不同顆粒級(jí)配組成對(duì)粗骨料空隙率的影響

郭宏GUO Hong

（山西鏵興工程檢測(cè)有限公司，太原 030012）

0 引言

高性能混凝土自京津城際建設(shè)以來(lái)，已在鐵路建設(shè)中得到普及應(yīng)用，組成混凝土的各種材料性能的變化都會(huì)對(duì)混凝土的性能產(chǎn)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(xué)性能都會(huì)對(duì)混凝土拌合物的工作性能產(chǎn)生不同影響，同時(shí)也會(huì)影響混凝土的其他性能，如耐久、力學(xué)性能等[2-4]。粗骨料空隙率的大小不僅反映骨料各個(gè)級(jí)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(duì)混凝土的力學(xué)抗壓及抗?jié)B性能造成不利影響[6]。相關(guān)規(guī)范《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB10424-2018）及《建設(shè)用卵石、碎石》（GB/T14685-2011）對(duì)不同公稱粒級(jí)的顆粒級(jí)配即每一方孔篩的累計(jì)篩余上、下限范圍進(jìn)行規(guī)定[7-8]，理論上，某一公稱粒級(jí)的篩分試驗(yàn)值滿足規(guī)定連續(xù)粒級(jí)要求，空隙率即可符合規(guī)范要求，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，即使顆粒級(jí)配在規(guī)定范圍內(nèi)，也存在空隙率偏大的現(xiàn)象。因此，本文針對(duì)連續(xù)粒級(jí)5~25mm、5~31.5mm 碎石顆粒級(jí)配的不同組成進(jìn)行具體研究，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，確定趨于最小空隙率的級(jí)配組成比例。

1 原材料性能及試驗(yàn)方案

1.1 原材料性能

選擇山西某公司生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石進(jìn)行試驗(yàn)，碎石具體性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 碎石性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

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

②按照表2 規(guī)定的每一篩孔尺寸的上、下限范圍設(shè)計(jì)不同比例組成，精確稱量配制。

表2 顆粒級(jí)配

③將按比例配制的碎石試樣進(jìn)行顆粒級(jí)配[8、表觀密度[8]、緊密堆積密度試驗(yàn)[8]。

④按式（1）計(jì)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(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)一

按表2 中5~25mm 連續(xù)級(jí)配各篩要求上限、下限以及通過(guò)內(nèi)插計(jì)算的中值、1/4 值、3/4 值，建立理想模型，分別進(jìn)行稱量配制，然后進(jìn)行顆粒級(jí)配試驗(yàn)，篩分曲線見(jiàn)圖1。

圖1 篩分復(fù)合曲線

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

然后按GB/T14685-2011 規(guī)定方法對(duì)5 組試樣進(jìn)行表觀密度、緊密堆積密度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 密度及空隙率對(duì)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(duì)于表觀密度，緊密堆積密度相差較大。說(shuō)明由同一巖性巖石加工的碎石，其顆粒級(jí)配組成對(duì)表觀密度影響較小，對(duì)緊密堆積密度影響較大。

試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)一的5 組試樣的空隙率最小值為1/4 值曲線級(jí)配，最大值為上限曲線級(jí)配，其大小順序?yàn)樵嚇?-1＞試樣1-3≈試樣1-2＞試樣1-4＞試樣1-5。說(shuō)明趨于規(guī)定下限與規(guī)定中值區(qū)域的中值的顆粒級(jí)配組成良好，下一級(jí)粒徑的碎石顆粒較好的填充了上一級(jí)粒徑顆粒留下的空隙。

2.2 試驗(yàn)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(guò)內(nèi)插計(jì)算的1/4 值、3/4 值，建立理想模型，分別進(jìn)行稱量配制，然后進(jìn)行顆粒級(jí)配試驗(yàn)，篩分曲線見(jiàn)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(fù)合曲線

按規(guī)范要求方法，對(duì)4 組試樣進(jìn)行表觀密度、緊密堆積密度及空隙率進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 密度及空隙率對(duì)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(shuō)明，5~25mm 連續(xù)級(jí)配碎石的顆粒級(jí)配組成，16.0mm 孔徑以上碎石顆粒篩分累計(jì)篩余趨于上限值，9.5mm 孔徑以下碎石顆粒篩分累計(jì)篩余趨于下限值時(shí)，空隙率趨于變小，位于2-3、2-4 兩者篩分曲線區(qū)域內(nèi)的任一連續(xù)顆粒級(jí)配組成的試樣，空隙率大小趨于一致。

2.3 試驗(yàn)三

通過(guò)試驗(yàn)一與試驗(yàn)二試驗(yàn)結(jié)果分析，顆粒級(jí)配位于2-3 與2-4 兩者篩分曲線組成的區(qū)域，空隙率較小，為進(jìn)一步確定趨于最小空隙率，設(shè)計(jì)試驗(yàn)三方案。

試驗(yàn)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(diǎn)形成的“S”型理想模型曲線組成，顆粒級(jí)配篩分曲線見(jiàn)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(chǔ)上建立的，區(qū)別主要體現(xiàn)在曲線與中值的交匯點(diǎn)，整體趨勢(shì)相同。

圖5 篩分復(fù)合曲線

根據(jù)顆粒級(jí)配篩分試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)三4 組試驗(yàn)樣品進(jìn)行表觀密度、緊密堆積密度及空隙率試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 顯示，試驗(yàn)三試樣空隙率試驗(yàn)結(jié)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?qū)?yīng)的篩孔尺寸為16mm、9.5mm，此時(shí)組成的顆粒級(jí)配空隙率趨于最小。

圖6 密度及空隙率對(duì)比圖

2.4 試驗(yàn)四

為驗(yàn)證試驗(yàn)三結(jié)果的普遍性，設(shè)計(jì)第四組試驗(yàn)，該組試驗(yàn)樣品按照表2 中5~31.5mm 碎石顆粒級(jí)配要求，在限制區(qū)域內(nèi)分別配制不同級(jí)配組成的樣品，經(jīng)篩分試驗(yàn)后，再進(jìn)行表觀密度、緊密堆積密度及空隙率試驗(yàn)，結(jié)果如圖7、圖8 所示。

圖7 篩分復(fù)合曲線

圖8 顯示，試驗(yàn)四5~31.5mm 顆粒級(jí)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?yàn)樯舷蓿鞠孪蓿局兄担?-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(duì)應(yīng)的圖7 可知，5~31.5mm 連續(xù)級(jí)配的篩分曲線，大粒徑碎石篩分累計(jì)篩余趨于3/4 值與上限之間，小粒徑碎石篩分累計(jì)篩余趨于下限與1/4 值之間時(shí)，空隙率趨于較小。

圖8 密度及空隙率對(duì)比圖

3 結(jié)論

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