级配优化后的骨料进行三种强度等级混凝土的试配，依据 CF-WF 理论和坍落度指标对比分析了级配优化后混凝土拌合物工作性的改善情况，同时也对混凝土 7d、28d 的抗压强度进行了对比分析。

1 机制砂筛分及骨料级配优化

由于使用现有机制砂和 5～25mm 碎石所配制的混凝土拌合物易离析，减水剂用量波动较大，因此，通过筛分对机制砂和粗骨料进行级配优化，从而解决混凝土和易性难以控制等问题。

1.1 机制砂筛分

依据《建筑用砂》[5]对细骨料级配 II 区的累计筛余标准要求，对机制砂进行筛分。筛分结果显示，孔径为2.36mm 筛盘对应的累计筛余百分率超出了标准上限。为使机制砂的级配满足 II 区要求，试验通过筛分降低4.75mm 颗粒含量对机制砂级配进行优化。取质量为 a1的原级配机制砂，筛分去除机制砂中粒径为 4.75mm 的颗粒，剩余机制砂质量记为 a2，试验将质量为 a1的原级配机制砂与质量为 a2的去除 4.75mm 颗粒的机制砂按照 7∶3 的比例进行混合得到新级配机制砂。《混凝土泵送施工技术规范》[6]中指明细骨料通过 0.315mm 筛孔的砂，不应少于 15%。分别对原级配和新级配机制砂进行筛分得到其筛分数据见表 1。

机制砂级配优化后孔径为 2.36mm 筛盘对应的累计筛余百分率由 28.53% 降低到了 21.92%，满足了级配 2 区要求，另外，通过 0.315mm 筛孔的砂含量也大于 15%，满足了泵送混凝土的要求。机制砂的级配曲线见图 1，优化前机制砂的级配曲线接近 I 区，表明砂过粗，混凝土拌合物工作性差，和易性不易控制，而且内摩擦大，不易振捣成型。优化后的机制砂级配满足 2 区级配要求，粗细适中，级配较好。

表1 机制砂筛分表

图1 机制砂级配曲线

1.2 骨料体系级配优化

为研究良好的骨料级配对混凝土拌合物工作性和抗压强度的改善程度，还对粗骨料进行筛分优化。筛分结果显示， 9.50mm 分计筛余百分率 44.16%，4.75mm 分计筛余百分率 7.90%，两个连续粒级的颗粒含量相差悬殊，级配连续性较差，才导致所配制的混凝土易离析，和易性难以控制等问题。因此，通过筛分降低 9.50mm颗粒含量和提高 4.75mm 颗粒含量，使两个连续粒级的颗粒含量分布均匀，得到级配连续性较好的粗骨料。筛分得到粒径为 4.75mm 的颗粒，质量记为 b1；对原级配粗骨料筛分去除 9.50mm 颗粒，剩余骨料质量记为b2；取质量为 b3的原级配粗骨料，将 b1、b2、b3按照1:3:5 的比例进行混合得到新级配粗骨料。原级配和新级配粗骨料筛分数据见表 2。骨料级配优化后，孔径为9.50mm 和 4.75mm 筛盘对应的分计筛余百分率分别为24.86% 和 19.71%，两个连续粒级颗粒含量分布均匀，级配连续性较好。

各个筛的分计筛余量反映了骨料的级配情况，因此，控制骨料各筛的分计筛余量是确保骨料级配良好的重要手段[7]。对于混凝土骨料，在 0.60mm 以上的各个筛中的分计筛余百分率宜控制在 8%～18% 之间，对于粒径在 0.60mm 以下的颗粒，由于胶凝材料能够起到一定补充和润滑作用，骨料的分计筛余可以适当降低[8]。按照 ACI302.1R[9]对粗细骨料混合后各粒径分计筛余百分率的要求，以 0.47 的砂率将优化前后的粗细骨料进行混合，依据粗、细骨料和混合后各粒径颗粒所占骨料体系的百分比计算得到优化前后骨料体系的分计筛余百分率见表 3，并和 ACI 建议的各粒径分计筛余百分率进行对比分析见图 2。

优化前骨料体系中孔径为 9.50mm 筛盘对应的分计筛余 23.40% 超出了 ACI 上限标准 18.00%，孔径为4.75mm 筛盘对应的分计筛余 6.51% 低于 ACI 下限标准，级配曲线波动较大，连续性较差，骨料体系空隙率较大，不密实。优化后的骨料级配曲线更为平缓，各粒径对应的分计筛余相差不大，级配连续性较好，骨料体系更加密实。

表3 骨料分计筛余表

2 混凝土性能

对级配优化前后骨料体系的粗糙度因子、工作性因子、空隙率以及混凝土拌合物坍落度和抗压强度指标进行对比分析。以堆积密度得到骨料体系空隙率的改善程度；混凝土拌合物的工作性参照 CF-WF 理论和 GB/T 5008－2010《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[10]进行；混凝土 7d、28d 强度按照 GB/T 5008－2011《普通混凝土力学性能试验方法标准》[11]进行。

2.1 原材料及配合比

水泥：P·O42.5 级硅酸盐水泥；粉煤灰：Ⅲ 级粉煤灰；矿粉：S95 级矿粉；减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率约为 25%；细骨料：水洗机制砂，表观密度为 2635kg/m3；粗骨料：5～25mm 碎石，表观密度为2762kg/m3。试验采用的水泥、粉煤灰、矿粉的物理性能见表 4[12]。以 0.47 的砂率分别设计三个水胶比，配制三种强度等级的混凝土，其基准配合比见表 5。

图2 分计筛余级配曲线

表4 水泥、粉煤灰和矿粉的物理性能

2.2 空隙率

降低骨料体系空隙率可以在满足工程要求的同时降低胶凝材料用量和同样胶凝材料用量情况下提高混凝土性能[13]。通过堆积密度得到级配优化前后骨料体系的空隙率和密实度见表 6。优化后粗骨料和细骨料的空隙率都有了明显的降低，骨料体系更加密实，用级配优化后的骨料体系所配制的混凝土的工作性和强度都得到了一定地改善。图 3 和图 4 可以更加直观地表现出级配优化后粗细骨料空隙率的改善程度。

表5 基准配合比 k g

表6 骨料空隙率和密实度

图3 粗骨料空隙率和密实度

图4 细骨料空隙率和密实度

2.3 工作性

试验通过对比骨料级配优化前后粗糙度因子、工作性因子以及坍落度指标的变化反映良好的颗粒级配对混凝土拌合物工作性的改善程度。

2.3.1 粗糙度因子和工作性因子

粗糙度因子和工作性因子理论是由美国 Shilstone[14]教授在多年混凝土配合比优化研究的基础上提出的一种骨料级配优化理论。利用粗糙度因子（CF）和工作性因子（WF）两个参数可以描述骨料级配与混凝土工作性之间的关系，并可以通过调整这两个参数来控制骨料的级配，以达到优化混凝土性能的目的。Shilstone 教授在大量试验和工程实践的基础上，将 CF-WF 图分为 5个区域，不同区域代表具有不同级配的骨料体系。1 区粗颗粒较多，为间断级配，拌合物易离析；2 区骨料级配优良所配制的混凝土拌合物具有较好的工作性和经济性；3 区适用于最大粒径不大于 19.0mm 的混凝土；4区细颗粒较多，易导致拌合物过粘影响混凝土工作性和可泵性；5 区骨料所拌制的混凝土粗骨料包裹性较差。CF 和 WF 的计算公式如下：

式中：

CF——粗糙度因子；

WF——工作性因子；

Q——骨料体系中粒径大于 9.5mm 的颗粒质量百分比；

I——骨料体系中大于 2.36mm，并且小于 9.5mm颗粒的质量百分比；

W——骨料中粒径小于 2.36mm 颗粒的质量百分比；

B——单方混凝土中胶凝材料用量。

利用 CF-WF 计算公式得到三种强度等级混凝土对应的粗糙度因子和工作性因子见表 7。

图5 C F-WF 图

图5 显示三种强度等级混凝土的粗糙度因子由 74降低到 65 的同时，工作性因子也有相应的提高，即骨料级配优化后混凝土拌合物的工作性会得到改善。

表7 C F-WF 表

2.3.2 坍落度

用优化后的骨料配制的混凝土的坍落度见表 8，并用图 6 对比分析。级配优化后，C30、C40、C50 三种强度等级混凝土的坍落度分别提高了 14.2%、9.8% 和13.1%。

表8 坍落度

图6 坍落度图

2.4 抗压强度

用级配优化后的骨料所配制的三种强度等级混凝土的 7d 和 28d 强度也有明显的改善。7d 和 28d 抗压强度数据见表 9。

表9 7 d、28 d 抗压强度

图7 和图 8 也直观地显示出级配优化后强度的改善情况。当混凝土的工作性和拌合物状态均达到级配优化前的条件时，对比水胶比的变化，从这一角度进一步分析级配优化所带来的强度提升。由表 10 可知 C30、C40、C50 的水胶比分别由 0.46 降低到 0.43，由 0.39 降低到 0.35，由 0.36 降低到 0.32 时，混凝土拌合物的状态和坍落度指标均能达到优化前的状态。图 9 从这一角度对比分析了良好的骨料级配所带来的抗压强度的改善程度，抗压强度提高的效果较为明显。

图7 7 d 抗压强度

图8 28 d 抗压强度

表10 水胶比和抗压强度的对比

图9 新水胶比下 28 d 抗压强度

3 结论

（1）通过将 a1、a2按照 7:3 的比例进行混合得到新级配机制砂，将 b1、b2、b3按照 1:3:5 的比例混合得到新级配的粗骨料。较原级配骨料体系，新级配下机制砂和粗骨料的空隙率分别降低了 3.4% 和 4.1%。级配优化后的骨料体系更加密实，级配曲线变得平缓，混合后骨料体系中各粒径颗粒含量分布较为均匀，级配连续性较好。

（2）用优化后的骨料所配制的 C30、C40、C50 混凝土的工作性有了较为明显的改善。其中三种强度等级混凝土的粗糙度因子 CF 由 74 降低到 65，工作性因子分别提高了 2.68、1.32、0.74；坍落度指标分别提高了14.2%、9.8%、13.1%；较骨料级配优化前，优化后骨料所拌制的混凝土和易性较好，不离析。

（3）骨料级配优化后 C30、C40、C50 混凝土的7d 抗压强度分别提高了 3.3MPa、3.3 MPa、3.8 MPa；28d 抗压强度分别提高了 7.3 MPa、8.1 MPa、5.4 MPa。

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[2] 李北星，柯国炬，赵尚传，等．机制砂混凝土路用性能研究[J]．建筑材料学报，2010,13(4)：529-534.

[3] 岳海军，李北星，周明凯，等．水泥混凝土用机制砂的级配探讨与试验[J]．混凝土，2012(3)：91-94.

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[5] GB/T 14684-2001．建筑用砂[S]．

[6] JGJ/T 10-95．混凝土泵送施工技术规范[S]．

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[11] GB/T 50081－2002．普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

[12] 苏智慧，周新刚．胶凝材料空隙率对需水量影响的试验分析[J]．烟台大学学报，2017,30(1)：66-73.

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[14] Shilstone JM. Concrete Mixture Optimization [J]. Concrete International，1990，12(6)：33-39.

The gradation optimization of manufactured-f i ne sand and experimental study on aggregate mixing of concrete

Meng Lingkai, Zhou Xingang, Liu Xiangru
(School of Civil Engineering Yantai University,Yantai 264005)

Contrast and analyze the demand standard from our country and ACI, optimizing the gradation of manufacturedfine aggregate and mixing aggregate to obtain the aggregate with lower voidage, based on the principle of minimum aggregate void volume. The voidage of coarse and fine aggregate have been respectively reduced from 0.463 to 0.422 and 0.372 to 0.338 after gradation optimized. Design three strength grades (C30, C40, C50) concrete using the optimized aggregate to testing, Analyzing the workability improvement degree on concrete mixture using the optimized aggregate, according to the theory of CF-WF and the slump volume, then contrast the 7d and 28d compressive strength of concrete. The test results showed, the slump of (C30, C40, C50) have been increased (14.2%, 9.8%, 13.1%),The compressive strength of 7d on (C30, C40, C50) have been respectively increased (3.3MPa, 3.3MPa, 3.8MPa) and 28d is (7.3MPa, 8.1MPa, 5.4MPa).

manufactured-f i ne sand; aggregate gradation; workability; compressive strength

孟令凯（1992－），男，硕士研究生，研究方向：混凝土耐久性。

山东省住房和城乡建设厅科技计划项目（YK051）。

［通讯地址］山东省烟台市烟台大学土木工程学院（264005）