骨料级配对混凝土性能的影响

目前，颗粒级配优劣的评价理论主要有以下3种。第一种是最大密度理论。最大密度理论认为最优级配应该是孔隙率最小且密度最大的级配。第二种是表面积理论。这种理论认为最优级配应该是使骨料表面积小，用来包裹表面的水泥浆用量少的颗粒级配，而第三种是粒子干涉理论。粒子干涉理论认为如果上一级骨料产生的空隙恰好等于下一级骨料的粒径，那么下一级骨料填充空隙不发生“干涉”的级配就作为最优级配。三种理论都有各自的合理性，但到底哪种级配对于现代混凝土来说是适合的需要进一步研究。三种理论都有各自的合理性，但到底哪种级配对于现代混凝土来说是适合的需要进一步研究。

陈习云在《粗骨料对混凝土性能的影响》一文中指出在实际生产中，可以用两种或三种粗骨料按不同比例进行搭配，这样可以使粗骨料达到最小空隙率。用16～31.5mm单粒级碎石和5～16mm连续粒级碎石进行搭配，当比例为6∶4时，或者用20～40mm的单粒级碎石和10～20mm的单粒级碎石进行搭配，比例为3∶7时，混凝土的和易性和强度都比较好。文中指出16～31.5mm与5～16mm比例为6∶4时，获得最小空隙率，但连续级配范围太大，如果变换16～31.5mm和5～16mm中各粒径的比例那么结果不一定是这样，关于20～40mm单粒级碎石和10～20mm单粒级碎石进行搭配，比例为3∶7时，空隙率可能较低，但表面积相对较大，一般情况不被采用。

郑建东等也指出小骨料(5～20mm)与大骨料(20～40mm)之比,以4：6为优良级配，但本实验研究的是塑性混凝土，研究未针对现代大流态混凝土。

朱浮声等将混凝土粗骨料分档组配，并建立了9个不同组配比例的混凝土细观数值模型，利用有限元分析系统MFPA，模拟了混凝土在单轴受压状态下的破坏过程。结果显示,分档比例不同，会直接影响混凝土的抗压强度。提出当5～20mm和20～40mm比例为4:6时，配制的混凝土性能最优。二者比例最好在3∶7到4.5∶5.5，若超过这个范围则需要进行二次筛分或者作超、逊径调整至接近最优骨料比例。研究指出20mm以下石子不宜超过混凝土骨料的40%，这是因为石子越小，表面积增加,需水量增多，20～40mm石子也不宜超过60%~70%，因为大石子过多，空隙率增大，如果没有小石子去填充，那么需要水泥砂浆去填，这就会影响混凝土各项性能。

该研究得出了两档骨料比例，但两档粒径差距大，对于现代混凝土，所用骨料为5～25mm，得出的骨料比例就不适用了。

谢丽霞等选用3～8mm、8～15mm及15～25mm三种石灰石质碎石按不同比例进行混合，研究了粗骨料级配对普通和高强度等级机制砂混凝土的性能影响。三级配粗骨料制备的C30混凝土（3～8mm：8～15mm：15～25mm=20：40：40）的坍落度最大，其抗离析性能也较好。相比之下，三级配粗骨料制备的C60混凝土坍落度最小，而C60-2混凝土（3～8mm骨料占20%，15～25mm骨料占80%）的坍落度最大，C60混凝土的抗离析性能均好于C30混凝土。结果表明：对于普通强度等级混凝土，三级配粗骨料制备的混凝土强度高，粗骨料比表面积对混凝土性能影响较大；而对于高强度等级混凝土，两级配粗骨料制备的混凝土强度高，粗骨料堆积空隙率对其混凝土性能影响较大。

耿秀春也指出混凝土的抗压强度既决于其水胶比，又取决于其粗骨料的级配。对低强度等级的混凝土而言，应采用较大粒径的粗骨料，以减小其总表面积，而对高强度等级的混凝土而言，应采用较小粒径的粗骨料，以减小粗骨料周围的泌水趋势，从而提高界面过渡区的品质，提高混凝土的强度。

刘家辉指出CEMEX公司首先对骨料进行分类，重新搭配组成新的骨料，反复进行试验，然后根据理想级配曲线，设计相应的骨料级配，在此基础上进行正交试验，确定最后的配合比。

芮捷等针对机制砂通常较粗，级配超出Ⅱ区上限的情况，将机制砂筛分后由细到粗组合了7种级配，研究机制砂级配对高强度等级混凝土性能的影响。试验结果表明：机制砂级配曲线界于Ⅱ区中值和下限（粗）之间，0.3mm筛孔通过率为20％时，混凝土工作性能最佳；级配曲线界于Ⅱ区中值和上限（细）之间，细度模数为3.0左右时，混凝土的抗压强度最高。相同细度模数级配不一定相同，中间小两头大，细度模数也有可能是3.0，所以除了细度模数，还需指出机制砂的级配范围。

岳海军通过配制不同强度等级混凝土拌和物工作性试验，确定了一个机制砂全级配标准，该全级配从满足混凝土工作性能角度出发，将Ⅰ、Ⅱ区混合。机制砂级配显著影响混凝土的工作性能，0.3mm以下颗粒对混凝土的工作性、抹面和泌水很重要，因此，需要保证一定量的0.3mm以下颗粒。文中提出对于传统混凝土，0.3mm以下颗粒含量至少应达到15％；对于高性能混凝土，由于胶凝材料用量变大，混凝土中矿物掺合料能保证其粘度，所以最好的砂要求0.6mm筛的累计筛余大于70％，0.3mm筛的累计筛余为85％～95％。该研究主要研究了细颗粒累计筛余范围，但大于0.6mm的颗粒筛余未给出。

艾长发等为了揭示机制砂级配对混凝土性能的影响以及作用机理，以1.18mm作为分界点，将机制砂分成Ⅰ（粒径≥1.18mm的颗粒）、Ⅱ（粒径<1.18mm的颗粒）组分，用6种不同级配的机制砂配制了C50混凝土，并对其进行了性能试验。试验结果表明：细度模数仅仅是表征机制砂的粗细程度的宏观指标，无法真实反映颗粒级配，而决定机制砂品质好坏的决定因素是颗粒级配，研究发现机制砂Ⅰ组分主要影响混凝土的泌水性，Ⅱ组分主要影响混凝土的保水性和黏聚性，为保证混凝土良好的工作性能，建议Ⅰ、Ⅱ组分的含量比例保持在1:2左右，并有效控制Ⅰ组分颗粒组成比例；为充分发挥机制砂填充密实与次骨架结构作用，建议将1.18mm筛档累计筛余百分率控制在级配中值附近，并且4.75、2.36、1.18mm三筛档分计筛余百分率按2:3:1进行控制，研究成果为机制砂颗粒级配的控制及混凝土性能的优化提供了有力支撑，但只是对于C50混凝土，如果对于其他强度等级的混凝土是否有不同的结果需要进一步。

李北星等指出实际生产的机制砂石粉含量一般较高（约为10%～20%），0.075mm筛余部分也较多，我国规范对0.15mm筛孔以下部分的要求是10%以内，他提出要适当放宽0.15mm筛孔以下颗粒范围，既符合机制砂的实际生产，也降低了机制砂的生产成本，同时减少了污染。但是如果石粉的亚甲蓝值高，会影响混凝土的各项性能，因此如果要放宽0.15mm以下范围，必须控制亚甲蓝值。如果将石粉作为矿物掺合料进行掺加，用相关的标准进行检测，这样既能保证机制砂的质量，又能充分的利用石粉。

杨文烈等指出中粗状态的机制砂更易配制出性能优异的混凝土。在保证混凝土中骨料级配良好的情况下，一般低强度等级混凝土需要采用较高的砂率，细度模数小的机制砂；高强度等级混凝土需要采用较低砂率，细度模数大的机制砂；机制砂中当石粉的亚甲蓝值高时，会对外加剂含量、混凝土强度及和易性产生较大影响。

王稷良等在研究机制砂对高强混凝土体积稳定性的影响指出机制砂中适量(7%-10.5%)的石粉并不会劣化混凝土的工作性能，反而可以改善混凝土的工作性能，且随着石粉质量分数的提高，混凝土的抗压强度逐渐增大；当石粉质量分数小于7％时，机制砂配制的混凝土弹性模量接近于天然砂配制的混凝土弹性模量，但当石粉质量分数高于10%时，机制砂配制的混凝土弹性模量降低；石粉含量对机制砂配制的高强混凝土早期干缩值影响较大，而对后龄期干缩值影响不大，同时，掺入粉煤灰可以使机制砂配制的混凝土各龄期的干缩值减小；石粉质量分数为7％的机制砂配制的混凝土徐变度、徐变系数与天然砂配制的混凝土较为接近。

王雨利等指出当河砂中加入石粉后，可以提高混凝土的抗冻性；当石粉含量介于5%~10%时，混凝土的抗冻性能最好；当石粉含量超过15%时，混凝土的抗冻性下降。这可能是由于适量的石粉产生的微集料效应可以提高了混凝土密实度，降低混凝土孔隙率，从而提高混凝土的抗冻性。

编辑：小薇