孟令凱，周新剛，劉相如

（煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005）

機(jī)制砂級(jí)配優(yōu)化及混配試驗(yàn)研究*

孟令凱，周新剛，劉相如

（煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005）

對(duì)比分析我國(guó)和 ACI 對(duì)預(yù)拌混凝土砂石的級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)骨料空隙體積最小的原則，對(duì)機(jī)制砂及混合后骨料的級(jí)配進(jìn)行了整體優(yōu)化，得到空隙率小的骨料體系。級(jí)配優(yōu)化后粗骨料的空隙率由 0.463 下降到 0.422，細(xì)骨料的空隙率由 0.372 下降到 0.338。用級(jí)配優(yōu)化后的骨料進(jìn)行了三種強(qiáng)度等級(jí)（C30、C40、C50）混凝土的試配，依據(jù) CF-WF 理論和坍落度指標(biāo)對(duì)比分析了骨料級(jí)配優(yōu)化后混凝土拌合物工作性的改善情況，同時(shí)也對(duì)混凝土 7d 和 28d 的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果表明：級(jí)配優(yōu)化后 C30、C40、C50 混凝土的坍落度指標(biāo)分別提高了 14.2%、9.8%、13.1%；7d 抗壓強(qiáng)度分別提高了 3.3MPa、3.3 MPa、3.8 MPa；28d 抗壓強(qiáng)度分別提高了 7.3 MPa、8.1 MPa、5.4 MPa。

機(jī)制砂；骨料級(jí)配；混凝土；工作性；抗壓強(qiáng)度

近年來(lái)我國(guó)優(yōu)質(zhì)的天然砂石骨料資源日益匱乏，應(yīng)用機(jī)制砂替代天然砂已成為預(yù)拌混凝土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種趨勢(shì)。機(jī)制砂的粒型、級(jí)配、細(xì)度模數(shù)、含泥量等指標(biāo)與加工工藝有關(guān)，且與河砂有很大不同，為更好地應(yīng)用機(jī)制砂預(yù)拌混凝土，保證混凝土的質(zhì)量，國(guó)內(nèi)研究者針對(duì)機(jī)制砂做了大量研究工作。文獻(xiàn) [1-4] 從不同側(cè)重點(diǎn)分別就機(jī)制砂的主要參數(shù)對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律開(kāi)展了研究，并提出了相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)建議值。對(duì)比分析我國(guó)和 ACI 對(duì)預(yù)拌混凝土砂石的級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)骨料空隙體積最小的原則，對(duì)機(jī)制砂和混合后骨料的級(jí)配進(jìn)行了整體優(yōu)化，得到空隙率小的骨料體系。用級(jí)配優(yōu)化后的骨料進(jìn)行三種強(qiáng)度等級(jí)混凝土的試配，依據(jù) CF-WF 理論和坍落度指標(biāo)對(duì)比分析了級(jí)配優(yōu)化后混凝土拌合物工作性的改善情況，同時(shí)也對(duì)混凝土 7d、28d 的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 機(jī)制砂篩分及骨料級(jí)配優(yōu)化

由于使用現(xiàn)有機(jī)制砂和 5～25mm 碎石所配制的混凝土拌合物易離析，減水劑用量波動(dòng)較大，因此，通過(guò)篩分對(duì)機(jī)制砂和粗骨料進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化，從而解決混凝土和易性難以控制等問(wèn)題。

1.1 機(jī)制砂篩分

依據(jù)《建筑用砂》[5]對(duì)細(xì)骨料級(jí)配 II 區(qū)的累計(jì)篩余標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)機(jī)制砂進(jìn)行篩分。篩分結(jié)果顯示，孔徑為2.36mm 篩盤(pán)對(duì)應(yīng)的累計(jì)篩余百分率超出了標(biāo)準(zhǔn)上限。為使機(jī)制砂的級(jí)配滿足 II 區(qū)要求，試驗(yàn)通過(guò)篩分降低4.75mm 顆粒含量對(duì)機(jī)制砂級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化。取質(zhì)量為 a1的原級(jí)配機(jī)制砂，篩分去除機(jī)制砂中粒徑為 4.75mm 的顆粒，剩余機(jī)制砂質(zhì)量記為 a2，試驗(yàn)將質(zhì)量為 a1的原級(jí)配機(jī)制砂與質(zhì)量為 a2的去除 4.75mm 顆粒的機(jī)制砂按照 7∶3 的比例進(jìn)行混合得到新級(jí)配機(jī)制砂。《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)范》[6]中指明細(xì)骨料通過(guò) 0.315mm 篩孔的砂，不應(yīng)少于 15%。分別對(duì)原級(jí)配和新級(jí)配機(jī)制砂進(jìn)行篩分得到其篩分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表 1。

機(jī)制砂級(jí)配優(yōu)化后孔徑為 2.36mm 篩盤(pán)對(duì)應(yīng)的累計(jì)篩余百分率由 28.53% 降低到了 21.92%，滿足了級(jí)配 2 區(qū)要求，另外，通過(guò) 0.315mm 篩孔的砂含量也大于 15%，滿足了泵送混凝土的要求。機(jī)制砂的級(jí)配曲線見(jiàn)圖 1，優(yōu)化前機(jī)制砂的級(jí)配曲線接近 I 區(qū)，表明砂過(guò)粗，混凝土拌合物工作性差，和易性不易控制，而且內(nèi)摩擦大，不易振搗成型。優(yōu)化后的機(jī)制砂級(jí)配滿足 2 區(qū)級(jí)配要求，粗細(xì)適中，級(jí)配較好。

表1 機(jī)制砂篩分表

圖1 機(jī)制砂級(jí)配曲線

1.2 骨料體系級(jí)配優(yōu)化

為研究良好的骨料級(jí)配對(duì)混凝土拌合物工作性和抗壓強(qiáng)度的改善程度，還對(duì)粗骨料進(jìn)行篩分優(yōu)化。篩分結(jié)果顯示， 9.50mm 分計(jì)篩余百分率 44.16%，4.75mm 分計(jì)篩余百分率 7.90%，兩個(gè)連續(xù)粒級(jí)的顆粒含量相差懸殊，級(jí)配連續(xù)性較差，才導(dǎo)致所配制的混凝土易離析，和易性難以控制等問(wèn)題。因此，通過(guò)篩分降低 9.50mm顆粒含量和提高 4.75mm 顆粒含量，使兩個(gè)連續(xù)粒級(jí)的顆粒含量分布均勻，得到級(jí)配連續(xù)性較好的粗骨料。篩分得到粒徑為 4.75mm 的顆粒，質(zhì)量記為 b1；對(duì)原級(jí)配粗骨料篩分去除 9.50mm 顆粒，剩余骨料質(zhì)量記為b2；取質(zhì)量為 b3的原級(jí)配粗骨料，將 b1、b2、b3按照1:3:5 的比例進(jìn)行混合得到新級(jí)配粗骨料。原級(jí)配和新級(jí)配粗骨料篩分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表 2。骨料級(jí)配優(yōu)化后，孔徑為9.50mm 和 4.75mm 篩盤(pán)對(duì)應(yīng)的分計(jì)篩余百分率分別為24.86% 和 19.71%，兩個(gè)連續(xù)粒級(jí)顆粒含量分布均勻，級(jí)配連續(xù)性較好。

各個(gè)篩的分計(jì)篩余量反映了骨料的級(jí)配情況，因此，控制骨料各篩的分計(jì)篩余量是確保骨料級(jí)配良好的重要手段[7]。對(duì)于混凝土骨料，在 0.60mm 以上的各個(gè)篩中的分計(jì)篩余百分率宜控制在 8%～18% 之間，對(duì)于粒徑在 0.60mm 以下的顆粒，由于膠凝材料能夠起到一定補(bǔ)充和潤(rùn)滑作用，骨料的分計(jì)篩余可以適當(dāng)降低[8]。按照 ACI302.1R[9]對(duì)粗細(xì)骨料混合后各粒徑分計(jì)篩余百分率的要求，以 0.47 的砂率將優(yōu)化前后的粗細(xì)骨料進(jìn)行混合，依據(jù)粗、細(xì)骨料和混合后各粒徑顆粒所占骨料體系的百分比計(jì)算得到優(yōu)化前后骨料體系的分計(jì)篩余百分率見(jiàn)表 3，并和 ACI 建議的各粒徑分計(jì)篩余百分率進(jìn)行對(duì)比分析見(jiàn)圖 2。

優(yōu)化前骨料體系中孔徑為 9.50mm 篩盤(pán)對(duì)應(yīng)的分計(jì)篩余 23.40% 超出了 ACI 上限標(biāo)準(zhǔn) 18.00%，孔徑為4.75mm 篩盤(pán)對(duì)應(yīng)的分計(jì)篩余 6.51% 低于 ACI 下限標(biāo)準(zhǔn)，級(jí)配曲線波動(dòng)較大，連續(xù)性較差，骨料體系空隙率較大，不密實(shí)。優(yōu)化后的骨料級(jí)配曲線更為平緩，各粒徑對(duì)應(yīng)的分計(jì)篩余相差不大，級(jí)配連續(xù)性較好，骨料體系更加密實(shí)。

表3 骨料分計(jì)篩余表

2 混凝土性能

對(duì)級(jí)配優(yōu)化前后骨料體系的粗糙度因子、工作性因子、空隙率以及混凝土拌合物坍落度和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。以堆積密度得到骨料體系空隙率的改善程度；混凝土拌合物的工作性參照 CF-WF 理論和 GB/T 5008－2010《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]進(jìn)行；混凝土 7d、28d 強(qiáng)度按照 GB/T 5008－2011《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]進(jìn)行。

2.1 原材料及配合比

水泥：P·O42.5 級(jí)硅酸鹽水泥；粉煤灰：Ⅲ 級(jí)粉煤灰；礦粉：S95 級(jí)礦粉；減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率約為 25%；細(xì)骨料：水洗機(jī)制砂，表觀密度為 2635kg/m3；粗骨料：5～25mm 碎石，表觀密度為2762kg/m3。試驗(yàn)采用的水泥、粉煤灰、礦粉的物理性能見(jiàn)表 4[12]。以 0.47 的砂率分別設(shè)計(jì)三個(gè)水膠比，配制三種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，其基準(zhǔn)配合比見(jiàn)表 5。

圖2 分計(jì)篩余級(jí)配曲線

表4 水泥、粉煤灰和礦粉的物理性能

2.2 空隙率

降低骨料體系空隙率可以在滿足工程要求的同時(shí)降低膠凝材料用量和同樣膠凝材料用量情況下提高混凝土性能[13]。通過(guò)堆積密度得到級(jí)配優(yōu)化前后骨料體系的空隙率和密實(shí)度見(jiàn)表 6。優(yōu)化后粗骨料和細(xì)骨料的空隙率都有了明顯的降低，骨料體系更加密實(shí)，用級(jí)配優(yōu)化后的骨料體系所配制的混凝土的工作性和強(qiáng)度都得到了一定地改善。圖 3 和圖 4 可以更加直觀地表現(xiàn)出級(jí)配優(yōu)化后粗細(xì)骨料空隙率的改善程度。

表5 基準(zhǔn)配合比 k g

表6 骨料空隙率和密實(shí)度

圖3 粗骨料空隙率和密實(shí)度

圖4 細(xì)骨料空隙率和密實(shí)度

2.3 工作性

試驗(yàn)通過(guò)對(duì)比骨料級(jí)配優(yōu)化前后粗糙度因子、工作性因子以及坍落度指標(biāo)的變化反映良好的顆粒級(jí)配對(duì)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論是由美國(guó) Shilstone[14]教授在多年混凝土配合比優(yōu)化研究的基礎(chǔ)上提出的一種骨料級(jí)配優(yōu)化理論。利用粗糙度因子（CF）和工作性因子（WF）兩個(gè)參數(shù)可以描述骨料級(jí)配與混凝土工作性之間的關(guān)系，并可以通過(guò)調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)來(lái)控制骨料的級(jí)配，以達(dá)到優(yōu)化混凝土性能的目的。Shilstone 教授在大量試驗(yàn)和工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，將 CF-WF 圖分為 5個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域代表具有不同級(jí)配的骨料體系。1 區(qū)粗顆粒較多，為間斷級(jí)配，拌合物易離析；2 區(qū)骨料級(jí)配優(yōu)良所配制的混凝土拌合物具有較好的工作性和經(jīng)濟(jì)性；3 區(qū)適用于最大粒徑不大于 19.0mm 的混凝土；4區(qū)細(xì)顆粒較多，易導(dǎo)致拌合物過(guò)粘影響混凝土工作性和可泵性；5 區(qū)骨料所拌制的混凝土粗骨料包裹性較差。CF 和 WF 的計(jì)算公式如下：

式中：

CF——粗糙度因子；

WF——工作性因子；

Q——骨料體系中粒徑大于 9.5mm 的顆粒質(zhì)量百分比；

I——骨料體系中大于 2.36mm，并且小于 9.5mm顆粒的質(zhì)量百分比；

W——骨料中粒徑小于 2.36mm 顆粒的質(zhì)量百分比；

B——單方混凝土中膠凝材料用量。

利用 CF-WF 計(jì)算公式得到三種強(qiáng)度等級(jí)混凝土對(duì)應(yīng)的粗糙度因子和工作性因子見(jiàn)表 7。

圖5 C F-WF 圖

圖5 顯示三種強(qiáng)度等級(jí)混凝土的粗糙度因子由 74降低到 65 的同時(shí)，工作性因子也有相應(yīng)的提高，即骨料級(jí)配優(yōu)化后混凝土拌合物的工作性會(huì)得到改善。

表7 C F-WF 表

2.3.2 坍落度

用優(yōu)化后的骨料配制的混凝土的坍落度見(jiàn)表 8，并用圖 6 對(duì)比分析。級(jí)配優(yōu)化后，C30、C40、C50 三種強(qiáng)度等級(jí)混凝土的坍落度分別提高了 14.2%、9.8% 和13.1%。

表8 坍落度

圖6 坍落度圖

2.4 抗壓強(qiáng)度

用級(jí)配優(yōu)化后的骨料所配制的三種強(qiáng)度等級(jí)混凝土的 7d 和 28d 強(qiáng)度也有明顯的改善。7d 和 28d 抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表 9。

表9 7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度

圖7 和圖 8 也直觀地顯示出級(jí)配優(yōu)化后強(qiáng)度的改善情況。當(dāng)混凝土的工作性和拌合物狀態(tài)均達(dá)到級(jí)配優(yōu)化前的條件時(shí)，對(duì)比水膠比的變化，從這一角度進(jìn)一步分析級(jí)配優(yōu)化所帶來(lái)的強(qiáng)度提升。由表 10 可知 C30、C40、C50 的水膠比分別由 0.46 降低到 0.43，由 0.39 降低到 0.35，由 0.36 降低到 0.32 時(shí)，混凝土拌合物的狀態(tài)和坍落度指標(biāo)均能達(dá)到優(yōu)化前的狀態(tài)。圖 9 從這一角度對(duì)比分析了良好的骨料級(jí)配所帶來(lái)的抗壓強(qiáng)度的改善程度，抗壓強(qiáng)度提高的效果較為明顯。

圖7 7 d 抗壓強(qiáng)度

圖8 28 d 抗壓強(qiáng)度

表10 水膠比和抗壓強(qiáng)度的對(duì)比

圖9 新水膠比下 28 d 抗壓強(qiáng)度

3 結(jié)論

（1）通過(guò)將 a1、a2按照 7:3 的比例進(jìn)行混合得到新級(jí)配機(jī)制砂，將 b1、b2、b3按照 1:3:5 的比例混合得到新級(jí)配的粗骨料。較原級(jí)配骨料體系，新級(jí)配下機(jī)制砂和粗骨料的空隙率分別降低了 3.4% 和 4.1%。級(jí)配優(yōu)化后的骨料體系更加密實(shí)，級(jí)配曲線變得平緩，混合后骨料體系中各粒徑顆粒含量分布較為均勻，級(jí)配連續(xù)性較好。

（2）用優(yōu)化后的骨料所配制的 C30、C40、C50 混凝土的工作性有了較為明顯的改善。其中三種強(qiáng)度等級(jí)混凝土的粗糙度因子 CF 由 74 降低到 65，工作性因子分別提高了 2.68、1.32、0.74；坍落度指標(biāo)分別提高了14.2%、9.8%、13.1%；較骨料級(jí)配優(yōu)化前，優(yōu)化后骨料所拌制的混凝土和易性較好，不離析。

（3）骨料級(jí)配優(yōu)化后 C30、C40、C50 混凝土的7d 抗壓強(qiáng)度分別提高了 3.3MPa、3.3 MPa、3.8 MPa；28d 抗壓強(qiáng)度分別提高了 7.3 MPa、8.1 MPa、5.4 MPa。

[1] 易文，馬健霄，聶憶華，等．機(jī)制砂混凝土性能研究[J]．中外公路，2008,28(3)：151-153.

[2] 李北星，柯國(guó)炬，趙尚傳，等．機(jī)制砂混凝土路用性能研究[J]．建筑材料學(xué)報(bào)，2010,13(4)：529-534.

[3] 岳海軍，李北星，周明凱，等．水泥混凝土用機(jī)制砂的級(jí)配探討與試驗(yàn)[J]．混凝土，2012(3)：91-94.

[4] 蔣正武，潘峰，吳建林，等．機(jī)制砂參數(shù)對(duì)混凝土性能的影響研究[J]．混凝土世界，2011(8)：66-70.

[5] GB/T 14684-2001．建筑用砂[S]．

[6] JGJ/T 10-95．混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)范[S]．

[7] 秦緒祥．細(xì)骨料混配優(yōu)化及其預(yù)拌混凝土性能研究[D]．煙臺(tái)：煙臺(tái)大學(xué)，2016.

[8] Patrick J·Harrison．For the idea slab-on-group mixture[J]．Concrete Iternational，2004(4)：49-55.

[9] ACI Committee 302.Guide to Floor and Slab Costruction[M]. American Concrete Institute，F(xiàn)armington Hills，MI，1996.

[10] GB/T 50080－2011．普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[11] GB/T 50081－2002．普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[12] 蘇智慧，周新剛．膠凝材料空隙率對(duì)需水量影響的試驗(yàn)分析[J]．煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017,30(1)：66-73.

[13] 徐飛．普通混凝土骨料最小空隙率的探討[J]．混凝土，2004,03：17-18.

[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

孟令凱（1992－），男，碩士研究生，研究方向：混凝土耐久性。

山東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（YK051）。

［通訊地址］山東省煙臺(tái)市煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院（264005）