混凝土骨料多元級配體系的研究與設計
0 前言
骨料一般占泵送混凝土體積的65%~72%，即膠凝材料凈漿與骨料的體積比（漿骨比）為28:72~35:65。在保證施工和易性的前提下，提高骨料體積即減小漿骨比，對混凝土的技術(shù)性和經(jīng)濟性具有重要的意義。但是現(xiàn)有的混凝土技術(shù)大多側(cè)重于膠凝材料和外加劑領(lǐng)域，對骨料的研究成果相對較少。我國現(xiàn)行的《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ55）[1]以砂率來定義粗細骨料的比例關(guān)系，取值時任意性較大。美國混凝土協(xié)會的ACI規(guī)范根據(jù)粗骨料的緊密密度、最大粒徑和細骨料的細度模數(shù)等參數(shù)來確定粗骨料的用量，用重量法或體積法確定細骨料用量。這兩項規(guī)范僅涉及兩種粗細骨料，均屬于半經(jīng)驗化設計模式。
我國建筑工程上使用的碎石，一直采用名義上的連續(xù)粒級[2]，但是實際上往往達不到顆粒級配的技術(shù)要求（筆者稱此類碎石為劣級配碎石）。近年來由于優(yōu)質(zhì)天然骨料的日益匱乏，再生骨料、采石場的尾礦石和尾礦砂、細砂或特細砂等各種骨料也逐步被采用。多元化的骨料品種對混凝土的優(yōu)化配制技術(shù)提出了較高的要求。
由于骨料品質(zhì)的下降，加上骨料級配技術(shù)的缺乏，預拌混凝土生產(chǎn)企業(yè)往往采用提高砂率、提高漿骨比等方法來保證混凝土的和易性，易造成膠凝材料用量偏大，提高了混凝土生產(chǎn)成本，還影響到混凝土的收縮性能和水化熱性能。
本文提出一種混凝土骨料多元級配體系，使混凝土骨料配制技術(shù)科學化、定量化，以期達到提高混凝土的和易性、體積穩(wěn)定性和耐久性，節(jié)約資源、降低生產(chǎn)成本的目的。
1 技術(shù)模型
1.1 技術(shù)目標
在輸入若干種骨料（一般為2~4種）原材料基本性能的前提下，可通過系統(tǒng)運算，定量地輸出混合骨料的最佳合成級配和各種骨料的體積百分比，并提出骨料級配優(yōu)化技術(shù)方案。
1.2 設計思路
建立理想的骨料目標級配模型，通過計算機程序運算，使混合骨料的合成級配最接近目標級配，并適當提高混合骨料的細度模數(shù)，從而減少起填充骨料空隙、包裹骨料表面的作用的膠凝材料用量。
1.3.1 采用DingerFunk方程，建立骨料目標級配模型
不同粒徑的粗細骨料互相摻混，只有一種狀態(tài)是最緊密堆積的。Andreasen提出了一種基于連續(xù)尺寸分布顆粒的堆積理論。滿足該理論的級配曲線接近拋物線，骨料顆粒處于最緊密堆積狀態(tài)，空隙率最小。
20 世紀70 年代，Dinger 和Funk引入最小顆粒粒徑的概念，對Andreasen 方程進行修正，提出了著名的DingerFunk 方程：CPTF/100=(Dn-Dsn) /(DLn-Dsn)。
其中：CPTF——小于粒度D的含量百分率（%），
n——分布模數(shù)，取0.30--0.60，
DL——最大顆粒粒徑，
Ds——最小顆粒粒徑。
本文采用DingerFunk方程，建立基于不同分布模數(shù)的骨料目標級配模型。
1）以碎石、再生骨料和尾礦石等作為粗骨料，以尾礦砂、中砂、細砂和特細砂等作為細骨料。鑒于預拌混凝土公司的生產(chǎn)設備條件，每次取2~4種骨料投入運算。泵送混凝土砂率在35%至45%之間；
2）細骨料中通過0.315mm篩孔的顆粒含量不應小于15％，且不大于30％；通過0.16mm篩孔的顆粒含量不應小于5％。根據(jù)砂率值，可計算出混合骨料中0.3mm篩孔通過率為5.25%~13.5%，0.16mm篩孔通過率大于1.75%。
1.3.3 利用計算機應用程序，獲得最佳合成級配與每種骨料的體積百分比
1）在邊界條件限定范圍內(nèi)，對投入運算的骨料進行體積百分比隨機取值，將混合骨料的合成級配與目標級配進行比對，以偏差系數(shù)K來描述兩者之間的差異。偏差系數(shù)越小，合成級配與目標級配越接近。偏差系數(shù)一般為50-150。
2）以偏差系數(shù)K最小化作為目標，通過計算機程序的重復循環(huán)運算，找出該批投入運算的骨料的最佳合成級配，以匹配眾多基于不同分布模數(shù)的目標級配，并確定每種骨料的體積百分比。
3） 根據(jù)每種骨料的細度模數(shù)和體積百分比，計算出混合骨料的細度模數(shù)M。細度模數(shù)越大，混合骨料總表面積越小，細度模數(shù)一般為5.5-6.1。
4）根據(jù)偏差系數(shù)K和細度模數(shù)M，確定最佳的骨料配比。
2 設計案例
2.1 原材料
現(xiàn)有以下九種骨料[4]，需通過運算，獲得一份最佳的四級配骨料。
骨料一般占泵送混凝土體積的65%~72%，即膠凝材料凈漿與骨料的體積比（漿骨比）為28:72~35:65。在保證施工和易性的前提下，提高骨料體積即減小漿骨比，對混凝土的技術(shù)性和經(jīng)濟性具有重要的意義。但是現(xiàn)有的混凝土技術(shù)大多側(cè)重于膠凝材料和外加劑領(lǐng)域，對骨料的研究成果相對較少。我國現(xiàn)行的《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ55）[1]以砂率來定義粗細骨料的比例關(guān)系，取值時任意性較大。美國混凝土協(xié)會的ACI規(guī)范根據(jù)粗骨料的緊密密度、最大粒徑和細骨料的細度模數(shù)等參數(shù)來確定粗骨料的用量，用重量法或體積法確定細骨料用量。這兩項規(guī)范僅涉及兩種粗細骨料，均屬于半經(jīng)驗化設計模式。
我國建筑工程上使用的碎石，一直采用名義上的連續(xù)粒級[2]，但是實際上往往達不到顆粒級配的技術(shù)要求（筆者稱此類碎石為劣級配碎石）。近年來由于優(yōu)質(zhì)天然骨料的日益匱乏，再生骨料、采石場的尾礦石和尾礦砂、細砂或特細砂等各種骨料也逐步被采用。多元化的骨料品種對混凝土的優(yōu)化配制技術(shù)提出了較高的要求。
由于骨料品質(zhì)的下降，加上骨料級配技術(shù)的缺乏，預拌混凝土生產(chǎn)企業(yè)往往采用提高砂率、提高漿骨比等方法來保證混凝土的和易性，易造成膠凝材料用量偏大，提高了混凝土生產(chǎn)成本，還影響到混凝土的收縮性能和水化熱性能。
本文提出一種混凝土骨料多元級配體系，使混凝土骨料配制技術(shù)科學化、定量化，以期達到提高混凝土的和易性、體積穩(wěn)定性和耐久性，節(jié)約資源、降低生產(chǎn)成本的目的。
1 技術(shù)模型
1.1 技術(shù)目標
在輸入若干種骨料（一般為2~4種）原材料基本性能的前提下，可通過系統(tǒng)運算，定量地輸出混合骨料的最佳合成級配和各種骨料的體積百分比，并提出骨料級配優(yōu)化技術(shù)方案。
1.2 設計思路
建立理想的骨料目標級配模型，通過計算機程序運算，使混合骨料的合成級配最接近目標級配，并適當提高混合骨料的細度模數(shù)，從而減少起填充骨料空隙、包裹骨料表面的作用的膠凝材料用量。
1.3.1 采用DingerFunk方程，建立骨料目標級配模型
不同粒徑的粗細骨料互相摻混，只有一種狀態(tài)是最緊密堆積的。Andreasen提出了一種基于連續(xù)尺寸分布顆粒的堆積理論。滿足該理論的級配曲線接近拋物線，骨料顆粒處于最緊密堆積狀態(tài)，空隙率最小。
20 世紀70 年代，Dinger 和Funk引入最小顆粒粒徑的概念，對Andreasen 方程進行修正，提出了著名的DingerFunk 方程：CPTF/100=(Dn-Dsn) /(DLn-Dsn)。
其中：CPTF——小于粒度D的含量百分率（%），
n——分布模數(shù)，取0.30--0.60，
DL——最大顆粒粒徑，
Ds——最小顆粒粒徑。
本文采用DingerFunk方程，建立基于不同分布模數(shù)的骨料目標級配模型。
1）以碎石、再生骨料和尾礦石等作為粗骨料，以尾礦砂、中砂、細砂和特細砂等作為細骨料。鑒于預拌混凝土公司的生產(chǎn)設備條件，每次取2~4種骨料投入運算。泵送混凝土砂率在35%至45%之間；
2）細骨料中通過0.315mm篩孔的顆粒含量不應小于15％，且不大于30％；通過0.16mm篩孔的顆粒含量不應小于5％。根據(jù)砂率值，可計算出混合骨料中0.3mm篩孔通過率為5.25%~13.5%，0.16mm篩孔通過率大于1.75%。
1.3.3 利用計算機應用程序，獲得最佳合成級配與每種骨料的體積百分比
1）在邊界條件限定范圍內(nèi)，對投入運算的骨料進行體積百分比隨機取值，將混合骨料的合成級配與目標級配進行比對，以偏差系數(shù)K來描述兩者之間的差異。偏差系數(shù)越小，合成級配與目標級配越接近。偏差系數(shù)一般為50-150。
2）以偏差系數(shù)K最小化作為目標，通過計算機程序的重復循環(huán)運算，找出該批投入運算的骨料的最佳合成級配，以匹配眾多基于不同分布模數(shù)的目標級配，并確定每種骨料的體積百分比。
3） 根據(jù)每種骨料的細度模數(shù)和體積百分比，計算出混合骨料的細度模數(shù)M。細度模數(shù)越大，混合骨料總表面積越小，細度模數(shù)一般為5.5-6.1。
4）根據(jù)偏差系數(shù)K和細度模數(shù)M，確定最佳的骨料配比。
2 設計案例
2.1 原材料
現(xiàn)有以下九種骨料[4]，需通過運算，獲得一份最佳的四級配骨料。
表1 各種骨料原材料性能
|
骨料
品種 |
累計篩余，% |
細度模數(shù) |
表觀
密度kg/m3 | |||||||||||
|
31.5
mm |
26.5
mm |
19
mm |
16
mm |
9.5
mm |
4.75
mm |
2.36
mm |
1.18
mm |
0.6
mm |
0.3
mm |
0.15
mm |
0.075
mm | |||
|
劣級配碎石 |
0 |
20 |
50 |
74 |
97 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
8.41 |
2720 |
|
尾礦石 |
0 |
0 |
0 |
0 |
41 |
99.0 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
6.40 |
2750 |
|
尾礦砂 |
0 |
0 |
0 |
| ||||||||||