不同顆粒級配組成對粗骨料空隙率的影響

郭宏GUO Hong

（山西鏵興工程檢測有限公司，太原 030012）

0 引言

高性能混凝土自京津城際建設以來，已在鐵路建設中得到普及應用，組成混凝土的各種材料性能的變化都會對混凝土的性能產生不同的影響，作為混凝土中主要成分的粗骨料體積約占1/2~2/3，起到骨架、填充和抑制收縮作用[1]，其物理和化學性能都會對混凝土拌合物的工作性能產生不同影響，同時也會影響混凝土的其他性能，如耐久、力學性能等[2-4]。粗骨料空隙率的大小不僅反映骨料各個級配的組成情況[5]，而且空隙率越大，混凝土的漿體比越高，收縮也越大，對混凝土的力學抗壓及抗滲性能造成不利影響[6]。相關規范《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》（TB10424-2018）及《建設用卵石、碎石》（GB/T14685-2011）對不同公稱粒級的顆粒級配即每一方孔篩的累計篩余上、下限范圍進行規定[7-8]，理論上，某一公稱粒級的篩分試驗值滿足規定連續粒級要求，空隙率即可符合規范要求，但在實際應用過程中，即使顆粒級配在規定范圍內，也存在空隙率偏大的現象。因此，本文針對連續粒級5~25mm、5~31.5mm 碎石顆粒級配的不同組成進行具體研究，通過數據分析，確定趨于最小空隙率的級配組成比例。

1 原材料性能及試驗方案

1.1 原材料性能

選擇山西某公司生產的石灰巖碎石進行試驗，碎石具體性能指標見表1。

表1 碎石性能指標

1.2 試驗方案

①將備好的足量的已烘干碎石，分別通過孔徑為37.5mm、31.5mm、26.5mm、19.0mm、16.0mm、9.50mm、4.75mm、2.36mm 的方孔篩進行篩選。

②按照表2 規定的每一篩孔尺寸的上、下限范圍設計不同比例組成，精確稱量配制。

表2 顆粒級配

③將按比例配制的碎石試樣進行顆粒級配[8、表觀密度[8]、緊密堆積密度試驗[8]。

④按式（1）計算空隙率。

式中：

V0—空隙率，%；

ρ1—緊密堆積密度，kg/m3；

ρ2—表觀密度，kg/m3。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗一

按表2 中5~25mm 連續級配各篩要求上限、下限以及通過內插計算的中值、1/4 值、3/4 值，建立理想模型，分別進行稱量配制，然后進行顆粒級配試驗，篩分曲線見圖1。

圖1 篩分復合曲線

由圖1 可知，1/4 值篩分曲線為各篩孔規定下限與規定中值之間區域的中值，3/4 值曲線為各篩孔規定上限與規定中值之間區域的中值。

然后按GB/T14685-2011 規定方法對5 組試樣進行表觀密度、緊密堆積密度進行檢測，結果見圖2。

圖2 密度及空隙率對比圖

圖2 顯示，5 組試樣的表觀密度相差較小，極差為10kg/m3，均值為2715kg/m3，而緊密堆積密度極差為80kg/m3，相對于表觀密度，緊密堆積密度相差較大。說明由同一巖性巖石加工的碎石，其顆粒級配組成對表觀密度影響較小，對緊密堆積密度影響較大。

試驗結果表明試驗一的5 組試樣的空隙率最小值為1/4 值曲線級配，最大值為上限曲線級配，其大小順序為試樣1-1＞試樣1-3≈試樣1-2＞試樣1-4＞試樣1-5。說明趨于規定下限與規定中值區域的中值的顆粒級配組成良好，下一級粒徑的碎石顆粒較好的填充了上一級粒徑顆粒留下的空隙。

2.2 試驗二

按表2 中5~25mm 各篩要求，以16mm、9.5mm 為分界線，分別取上限、下限以及通過內插計算的1/4 值、3/4 值，建立理想模型，分別進行稱量配制，然后進行顆粒級配試驗，篩分曲線見圖3。

由圖3 可知，各理想模型試樣篩分曲線整體呈“S”型，以16.5mm、9.5mm 篩孔虛擬中間值為界線，試樣2-1 與2-4 篩分曲線趨于上、下限，試樣2-2 與2-3 曲線趨于1/4、3/4 值。

圖3 篩分復合曲線

按規范要求方法，對4 組試樣進行表觀密度、緊密堆積密度及空隙率進行試驗，結果見圖4。

圖4 密度及空隙率對比圖

圖4 顯示在表觀密度基本相同的情況下，各試樣的緊密堆積密度從小到大為2-1＜2-2＜2-3≈2-4，空隙率則反之2-1＞2-2＞2-4≈2-3。說明，5~25mm 連續級配碎石的顆粒級配組成，16.0mm 孔徑以上碎石顆粒篩分累計篩余趨于上限值，9.5mm 孔徑以下碎石顆粒篩分累計篩余趨于下限值時，空隙率趨于變小，位于2-3、2-4 兩者篩分曲線區域內的任一連續顆粒級配組成的試樣，空隙率大小趨于一致。

2.3 試驗三

通過試驗一與試驗二試驗結果分析，顆粒級配位于2-3 與2-4 兩者篩分曲線組成的區域，空隙率較小，為進一步確定趨于最小空隙率，設計試驗三方案。

試驗三試樣分別由試樣1-5、2-3 及1/4、3/4 值與中值不同交匯點形成的“S”型理想模型曲線組成，顆粒級配篩分曲線見圖5。

由圖5 可以看出，試樣3-1、3-2 篩分曲線是在試樣2-3 的基礎上建立的，區別主要體現在曲線與中值的交匯點，整體趨勢相同。

圖5 篩分復合曲線

根據顆粒級配篩分試驗，對試驗三4 組試驗樣品進行表觀密度、緊密堆積密度及空隙率試驗，結果見圖6。

圖6 顯示，試驗三試樣空隙率試驗結果的大小為1-5＞3-1＞3-2＞2-3，在“S”型篩分曲線組成中，1/4、3/4 值與中值交匯漸變值域對應的篩孔尺寸為16mm、9.5mm，此時組成的顆粒級配空隙率趨于最小。

圖6 密度及空隙率對比圖

2.4 試驗四

為驗證試驗三結果的普遍性，設計第四組試驗，該組試驗樣品按照表2 中5~31.5mm 碎石顆粒級配要求，在限制區域內分別配制不同級配組成的樣品，經篩分試驗后，再進行表觀密度、緊密堆積密度及空隙率試驗，結果如圖7、圖8 所示。

圖7 篩分復合曲線

圖8 顯示，試驗四5~31.5mm 顆粒級配的各試樣，其表觀密度值基本一致，但緊密堆積密度極差為180kg/m3，試樣的空隙率大小順序為上限＞下限＞中值＞4-1≈4-2＞4-3≈4-4＞4-5，但試樣4-1~4-5 空隙率值相差較小。從對應的圖7 可知，5~31.5mm 連續級配的篩分曲線，大粒徑碎石篩分累計篩余趨于3/4 值與上限之間，小粒徑碎石篩分累計篩余趨于下限與1/4 值之間時，空隙率趨于較小。

圖8 密度及空隙率對比圖

3 結論

本文研究了5~25mm、5~31.5mm 兩種連續級配碎石不同顆粒級配組成對空隙率的影響，通過建立理想模型，對配制的不同顆粒級配組成的試樣進行篩分、表觀密度、緊密堆積密度試驗，分析空隙率的大小和變化趨勢，得出結論如下：①由相同巖性加工的粗骨料，不同顆粒級配比例組成同一連續級配，其表觀密度試驗相對相差值較小，緊密堆積密度相對相差值較大。②篩分曲線趨于規定中值時，空隙率值并不是趨于最小，其試驗結果值大于1/4 值曲線，即累計篩余規定下限與規定中值之間的中值線。③篩分曲線趨于呈“S”型時，空隙率值趨于變小，其曲線形成趨勢是大粒徑骨料的篩分累計篩余位于規定上限與中值之間，小粒徑骨料的篩分累計篩余位于規定下限與中值之間。④空隙率值趨于最小時，其理想模型曲線為大粒徑骨料的篩分累計篩余位于規定上限與3/4 值之間，小粒徑骨料篩分累計篩余位于規定下限與1/4 值之間。