聚焦 | 砂石骨料级配全解析——级配理论、配制方法及对孔隙率影响等!

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2018-05-23

骨料中各种大小不同的颗粒之间的数量比例,称为骨料的级配。骨料的级配如果选择不当,以至骨料的比表面积、空隙率过大,则需要更多的水泥浆,才能使混凝土获得一定的流动性,才能填充骨料间的空隙。而且,骨料的级配对硬化混凝土的性能也有很大的影响,如强度、耐久性等。如果骨料级配不合理,有时即使多加水泥,硬化混凝土的性能也会受到一定的影响,因此骨料级配对于获得高质量、低成本的混凝土非常重要。


骨料颗粒大小常用筛分确定,JGJ 52-2006对标准筛系的规格和质量有明确的规定。骨料的级配采用各筛上的筛余量按质量百分率表示,其筛分结构可以绘制成筛分曲线,也称级配曲线。



骨料级配对空隙率的影响?


骨料级配、骨料最大粒径和最小粒径等因素对混凝土的水泥用量和需水量都有很大影响,同时还对混凝土的和易性、可泵性、经济性、孔隙率、收缩性和耐久性产生显著影响。


骨料的级配对空隙率的影响从下图的实验中可以看出。第一个烧杯中是单一级配的粒径较大的骨料,第二个烧杯中是单一级配的粒径较小的骨料,第三个烧杯中是这两种骨料按1:1混合(体积比)的混合骨料。然后向这三个烧杯中注入水,前两个烧杯可注入的水量完全相同,说明骨料间的空隙的体积是相同的,与骨料的粒径没有关系。而第三个烧杯可注入的水量明显减少,说明这两种骨料混合后,骨料间空隙的体积明显减小,也就是说空隙率显著下降。如果将更多不同粒径的骨料混合在一起,其空隙率会进一步下降。而混凝土中水泥浆的用量与骨料空隙率成正比。


▲ 骨料空隙率实验


在实际工程中,水泥浆的用量往往大于骨料间空隙的体积。如下图所示,上图中骨料彼此相接触,下图表示骨料分布在水泥浆中的情况,骨料彼此不再接触,因此空隙体积变大,也就是水泥浆的用量增大,只有这样,混凝土才具有良好的和易性。



▲ 骨料空隙率与水泥浆的用量


骨料级配理论有哪些?


良好的骨料级配要满足以下基本要求:


➤ 骨料的空隙率最小,可以减少水泥浆用量,配出性能好的混凝土。


➤ 骨料混合物具有适当小的表面积,从而节省水泥,改善工作性能。


➤ 尽可能采用最大数量的最大粒径骨料,这样可以大大提高密实度,减少表面积。大粒径骨料越多,骨架作用越强。


目前常用的级配理论有两种,连续级配和间断级配。


一、连续级配理论
 连续级配的特征是粗细骨料各分级粒度俱全,相邻两级粒径比为2。
 主张连续级配的专家认为,一个良好的连续级配是按照一定的粒径比及其含量形成一个连续的级配曲线。如在实际配合混凝土时,骨料各级含量符合或接近此理论曲线,所配的混凝土具有良好的工作度和最大密实度。


二、间断级配理论
 为了得到最小空隙率,相邻两级骨料粒度比要比较大,才能使大颗粒十分靠近,大颗粒数量最多。有试验证明,但粒度比为8:1时,采用2—3级的间断级配,就可能达到最优的空隙率。试验还指出,间断级配最大一级骨料用量远远大于连续级配最大一级骨料的用量,在达到同样的空隙率时,间断级配的表面积较小。上述两种级配理论的前提是,认为硬化后混凝土的结构及其骨料的空间关系,与硬化前干混合物颗粒排列状态相对应。只有在此前提下,骨料的理想级配才有意义。


 


但实际情况是,混凝土是通过一定的工艺措施才能使之密实成型,因此骨料的实际分布状态受混凝土拌合物流动性及外力作用条件的影响,不一定能保持理想位置,特别是混凝土干硬时,其紧密程度与理想状态有较大出入。


其实,上述两个级配理论都是要降低骨料的空隙率和表面积,从而提高最大颗粒的使用量。在这方面,间断级配的优越性显然更显著些。间断级配的优点是空隙率小,表面积小,骨料的骨架作用较显著,从而能节省水泥,提高混凝土的性能。


骨料如何配?


骨料组合结构有悬浮密实结构、骨架密实结构、骨架空隙结构三类(分别对应的是岩石中的基底胶结、孔隙胶结、接触胶结)。不同的混凝土对骨架的结构要求各有不同。


对于泵送的混凝土而言,需要的是相对密实而易于流动的悬浮密实结构骨料组合,对于干硬性和塑性混凝土则需要密实结构的骨料组合,对于透水混凝土则需要骨架空隙结构。


一种确定的骨料其级配是确定的连续粒级或者单一粒级。生产所需要的骨料是以这已有的(确定的)骨料去合成一个具有新级配的骨料组合。其方法有:


➤ 按不同的比例组合骨料,分别测定其容重,取较密实者。一般是先分别确定各种砂、石的比例,然后按经验或者其他方法确定砂率。也就是结果是密实的,但是否适合配制泵送混凝土,是不确定的。对于2种砂或石的合成比较方便,如果有3种以上,那试验会比较烦杂。那就需要先合成其的2种,然后将这作为赝颗粒与第3种再去合成。


➤ 直接以筛分结果,按连续级配的曲线试算求解。按不同的比例组合骨料,分别试算其各档料的筛余是否符合连续级配。与方法1一样,石、砂先分别按规范中的级配范围配好,再去选择砂率。


➤ 按上一档(较大粒径)的空隙率确定下一档(较小粒径)的用量。也是先确定各种石的比例,然后确定砂率。比如以“干砂浆”体积填充石子空隙以及其他的“正填法”、“逆填法”。


➤ 骨料密实级配,富勒理想级配的曲线公式:P=A+(100-A)* 式中  P—通过某一筛孔的颗粒百分数%A—系数,随混凝土的坍落度而变,查下表d—某一筛的筛孔宽或直径mmD—骨料的最大粒径mm由上式计算出来的各级颗粒百分数,可作为密实级配的参考,在此基础上作适当调整,求出骨料容重最大的级配,即为密实级配。


A值系数表


➤ 按间断级配间断级配是人为的剔去骨料中的某些中间级,在颗粒配合时故意造成颗粒尺寸的间断,也就消除了较小颗粒的契塞和支撑作用所造成的空隙,使骨料的空隙率达到最小。间断级配的颗粒组成不能用筛分曲线图来表示。间断级配的优点是空隙率小,比连续级配的密实度高。


间断级配的各档集料组合之间关系,以D1、D2、D3、D4表示各档颗粒粒径的上限,d1、d2、d3、d4为其下限,则:第一档组合 D1/d1=1.5第二档组合 D2/d2=1.5—2第三档组合 D3/d3=2第四档组合 D4/d4=2至于D1、D2、D3、D4之间的关系,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。


 


一般情况下只要采用两档级配,很少采用四档级配,因为用第二档组合的集料填充第一档组合的集料,其填满程度就可以达到95%。


骨料中断后,下一级和上一级颗粒平均尺寸的比值一般采用1:4—1:6之间。在一般工业与民用建筑上,以采用两级中断为宜。如最大粒径为40mm,其分级可为5—10mm,20—40mm。在大体积(如水工)中,可采用三级中断。如最大粒径为250mm,其分级可为5—10mm,25—50mm,150—250mm。当最大粒径小于25mm时,因空隙率的减少不显著,不宜采用。以上5种方法可以配出密实的组合,却不能保证流动性。


➤ 基于连续级配的砂石统一曲线基于砂、石都是骨料,只不过是颗粒粗、细的区别和石、砂分别配在二者的粒径交界处会有很大的“撞车”  可能,应该将砂、石统一考虑,以简化、优化合成骨料级配的方法。以FULLER最大密度曲线理论为基础, 参考混凝土泵送规范的最佳级配线和适宜泵级配区、骨料组成对强度的影响、个别孔径颗粒对泵送的影响(如0.315等)对曲线作一定的修正,形成砂石统一曲线。


曲线(略)经过与几个区域的实际应用配比对比:  仅仅是死板的按曲线计算得出的结果与实际使用的配比相差不大(实际应用时不是仅仅考虑流动性最好,而是成本第一);对存在问题的配比也可以比较直观的发现问题所在;无论是天然砂、机制砂还是石屑都一样适用。


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