连续级配混凝土研究论文

技术总顾问：赖瑞星  著

国家混凝土机械工程技术研究中心西南基地

中联重科混凝土机械国际管理公司贵阳生产基地

贵州中鼎环保科技有限公司

　　摘要：

　　
　　1.何谓连续级配混凝土。
　　2.混凝土骨材的理想级配。
　　3.如何制作及分析混凝土配比中骨材的总级配曲线。
　　4.不同尺寸骨材的填充量化方法与效果分析。
　　5.连续级配的实例验证。
　　
　　一、何谓混凝土骨材的「连续级配」
　　
　　混凝土所使用的粗、细骨材，系用天然的优良砂石(不得有风化岩、叶岩、碱骨材等)，经破碎、清洗、筛分而成。混凝土产制厂购入时作比重、吸水率、磨损率、健性等材质方面的试验，只要材料的来源没有变化，则这些试验可以较低的的频率为之；但是因为砂、石生产场别之间有很不同的加工方式，产品会有很大的质量差别，再加上碎制砂、石的加工机具很容易产生磨耗，故粗、细成品粒材的级配(粒度)变动是很寻常的；而粗、细骨材占混凝土组成的80%左右，骨材粒度的变动当然是混凝土质量变动的重要因素，管制好骨材级配的变动就成了混凝土生产业者最重要的管制项目，所以混凝土产制厂必须以足够的频率作粒料筛分析的检验，取得生产调整的资料。
　　
　　「骨材的级配」为不同尺寸颗粒排列组合的一种物理量，当大尺寸骨材间之空隙被较小尺寸骨材填塞后，大小颗粒组成一个密实的「网络」结构，非但外力可藉由大大小小的颗粒均匀负载之，整体骨材内之空隙率也会降低。当不同尺寸之骨材相互填塞至最佳状况时，其单位容积将增加，此颗粒大小尺寸之排列组合即为「级配」。
　　
　　在如何掌控粒料级配前，让我们先了解什么是优良的混凝土骨材级配。是否为良好的骨材级配，端视于该级配的用途为何，针对水泥混凝土的用途须要让其组成为最致密(具有最小的空隙率)的连续级配；在各种骨材于特定的比率之下，使得骨材占最大体积比，非但可藉其有效的大小填充的网络结构，发挥粒料既有的强度功能，且可因大小颗粒间的滚动，达成混凝土所须的工作度，因为骨材占最大体积比且为致密状态，故也可使用较少量的胶结材料，达到经济的目的，这种连续级配的骨材颗粒的分布类似「富勒曲线FLC」。
　　
　　二、混凝土骨材的的理想级配
　　
　　早在1907年「富勒氏及汤姆森」(Fuller and Thomson)提出，固体粒料粒径分布定义的理论方程式及其分布曲线。其方程式为：
　　
　　
　　P：某粒径颗粒的过筛百分比  d：某颗粒的粒径(mm)  D：该级配组的最大颗粒的粒径(mm)
　　
　　其中h值愈小表示级配中的细粒料愈多，水泥混凝土的骨材级配h值为0.5，今以5~25mm集料规范的粗骨材与细骨材之粒径，以「富勒氏及汤姆森」方程式所算出的数值如下表1，由相关数据绘成图形如下【图一】及【图二】。
　　
　　由表1的数据以富勒计算值为应变量，骨材粒径为自变数作成下图：
　　

　　横作标改以「对数刻度」表示，则图形变为：
　　

【图二】5~25mm骨材、细骨材规范及FLC(对数粒径)

　　
　　如【图一】及【图二】所示，粗、细骨材筛分析规范的目的，为使混凝土的骨材粒度的分布能够尽量合乎「富勒曲线FLC」所示的大小颗粒呈连续状态的分布，使整个骨材集料中大颗粒间空隙有次大颗粒填充之，如此大、小颗粒相户填充的循环，使整体成为紧密之结构。
　　
　　关于富勒曲线(FLC)有以下各种特性：
　　
　　· 与纵坐标(过筛百分比)相交于7%～8%间，表示粒径0.15mm以下的「填充用」粉细材料至少须占有7%～8%的重量比。
　　
　　· 因横坐标资料跨距过大(从0.075mm到37.5mm)，故以对数坐标表表示，则图形能更清楚骨材颗粒的级配详情(尤其在细粒料部份)。
　　
　　· 由【图一】中可知，粒径1.18mm以下过筛率急遽缩小(细粒料少)，故此理论级配的组构偏重于检讨粗粒料级配的组合方式。
　　 
　　· 富勒曲线(FLC)系由富勒公式所导出理论级配图，其颗粒皆为理想的圆形颗粒；实际上混凝土的骨材绝大部份系由不规则颗粒所组成，但级配的架构走势，仍须参照富勒曲线的趋势组合级配，所以，混凝土粒料的组合只要类似富勒曲线(FLC)即可。
　　
　　· 富勒曲线只是混凝土骨材须要连续级配的理想依据，但是，单位体积内的混凝土骨材若完全依富勒曲线组合构成，但因实际粒料并非圆颗粒，颗粒间须有更多的填充，混凝土会因过少的细粒料而造成工作性的不良。
　　
　　· 实际骨材粒料的FLC与理想FLC的比较，可判别混凝土料性的粗细性。
　　
　　三、配比骨材的实际级配与理想级配
　　
　　富勒曲线(FLC)既然为混合骨材粒度分布的数理依据，在混凝土配比设计时，就要以富勒曲线(FLC)作为一设计的重要参考依据；如何在满足混凝土配比设计的其它条件之下，又可使混凝土的骨材级配可满足富勒曲线(FLC)的要求，为混凝土配比设计者重要的课题。
　　
　　这些有关富勒曲线(FLC)作业包括：(1)粗、细骨材的筛分析试验。(2)理想富勒曲线(FLC)的建立。(3)骨材实际富勒曲线(FLC)的建立。(4)骨材总级配是否呈“连续”状态的判定。(5)总级配异常的修正。
　　
　　今以实际粗、细骨材的粒度加以说明：
　　
　　1. 细骨材筛分析及其级配规范
　　

表2  细骨材筛分析表

　　
　　以表2筛析结果及细骨材级配规范作出下图：
　　

【图三】细骨材筛析图

　　
　　两种细骨材(粗、细砂)经由筛分析图(【图三】)中的规范上、下限曲线与实际混合后细骨材的级配曲线作比较，可借着两种细骨材的混合比率调整实际级配曲线，找出最接近规范限之内的级配曲线。
　　
　　2.粗骨材筛分析及其级配规范
　　

表3  粗骨材筛分析表

　　
　　以表3筛析结果及粗骨材级配规范作出下图：
　　

【图四】5~25mm集料骨材筛析图

【图五】5~19mm集料骨材筛析图

　　
　　3.配比骨材实际级配与理想FLC级配
　　
　　依上述粗骨材级配(大/小石50%时，此时粗骨材级配合乎5~25mm集料规范)与细骨材级配合成的总级配，可作成下图：
　　

【图六】混凝土骨材实际与理想级配图(大小石50%/50%)

　　
　　【图六】系利用50%的9.5~25mm集料及50%的5~19mm集料所合成的骨材总级配分析图，由图中可知配比FLC的图形与理想FLC相近，且整条曲线呈“连续”状态；假设配比设计时，若不使用5~19mm集料(配比全部使用9.5~25mm集料，此时粗骨材级配并不合乎任何集料规范)，则其总级配分析图会成为下图︰
　　

【图七】混凝土骨材实际与理想级配图(大小石100%/0%)

　　
　　【图七】系利用100%的9.5~25mm集料所形成的骨材总级配分析图，由图中可知在粗骨材级配中的12.5mm及9.5mm两粒径的过筛率不够，造成整个级配曲线在该处成为「不连续」的分布；有此不良级配的出现，须经由调整集料的使用比率，或改用他种集料(如上例中加入5~16mm集料)，再透过上述之计算技术以修正之。
　　
　　再假设配比设计时，若不使用9.5~25mm集料(配比全部使用5~19mm集料，此时粗骨材级配合乎5~19mm集料规范)，则其总级配分析图如下︰
　　

【图八】混凝土骨材实际与理想级配图(大小石0%/100%)

　　
　　【图八】系利用0%的9.5~25mm集料及100%的5~19mm集料所合成的骨材总级配分析图，由图中可知配比FLC的图形与理想FLC相近，且整条曲线仍呈“连续”状态。
　　
　　4.结论︰
　　
　　· 利用粗、细骨材粒度筛分析结果透过计算，可判别骨材级配是否呈连续状态。
　　
　　· 合乎级配规范的粗、细骨材所组成的配比，其总级配「较有可能」呈连续状态。反之，其总级配「较不可能」呈连续状态。
　　
　　· 透过不同骨材集料的组合，可让混凝土在粗、细度或骨材最大粒径的选择有更宽广的弹性选择。
　　
　　· 透过连续级配的分析，可作为产制骨材集料的选择及配比的调整，使混凝土更多样化。
　　
　　四、骨材连续级配对材料间「填充」的影响
　　
　　混凝土中材料之间的充填关系有三种：(1)第一种填充：以水为填充材，胶结材为基材，胶结材颗粒间隙以水充填形成「水泥浆」组合体，定量表示的物理量为：「水胶比」。(2)第二种填充：以水泥浆为填充材，细骨材为基材，细骨材颗粒间隙以水泥浆充填形成「砂浆」组合体。(3)第三种填充：以砂浆为填充材，粗骨材为基材，粗骨材颗粒间隙以砂浆充填形成「混凝土」组合体。水在混凝土中的功能为：①让胶结材发生化学反应。②填充粒料间的空隙。③提供颗粒间的润滑作用。故水在第一种填充中一定是过填充状态，受限于被设计混凝土的水胶比，配比设计须服膺此种填充；混凝土的抗压强度与水胶比呈反比，混凝土要求的强度愈高则需要愈多的胶结材，从低到高强度的混凝土，第二种填充是从填充不足到过填充都会发生，这种填充的调整，配比设计者须应用卜作岚材料(矿粉或粉煤灰)用量的增减及化学掺剂的添加，尽量让使低强度到高强度的总胶结量「填充集中化」；第三种填充是混凝土中最大颗粒间的填充，也是三种填充中最重要的填充，传统认知中，皆以先观察细骨材F.M.值的大小，再以隐敝属性「砂石比S/A」的经验值决定粗、细骨材的用量比率，这样以经验决定S/A值，就无法精确的掌握第三种填充的情形，这种填充并无任何限制，是影响混凝土工作性最重要的因素；填充不足，组织结构不良，非但无法由适当的粒料来递送外力，也会造成「骚料」影响工作性；太过的填充非但稠性过大，需增加用水量调整工作性，因而升高水胶比增加成本，也增加了混凝土的体积变化率，降低混凝土的耐久性；如何让此填充不发生填充不足又不会有过度的填充，这是配比设计的重要技术。
　　
　　惟有藉助大小颗粒间的组构，不只可降低单位体积内的空隙率，更因大颗粒由次颗粒的包围，整体形成一高效率的网络结构，要形成这种网络结构，连续级配的骨材为必要条件；外力输入时由此大小颗粒组成的“骨干”共同承受传递，由更多粒料分散外力的应力集中，大大提升整体混凝土对外力的抵抗；在实质面即为：粗骨材的空隙由细骨材予填充，细骨材的空隙由粉胶结材填充，粉胶结材的空隙由液态材来填充。
　　
　　混凝土的有80%以上由粗、细骨材所组成，这些粗、细骨材粒料要有好的相互填充效果，其大小尺寸的分布就必须接近「富勒曲线」，在这种连续级配分布之下，大小颗粒才会有好的填充效果，这种材料间混合后对各粒径『质』的要求，是填充的最基本要求。至于材料间的填充，则是材料间混合后对各粒径『量』的要求。级配的要求随着材料颗粒粒径的增加而增加，填充的要求则不论材料颗粒粒径的大小都须被关注的问题。
　　

　　混凝土骨材间的填充是决定混凝土性能(工作性及强度)的主因，而骨材的级配如何影响填充效果，就是须透过「骨材空隙率试验」来探讨。

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编辑：金哲