骨料級配

骨料級配

骨料中各種大小不同的顆粒之間的數(shù)量比例，稱為骨料的級配。

骨料的級配如果選擇不當(dāng)，以至骨料的比表面積、空隙率過大，則需要更多的水泥漿，才能使混凝土獲得一定的流動性，才能填充骨料間的空隙。而且，骨料的級配對硬化混凝土的性能也有很大的影響，如強(qiáng)度、耐久性等。如果骨料級配不合理，有時即使多加水泥，硬化混凝土的性能也會受到一定的影響，因此骨料級配對于獲得高質(zhì)量、低成本的混凝土非常重要。

骨料顆粒大小常用篩分確定，JGJ52-2006對標(biāo)準(zhǔn)篩系的規(guī)格和質(zhì)量有明確的規(guī)定。骨料的級配采用各篩上的篩余量按質(zhì)量百分率表示，其篩分結(jié)構(gòu)可以繪制成篩分曲線，也稱級配曲線。

骨料級配對空隙率影響

骨料級配、骨料最大粒徑和最小粒徑等因素對混凝土的水泥用量和需水量都有很大影響，同時還對混凝土的和易性、可泵性、經(jīng)濟(jì)性、孔隙率、收縮性和耐久性產(chǎn)生顯著影響。

骨料的級配對空隙率的影響從下圖的實驗中可以看出。第一個燒杯中是單一級配的粒徑較大的骨料，第二個燒杯中是單一級配的粒徑較小的骨料，第三個燒杯中是這兩種骨料按1:1混合（體積比）的混合骨料。然后向這三個燒杯中注入水，前兩個燒杯可注入的水量完全相同，說明骨料間的空隙的體積是相同的，與骨料的粒徑?jīng)]有關(guān)系。而第三個燒杯可注入的水量明顯減少，說明這兩種骨料混合后，骨料間空隙的體積明顯減小，也就是說空隙率顯著下降。如果將更多不同粒徑的骨料混合在一起，其空隙率會進(jìn)一步下降。而混凝土中水泥漿的用量與骨料空隙率成正比。

骨料空隙率實驗

在實際工程中，水泥漿的用量往往大于骨料間空隙的體積。如下圖所示，上圖中骨料彼此相接觸，下圖表示骨料分布在水泥漿中的情況，骨料彼此不再接觸，因此空隙體積變大，也就是水泥漿的用量增大，只有這樣，混凝土才具有良好的和易性。

骨料空隙率與水泥漿的用量

級配理論

良好的骨料級配要滿足以下基本要求：

1，骨料的空隙率最小，可以減少水泥漿用量，配出性能好的混凝土。

2，骨料混合物具有適當(dāng)小的表面積，從而節(jié)省水泥，改善工作性能。

3，盡可能采用最大數(shù)量的最大粒徑骨料，這樣可以大大提高密實度，減少表面積。大粒徑骨料越多，骨架作用越強(qiáng)。

目前常用的級配理論有兩種，連續(xù)級配和間斷級配。

一、連續(xù)級配理論

連續(xù)級配的特征是粗細(xì)骨料各分級粒度俱全，相鄰兩級粒徑比為2。

主張連續(xù)級配的專家認(rèn)為，一個良好的連續(xù)級配是按照一定的粒徑比及其含量形成一個連續(xù)的級配曲線。如在實際配合混凝土?xí)r，骨料各級含量符合或接近此理論曲線，所配的混凝土具有良好的工作度和最大密實度。

二、間斷級配理論

為了得到最小空隙率，相鄰兩級骨料粒度比要比較大，才能使大顆粒十分靠近，大顆粒數(shù)量最多。有試驗證明，但粒度比為8:1時，采用2-3級的間斷級配，就可能達(dá)到最優(yōu)的空隙率。試驗還指出，間斷級配最大一級骨料用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于連續(xù)級配最大一級骨料的用量，在達(dá)到同樣的空隙率時，間斷級配的表面積較小。

上述兩種級配理論的前提是，認(rèn)為硬化后混凝土的結(jié)構(gòu)及其骨料的空間關(guān)系，與硬化前干混合物顆粒排列狀態(tài)相對應(yīng)。只有在此前提下，骨料的理想級配才有意義。

但實際情況是，混凝土是通過一定的工藝措施才能使之密實成型，因此骨料的實際分布狀態(tài)受混凝土拌合物流動性及外力作用條件的影響，不一定能保持理想位置，特別是混凝土干硬時，其緊密程度與理想狀態(tài)有較大出入。

其實，上述兩個級配理論都是要降低骨料的空隙率和表面積，從而提高最大顆粒的使用量。在這方面，間斷級配的優(yōu)越性顯然更顯著些。間斷級配的優(yōu)點是空隙率小，表面積小，骨料的骨架作用較顯著，從而能節(jié)省水泥，提高混凝土的性能。

骨料如何配？

骨料組合結(jié)構(gòu)有懸浮密實結(jié)構(gòu)、骨架密實結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)三類（分別對應(yīng)的是巖石中的基底膠結(jié)、孔隙膠結(jié)、接觸膠結(jié)）。不同的混凝土對骨架的結(jié)構(gòu)要求各有不同。

對于泵送的混凝土而言,需要的是相對密實而易于流動的懸浮密實結(jié)構(gòu)骨料組合,對于干硬性和塑性混凝土則需要密實結(jié)構(gòu)的骨料組合，對于透水混凝土則需要骨架空隙結(jié)構(gòu)。

一種確定的骨料其級配是確定的連續(xù)粒級或者單一粒級。生產(chǎn)所需要的骨料是以這已有的（確定的）骨料去合成一個具有新級配的骨料組合。其方法有：

1、按不同的比例組合骨料，分別測定其容重，取較密實者。一般是先分別確定各種砂、石的比例，然后按經(jīng)驗或者其他方法確定砂率。也就是結(jié)果是密實的，但是否適合配制泵送混凝土，是不確定的。對于2種砂或石的合成比較方便，如果有3種以上，那試驗會比較煩雜。那就需要先合成其的2種，然后將這作為贗顆粒與第3種再去合成。

2、直接以篩分結(jié)果，按連續(xù)級配的曲線試算求解。按不同的比例組合骨料，分別試算其各檔料的篩余是否符合連續(xù)級配。與方法1一樣，石、砂先分別按規(guī)范中的級配范圍配好，再去選擇砂率。

3、按上一檔（較大粒徑）的空隙率確定下一檔（較小粒徑）的用量。也是先確定各種石的比例，然后確定砂率。比如以“干砂漿”體積填充石子空隙以及其他的“正填法”、“逆填法”。

4、骨料密實級配，富勒理想級配的曲線公式：P=A+（100-A）* 式中 P---通過某一篩孔的顆粒百分?jǐn)?shù)%A---系數(shù)，隨混凝土的坍落度而變，查下表d---某一篩的篩孔寬或直徑mmD---骨料的最大粒徑mm由上式計算出來的各級顆粒百分?jǐn)?shù)，可作為密實級配的參考，在此基礎(chǔ)上作適當(dāng)調(diào)整，求出骨料容重最大的級配，即為密實級配。

5、按間斷級配間斷級配是人為的剔去骨料中的某些中間級，在顆粒配合時故意造成顆粒尺寸的間斷，也就消除了較小顆粒的契塞和支撐作用所造成的空隙，使骨料的空隙率達(dá)到最小。間斷級配的顆粒組成不能用篩分曲線圖來表示。間斷級配的優(yōu)點是空隙率小，比連續(xù)級配的密實度高。

間斷級配的各檔集料組合之間關(guān)系，以D1、D2、D3、D4表示各檔顆粒粒徑的上限，d1、d2、d3、d4為其下限，則：第一檔組合 D1/d1=1.5第二檔組合 D2/d2=1.5—2第三檔組合 D3/d3=2第四檔組合 D4/d4=2至于D1、D2、D3、D4之間的關(guān)系，卵石：D2/D1=1/8，D3/D2=1/6—1/8，D4/D3=1/6；碎石：D2/D1=1/10，D3/D2=1/8—1/10，D4/D3=1/8。

一般情況下只要采用兩檔級配，很少采用四檔級配，因為用第二檔組合的集料填充第一檔組合的集料，其填滿程度就可以達(dá)到95%。

骨料中斷后，下一級和上一級顆粒平均尺寸的比值一般采用1：4—1：6之間。在一般工業(yè)與民用建筑上，以采用兩級中斷為宜。如最大粒徑為40mm，其分級可為5—10mm，20--40mm。在大體積（如水工）中，可采用三級中斷。如最大粒徑為250mm，其分級可為5—10mm，25--50mm，150--250mm。當(dāng)最大粒徑小于25mm時，因空隙率的減少不顯著，不宜采用。以上5種方法可以配出密實的組合，卻不能保證流動性。

6、基于連續(xù)級配的砂石統(tǒng)一曲線基于砂、石都是骨料，只不過是顆粒粗、細(xì)的區(qū)別和石、砂分別配在二者的粒徑交界處會有很大的“撞車” 可能，應(yīng)該將砂、石統(tǒng)一考慮，以簡化、優(yōu)化合成骨料級配的方法。以FULLER最大密度曲線理論為基礎(chǔ), 參考混凝土泵送規(guī)范的最佳級配線和適宜泵級配區(qū)、骨料組成對強(qiáng)度的影響、個別孔徑顆粒對泵送的影響(如0.315等)對曲線作一定的修正,形成砂石統(tǒng)一曲線。

曲線(略)經(jīng)過與幾個區(qū)域的實際應(yīng)用配比對比： 僅僅是死板的按曲線計算得出的結(jié)果與實際使用的配比相差不大(實際應(yīng)用時不是僅僅考慮流動性最好,而是成本第一)；對存在問題的配比也可以比較直觀的發(fā)現(xiàn)問題所在；無論是天然砂、機(jī)制砂還是石屑都一樣適用。

來源：砼學(xué)研究所

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骨料級配

骨料中各種大小不同的顆粒之間的數(shù)量比例，稱為骨料的級配。

骨料的級配如果選擇不當(dāng)，以至骨料的比表面積、空隙率過大，則需要更多的水泥漿，才能使混凝土獲得一定的流動性，才能填充骨料間的空隙。而且，骨料的級配對硬化混凝土的性能也有很大的影響，如強(qiáng)度、耐久性等。如果骨料級配不合理，有時即使多加水泥，硬化混凝土的性能也會受到一定的影響，因此骨料級配對于獲得高質(zhì)量、低成本的混凝土非常重要。

骨料顆粒大小常用篩分確定，JGJ52-2006對標(biāo)準(zhǔn)篩系的規(guī)格和質(zhì)量有明確的規(guī)定。骨料的級配采用各篩上的篩余量按質(zhì)量百分率表示，其篩分結(jié)構(gòu)可以繪制成篩分曲線，也稱級配曲線。

骨料級配對空隙率影響

骨料級配、骨料最大粒徑和最小粒徑等因素對混凝土的水泥用量和需水量都有很大影響，同時還對混凝土的和易性、可泵性、經(jīng)濟(jì)性、孔隙率、收縮性和耐久性產(chǎn)生顯著影響。

骨料的級配對空隙率的影響從下圖的實驗中可以看出。第一個燒杯中是單一級配的粒徑較大的骨料，第二個燒杯中是單一級配的粒徑較小的骨料，第三個燒杯中是這兩種骨料按1:1混合（體積比）的混合骨料。然后向這三個燒杯中注入水，前兩個燒杯可注入的水量完全相同，說明骨料間的空隙的體積是相同的，與骨料的粒徑?jīng)]有關(guān)系。而第三個燒杯可注入的水量明顯減少，說明這兩種骨料混合后，骨料間空隙的體積明顯減小，也就是說空隙率顯著下降。如果將更多不同粒徑的骨料混合在一起，其空隙率會進(jìn)一步下降。而混凝土中水泥漿的用量與骨料空隙率成正比。

骨料空隙率實驗

在實際工程中，水泥漿的用量往往大于骨料間空隙的體積。如下圖所示，上圖中骨料彼此相接觸，下圖表示骨料分布在水泥漿中的情況，骨料彼此不再接觸，因此空隙體積變大，也就是水泥漿的用量增大，只有這樣，混凝土才具有良好的和易性。

骨料空隙率與水泥漿的用量

級配理論

良好的骨料級配要滿足以下基本要求：

1，骨料的空隙率最小，可以減少水泥漿用量，配出性能好的混凝土。

2，骨料混合物具有適當(dāng)小的表面積，從而節(jié)省水泥，改善工作性能。

3，盡可能采用最大數(shù)量的最大粒徑骨料，這樣可以大大提高密實度，減少表面積。大粒徑骨料越多，骨架作用越強(qiáng)。

目前常用的級配理論有兩種，連續(xù)級配和間斷級配。

一、連續(xù)級配理論

連續(xù)級配的特征是粗細(xì)骨料各分級粒度俱全，相鄰兩級粒徑比為2。

主張連續(xù)級配的專家認(rèn)為，一個良好的連續(xù)級配是按照一定的粒徑比及其含量形成一個連續(xù)的級配曲線。如在實際配合混凝土?xí)r，骨料各級含量符合或接近此理論曲線，所配的混凝土具有良好的工作度和最大密實度。

二、間斷級配理論

為了得到最小空隙率，相鄰兩級骨料粒度比要比較大，才能使大顆粒十分靠近，大顆粒數(shù)量最多。有試驗證明，但粒度比為8:1時，采用2-3級的間斷級配，就可能達(dá)到最優(yōu)的空隙率。試驗還指出，間斷級配最大一級骨料用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于連續(xù)級配最大一級骨料的用量，在達(dá)到同樣的空隙率時，間斷級配的表面積較小。

上述兩種級配理論的前提是，認(rèn)為硬化后混凝土的結(jié)構(gòu)及其骨料的空間關(guān)系，與硬化前干混合物顆粒排列狀態(tài)相對應(yīng)。只有在此前提下，骨料的理想級配才有意義。

但實際情況是，混凝土是通過一定的工藝措施才能使之密實成型，因此骨料的實際分布狀態(tài)受混凝土拌合物流動性及外力作用條件的影響，不一定能保持理想位置，特別是混凝土干硬時，其緊密程度與理想狀態(tài)有較大出入。

其實，上述兩個級配理論都是要降低骨料的空隙率和表面積，從而提高最大顆粒的使用量。在這方面，間斷級配的優(yōu)越性顯然更顯著些。間斷級配的優(yōu)點是空隙率小，表面積小，骨料的骨架作用較顯著，從而能節(jié)省水泥，提高混凝土的性能。

骨料如何配？

骨料組合結(jié)構(gòu)有懸浮密實結(jié)構(gòu)、骨架密實結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)三類（分別對應(yīng)的是巖石中的基底膠結(jié)、孔隙膠結(jié)、接觸膠結(jié)）。不同的混凝土對骨架的結(jié)構(gòu)要求各有不同。

對于泵送的混凝土而言,需要的是相對密實而易于流動的懸浮密實結(jié)構(gòu)骨料組合,對于干硬性和塑性混凝土則需要密實結(jié)構(gòu)的骨料組合，對于透水混凝土則需要骨架空隙結(jié)構(gòu)。

一種確定的骨料其級配是確定的連續(xù)粒級或者單一粒級。生產(chǎn)所需要的骨料是以這已有的（確定的）骨料去合成一個具有新級配的骨料組合。其方法有：

1、按不同的比例組合骨料，分別測定其容重，取較密實者。一般是先分別確定各種砂、石的比例，然后按經(jīng)驗或者其他方法確定砂率。也就是結(jié)果是密實的，但是否適合配制泵送混凝土，是不確定的。對于2種砂或石的合成比較方便，如果有3種以上，那試驗會比較煩雜。那就需要先合成其的2種，然后將這作為贗顆粒與第3種再去合成。

2、直接以篩分結(jié)果，按連續(xù)級配的曲線試算求解。按不同的比例組合骨料，分別試算其各檔料的篩余是否符合連續(xù)級配。與方法1一樣，石、砂先分別按規(guī)范中的級配范圍配好，再去選擇砂率。

3、按上一檔（較大粒徑）的空隙率確定下一檔（較小粒徑）的用量。也是先確定各種石的比例，然后確定砂率。比如以“干砂漿”體積填充石子空隙以及其他的“正填法”、“逆填法”。

4、骨料密實級配，富勒理想級配的曲線公式：P=A+（100-A）* 式中 P---通過某一篩孔的顆粒百分?jǐn)?shù)%A---系數(shù)，隨混凝土的坍落度而變，查下表d---某一篩的篩孔寬或直徑mmD---骨料的最大粒徑mm由上式計算出來的各級顆粒百分?jǐn)?shù)，可作為密實級配的參考，在此基礎(chǔ)上作適當(dāng)調(diào)整，求出骨料容重最大的級配，即為密實級配。

5、按間斷級配間斷級配是人為的剔去骨料中的某些中間級，在顆粒配合時故意造成顆粒尺寸的間斷，也就消除了較小顆粒的契塞和支撐作用所造成的空隙，使骨料的空隙率達(dá)到最小。間斷級配的顆粒組成不能用篩分曲線圖來表示。間斷級配的優(yōu)點是空隙率小，比連續(xù)級配的密實度高。

間斷級配的各檔集料組合之間關(guān)系，以D1、D2、D3、D4表示各檔顆粒粒徑的上限，d1、d2、d3、d4為其下限，則：第一檔組合 D1/d1=1.5第二檔組合 D2/d2=1.5—2第三檔組合 D3/d3=2第四檔組合 D4/d4=2至于D1、D2、D3、D4之間的關(guān)系，卵石：D2/D1=1/8，D3/D2=1/6—1/8，D4/D3=1/6；碎石：D2/D1=1/10，D3/D2=1/8—1/10，D4/D3=1/8。

一般情況下只要采用兩檔級配，很少采用四檔級配，因為用第二檔組合的集料填充第一檔組合的集料，其填滿程度就可以達(dá)到95%。

骨料中斷后，下一級和上一級顆粒平均尺寸的比值一般采用1：4—1：6之間。在一般工業(yè)與民用建筑上，以采用兩級中斷為宜。如最大粒徑為40mm，其分級可為5—10mm，20--40mm。在大體積（如水工）中，可采用三級中斷。如最大粒徑為250mm，其分級可為5—10mm，25--50mm，150--250mm。當(dāng)最大粒徑小于25mm時，因空隙率的減少不顯著，不宜采用。以上5種方法可以配出密實的組合，卻不能保證流動性。

6、基于連續(xù)級配的砂石統(tǒng)一曲線基于砂、石都是骨料，只不過是顆粒粗、細(xì)的區(qū)別和石、砂分別配在二者的粒徑交界處會有很大的“撞車” 可能，應(yīng)該將砂、石統(tǒng)一考慮，以簡化、優(yōu)化合成骨料級配的方法。以FULLER最大密度曲線理論為基礎(chǔ), 參考混凝土泵送規(guī)范的最佳級配線和適宜泵級配區(qū)、骨料組成對強(qiáng)度的影響、個別孔徑顆粒對泵送的影響(如0.315等)對曲線作一定的修正,形成砂石統(tǒng)一曲線。

曲線(略)經(jīng)過與幾個區(qū)域的實際應(yīng)用配比對比： 僅僅是死板的按曲線計算得出的結(jié)果與實際使用的配比相差不大(實際應(yīng)用時不是僅僅考慮流動性最好,而是成本第一)；對存在問題的配比也可以比較直觀的發(fā)現(xiàn)問題所在；無論是天然砂、機(jī)制砂還是石屑都一樣適用。

聲明：

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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(biāo)。一般認(rèn)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(jì)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(qiáng)度增加，或者在強(qiáng)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(jì)效益。要想獲得較小空隙率級配要求的骨料，市售產(chǎn)品很難達(dá)到要求，最經(jīng)濟(jì)的手段為通過兩種或兩種以上的骨料混合達(dá)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(yùn)用中往往不太方便。如何科學(xué)地對混凝土骨料級配進(jìn)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(jìn)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。

原材料

水泥：品種為 P·O 42.5R。

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。

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。

砂子：Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù) 2.65。

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。

外加劑：聚羧酸減水劑，固含量 12%，減水率 23%。

試驗方案

1、骨料級配試驗

第一步：進(jìn)行骨料篩分，得到 5～10mm、10～16mm、16～ 20mm 和 20～25mm 四種單粒級骨料樣品。

第二步：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%。

2、粗骨料空隙率測試

進(jìn)行空隙率測定：對象是單粒級、二元混合體系、三元混合體系、四元混合體系的石子。參照 GB/T 14685— 2011《建筑用卵石和碎石》中測定方法，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。

V0=(1-ρ1/ρ2)×100%

式中：V0——空隙率，%；

ρ1——松散堆積密度，kg/m3；

ρ2——表觀密度，kg/m3。

3、不同空隙率骨料下混凝土的拌制及性能測試

制備空隙率分別為 46%、44%、42% 和 40% 四種骨料，要注意粒徑搭配。然后再混凝土試配。試配時記住保持不變的是膠凝材料和外加劑用量，單方用水量和砂率是調(diào)整關(guān)鍵，把混凝土的坍落度控制在 230～250mm、擴(kuò)展度控制在 550～600mm，測試 28d 抗壓強(qiáng)度，分析空隙率對混凝土性能的影響。

結(jié)果討論

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。

2、二元系統(tǒng)級配與空隙率的關(guān)系

構(gòu)成二元系統(tǒng)是在5～25mm 粒徑范圍內(nèi)四個單粒級兩兩搭配，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。

這樣兩種粒徑不同的骨料不同搭配可明顯降低空隙率，單粒級時是 46%～48%，“混搭”后最低可降至 40% 左右，降幅超過 5%?？障堵实慕档统潭仁芰郊捌渌急壤挠绊憽?/p>

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；最明顯的是前四種組合，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。

根據(jù)球體堆積理論，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(jìn)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。

二元石子組合的降低空隙率程度隨著 R小/R大粒徑比值增大而下降。空隙率的降低作用最明顯是在R小/R大=0.33～0.58，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(jìn)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(dá)到較好的優(yōu)化效果。

3、三元系統(tǒng)級配與空隙率的關(guān)系

參照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。

圖 2 結(jié)果顯示，三元級配相對于二元體系可進(jìn)一步降低空隙率。與二元體系相比，最低空隙率的出現(xiàn)位置略有差別。

16～20mm 比例>60% 時，空隙率呈現(xiàn)增加趨勢，這是因為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。16～20mm 石子比例<60 %，產(chǎn)生最低空隙率時，5～10mm 與10～16mm 混搭比例接近 5:5 ，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。

4、四元系統(tǒng)級配與空隙率的關(guān)系

二元體系試驗顯示搭配比例對空隙率的影響較小，16～20mm 與 20～25mm 顆粒粒徑接近。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 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。

5、5～25mm 三級配粗骨料與空隙率的關(guān)系

綜上，對于5～25mm 連續(xù)級配石子為了獲得空隙率的骨料級配，可按 5～10mm、10～16mm 和 16～25mm 三粒級進(jìn)行優(yōu)化混搭。參照相圖的繪制方法，制備了骨料級配—空隙率圖（圖 3），標(biāo)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。

6、骨料空隙率與混凝土性能關(guān)系研究

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

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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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。

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(qiáng)度提升13.3MPa?？梢杂行У慕档突炷恋膯畏匠杀?，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="">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。

來源：砼學(xué)研究院

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