骨料级配优化在预拌混凝土生产中的应用

王恒，曲俐俐

（中交一航局第二工程有限公司预拌分公司，山东 青岛 266071）

面对砂石料资源缺乏的现实，某些级配不合格的石子也不得不应用于工程。以往也有采取多加水泥，提高砂率的办法，但仍出现拌合物和易性不良、离析等现象，直接影响混凝土质量。本文研究了利用市场级配不佳的碎石（砂亦然），优化调配出符合规范要求的级配，生产出质量合格的混凝土。

1 骨料级配优化措施

1.1 粗骨料级配对混凝土质量的影响

集料的级配直接影响新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的性能，如强度、变形、热学性能等，也会影响混凝土的成本。好的集料级配颗粒间空隙少，总表面积小，可以在较少用水量的条件下制备出密实性好的混凝土。

1.2 粗骨料级配优化措施

在《普通混凝土用砂石质量及检验方法标准》、《建筑用卵石、碎石》中明确指出，“单粒级宜用于组合成具有要求级配的连续粒级，也可与连续粒级混合使用，以改善其级配配成较大粒度的连续粒级。”这就给优化骨料级配指明了方向，其中5～31.5 mm连续粒级一般多由5～20 mm或5～25 mm等连续粒级的石子和16～31.5 mm单粒级的石子组合而成，16～31.5 mm单粒级的石子一般都能达到规范要求，但目前连续粒级的碎石多级配不良并且有的石子名称都是某种连续级配，但实际上颗粒粒径差别很大。针对此类情况采取的措施如下：某工地要求用粒径5～31.5 mm连续粒级的碎石，拟用5～25 mm连续粒级的石子和16～31.5 mm单粒级的石子组合配成，而从即墨和莱西两个石料场进场的两种5～25 mm碎石的实际级配如表1；16～31.5 mm碎石级配如表2。

从表1中的累计筛余可看出，两种石子均不符合5～25 mm连续碎石级配要求，并且两种碎石级配差别很大，即墨石子主要为16 mm以上粒径颗粒，而莱西石子16 mm以下粒径颗粒较多，为了保证混凝土质量，采取在料场中设置隔离带把两种碎石分开存放分开使用的措施，通过多次试验调试，把莱西石子、即墨石子和16～31.5 mm碎石分别按50∶30∶20的比例混合后，得到了符合规范要求的级配良好的碎石，试验调配后监测数据如表3所示。

表1 即墨石子与莱西石子级配

表2 16～31.5 mm碎石级配

表3 试验调配后5～31.5 mm碎石的级配

从表3可看出，经过现场试验调配后的5～31.5 mm碎石完全符合JGJ 52—2006标准规定的5～31.5 mm连续粒级级配标准，实际工程上常根据土力学中的两个重要指标不均匀系数与曲率半径来判断土的颗粒级配是否良好，其中不均匀系数Cu反映土颗粒不同粒径的分布情况，曲率半径Cc反映土的粒径级配是否连续，一般认为同时满足Cu≥5及Cc=1～3两个条件时可称为良好级配砾石或良好级配砂。但需注意的是土颗粒分布范围大，从小于0.002 mm的胶粒到60 mm大的砾石，而我们分析的连续级配碎石粒径范围较小，只相当于土颗粒粒径的一部分，因此具体在不均匀系数Cu的取值上有差别。经计算5～31.5 mm连续碎石粒级级配的上限值、下限值和中间值的不均匀系数和曲率系数分别为：上限Cu=2.14，Cc=0.97；下限Cu=3.09，Cc=1.29；中值Cu=2.70，Cc=1.20。由此笔者认为对于连续级配碎石不均匀系数的取值可为Cu≥2，而曲率系数Cc取值在1～3之间是合理的。调配后5～31.5 mm碎石的Cu=2.18，Cc=1.02，满足 Cu≥2及 Cc=1～3两个条件，故该级配碎石是级配良好的。经工地使用验证，采用优化级配后的5～31.5 mm碎石拌制的混凝土工作性能良好，质量符合要求。

此外，很多时候由于泵送工艺、结构截面的最小尺寸和钢筋最小净间距等要求，需要使用5～25 mm等连续粒级的石子，而目前市场供应的两种石子均不符合级配要求，因此，采用两种石子通过试验调配、按试验确定的一定比例搭配混合使用的办法，也得到了良好的效果。根据表1的筛分分析结果，用60%的即墨石子和40%的莱西石子进行混合，调整后的石子完全符合粒径5～25 mm连续粒级碎石级配标准。

1.3 细骨料级配优化措施

1.3.1 细骨料的级配及其对混凝土质量的影响

砂的级配是评定水泥混凝土用砂质量的一个重要指标。根据0.63 mm筛孔的累计筛余百分率，分3个标准级配区。在3个级配区中，I区的砂是粗砂，其需水量小，但容易离析，宜配制低水胶比富水泥浆拌合物。III区的砂级配较细，保水性好，但需水量大，宜配制高水胶比贫水泥浆拌合物。II区的砂为中砂，此种砂颗粒大小适中级配良好，较适宜于配置大流动性的泵送混凝土。

1.3.2 级配优化措施

天然砂由于其形成原因、生产采集工艺等的限制，其特细级配部分是不完善的，而人工砂中有一定量石粉的存在，可以弥补天然砂特细级配不足的缺陷，机制砂颗粒棱角分明，比表面积相应增加，完全替代河砂用于混凝土中会造成水泥用量及用水量过大，而且较易发生离析现象。本文通过试验，在混凝土中掺入适当比例的机制砂代替部分河砂，改善细集料的颗粒级配，配制出满足施工规范要求的泵送混凝土。

例如，我们在某一工地需用的泵送混凝土，要求用中砂，而实际采购进场的砂的级配如表4所示。

可以看出此种砂细度模数为3.1，属于粗砂，并且其0.315 mm筛孔的通过率仅为9%，不符合泵送混凝土用砂要求，为了完善细骨料的级配，提高混凝土密实性，通过试验在此天然砂中掺入了部分人工砂，掺入的人工砂级配如表5所示。

如表5所示，该人工砂细度模数2.81属于中砂，级配较好，其通过0.315 mm的细粉较多，纯天然砂这部分颗粒相对少一些，在天然砂中掺一定比例的人工砂可以弥补其通过0.315 mm颗粒过少的缺陷。根据两种砂的筛分结果，通过调配试验，掺入50%人工砂的混合砂的级配情况如表6。

表4 采购的天然砂的级配

表5 人工砂的级配

表6 混合砂的级配

该结果表明，以50%机制砂与50%天然砂混合后所得到的砂，细度模数适中，空隙率低，同时其Cu=6.56，Cc=1.31，满足Cu≥5及Cc=1～3两个条件，因此该混合砂级配良好，且通过0.315 mm筛孔的累计筛余量不大于85%，因此，该混合砂是配制泵送混凝土的较理想的细骨料。该工程中使用的粗骨料为前文所述调配后的5～31.5 mm连续级配碎石，细骨料为该混合砂，当采用33%的砂率即砂∶石=33∶67时，整个骨料的级配如表7。

表7 33%砂率的骨料级配

计算得不均匀系数Cu=27.56，曲率系数Cc=1.45，同时满足Cu≥5及Cc=1～3两个条件，故整个骨料级配良好。同时33%的砂率与JGJ 55—2000普通混凝土配合比设计规程中给出的塑性混凝土推荐砂率值基本一致，同时考虑泵送混凝土塌落度较大，要求有较多砂浆富余量的特质，按照每增加20 mm，砂率增加1%的原则，最终选定砂率为40%，经工地使用验证，采用以上骨料优化级配后的拌制的混凝土工作性能良好，质量完全符合要求。

2 产生的效益

在满足混凝土强度等耐久性的前提下，采取骨料优化的方法，调配出合理的骨料级配，使得集料具有较少的空隙率，可以减少混凝土中水泥浆体的量，从经济上讲，可以有效地降低混凝土的成本，取得良好的经济效益。根据试验结果来看，使用经过优化的骨料每方混凝土至少可节约水泥10～20 kg，相应的减水剂用量也可降低，混凝土成本降低5～10元/m3是完全可以做到的。

3 结语

长期以来，在实际应用中，人们一般只重视胶凝材料质量而忽略了骨料质量的重要性，同时也由于资源的限制，市场上的各种级配不良的砂石料的应用，预拌混凝土生产企业往往被迫采用提高砂率、提高浆骨比等方法来保证混凝土的和易性，易造成胶凝材料用量偏大，提高了混凝土生产成本，对混凝土的性能也造成了不利的影响。应用土颗粒级配的评价方法和规范规定的连续级配区间范围对进场的砂石进行级配评估，并首次把砂石骨料做为一个整体进行考量，进一步优化了骨料级配，不仅能够获得质量优良的混凝土，还能从一定程度上降低了混凝土成本，具有较好的实用性，也取得了一定的经济效益。

[1]JGJ52—2006，普通混凝土用砂石质量及检验方法标准[S].

[2]GB/T 14685—2006，建筑用卵石、碎石[S].

[3]GB/T 14684—2006，建筑用砂[S].

[4]JGJ/T 10—95，混凝土泵送施工技术规程[S].

[5] 周运灿，姜志远，王秋瑗.解决石子级配不合格的有效途径[J].低温建筑技术，1995（1）：19-20.

[6] 秦宇峰，王会民，周迎雪.机制砂在普通混凝土中的应用[J].山西建筑，2007（6）：182-183.

[7] 华东水利学院土力学教研室.土工原理与计算[M].江苏：水利电力出版社，1979.

[8] 钱家欢.土力学[M].江苏：河海大学出版社，1998.