前言

良好的骨料级配，不仅能有效提高新拌混凝土的和易性与力学性能，而且可以有效改善硬化混凝土的徐变和收缩性能，提高其耐久性[1]。此外，好的集料级配颗粒间空隙少，总表面积小，可在较少用水量的条件下制备出密实性好的混凝土[2]。相关研究表明：增大粗粒骨料比例，混凝土强度就会降低；减少细骨料含量，混凝土强度则会提高[3]。骨料级配可以分为连续级配与间断级配，当粗石子占石子总量70%时，堆积密度可以达到最大，混凝土强度也可以达到最大；当骨料颗粒级配不好时，混凝土中含有较多的砂浆，会降低混凝土内部的均匀性，混凝土整体的强度变异性较大，还会增加混凝土分层离析现象，从而降低混凝土整体强度[4][5]。长期以来，人们对混凝土的研究主要集中在矿物掺和料、外加剂及水泥水化上，对粗骨料的研究不够深入。富勒提出骨料的最大堆积密度曲线，即对各级配筛提出一定要求。法国瓦莱特（R.Vallite）的实验研究表明：采用连续级配时，第一粒级（单粒级）孔隙率为45%，在适当的比例下加入连续第二粒级（双粒级），则孔隙率为40%，依次为35%、32%、31%、30%等；如采用间断级配，令两级之间的粒径比为8:1，第一孔隙率为45%，配入第二级时孔隙率为25%，依次为11%、6%、3%，采用2～3级间断级配，就可以达到最优的多级连续级配的孔隙率，而且最大一级粒级用量远大于连续级配[6]，国标和行业标准都对混凝土连续级配各粒级用量作了相关规定。本文对连续级配粗骨料中级配缺失对混凝土力学性能的影响作了系列的试验研究，为优化粗骨料级配提供一定的参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：选用广西台泥P·O 42.5水泥，其性能指标见表1。

（2）粉煤灰：选用深圳妈湾电厂Ⅱ级粉煤灰，其性能指标见表2。

（3）矿渣粉：选用河北唐山盾石S95级矿渣粉，其性能指标见表3。

（4）外加剂：选用中铁安徽四威RAWY101聚羧酸系外加剂，pH值5.6，含固量11.4%，减水率25.8%；氯离子含量0.04%。

（5）细骨料：东莞中砂，细度模数2 . 5，表观密度2600kg/m3，堆积密度1500kg/m3，紧密密度1650kg/m3，含泥量1.2%，泥块含量0.5%。

（6）粗骨料：选用惠州博罗金业5mm～25mm碎石进行筛分和重配。

1.2 试验方法

碎石配制以Nijboer提出的骨料最佳级配模型为基础，按式（1）进行配置。

另据相关研究[7]，对于混凝土而言，良好的颗粒级配应在最大密度级配曲线±7%的范围内（如图1所示）。超出此范围的级配组合将导致混凝土流动性变差，且会加大减水剂用量。

根据最佳级配曲线配制粗骨料基准连续级配G1，在G1基础上，相应缺失级配减去一半的骨料按各级配比例分配到其他各级配，配制出G2缺失一半4.75～9.0范围的碎石、G3缺失一半9.0～16 .0范围的碎石、G 4缺失一半 16.0～19.5范围的碎石、G5缺失一半19.5～26.5范围的碎石，具体各类型粗骨料的分计筛余及孔隙率见表4和表5。

本研究以常用系列混凝土C30、C35、C40、C45、C50、C55为基准，分别用G1、G2、G3、G4、G5碎石进行试配实验，检测级配缺失对混凝土力学性能的影响，各强度等级基准配合比见表6。

骨料级配缺失试验配合比与基准配合比一致。每个配合比成型100mm×100mm×100mm三联试模，并进行三次试拌试验，试块成型拆模后编号进行标养至相应龄期后进行强度检测，取其平均值进行试验分析。混凝土试块强度试验参照《混凝土强度检测评定标准》（GB/T 50107-2010）进行检测。

2 试验结果分析

不同强度等级及不同骨料级配缺失下试拌制得的混凝土，其和易性与强度检测结果见表7。

2.1 和易性

由表7可以看出，在粗骨料不同级配缺失条件下拌制的混凝土，其和易性有所差异，具体影响主要体现为：针对C30、C35、C40三种强度等级而言的混凝土，不同级配缺失条件下拌制的混凝土与基准连续级配条件下拌制的混凝土相比，其坍落度与扩展度都略有降低，原因可能是C30、C35、C40混凝土的浆体总量较少，而骨料级配的缺失产生后，骨料的总比表面积增加，混凝土体系的流变性能由过剩浆体层厚度控制[8]，若体系中浆体体积较少，骨料表面的浆体厚度较小，骨料之间的相互摩擦力会随着比表面积的增大而导致屈服应力增加；C45强度等级的混凝土，不同级配缺失条件下拌制的混凝土，其和易性较基准连续级配条件下拌制的混凝土，其坍落度变化不大，扩展度有一定程度增加；而C50、C55强度等级的混凝土情况相似，除了G5实验组外，其他不同级配缺失条件下拌制的混凝土，其坍落度及扩展度均略高于基准连续级配条件下拌制的混凝土，主要原因可能是C45、C50、C55强度等级混凝土水胶比较小，浆体数量和粘度都比较大，能提供足够的过剩浆体层厚度，骨料级配缺失导致比表面积增加的影响降低，而骨料的孔隙率降低，填充空隙的浆体数量减少，对混凝土流动性影响更显著。

2.2 抗压强度

由表7可知，不同级配缺失对同一强度等级混凝土的影响程度不同。骨料级配缺失对不同强度等级混凝土的影响如图2所示。

由图2可以明显看出，粗骨料不同级配缺失对同一强度等级混凝土的力学性能存在不同的影响，既有提升强度的一面，也有降低强度的一面。其影响程度参考公司历年实验数据对比分析，C30、C35、C40、C45、C50、C55的基准连续级配标准差见表8。

级配缺失对同一强度等级混凝土力学性能的影响具体表现为以下几方面：对C30、C35两种强度等级的混凝土而言，随着缺失级配粗骨料粒径的增大，其抗压强度表现为先降低再增高，缺失G5级配能大幅提高C30强度；C40强度的混凝土随着缺失级配粗骨料粒径的增大，其抗压强度呈递减趋势；C45强度的混凝土基准连续级配的抗压强度均略高于级配缺失条件下拌制的混凝土强度；C50及C55强度等级的混凝土在级配缺失的条件下拌制的混凝土均能有效提高其抗压强度，不同骨料级配缺失对同一强度等级混凝土的影响程度见表9。

从表9可以看出，对C30而言，G2、G3、G 4级配缺失对混凝土力学性能强度影响在标准差范围内，可视为无影响；而G5级配的缺失对抗压强度的影响超出了标准差范围，即G5级配粗骨料缺失对提升C30强度影响较大，可能原因是C30强度等级混凝土水胶比为0.5，G5缺失20.0～25.0范围内碎石，其他各级配依然是最佳级配且减少大颗粒数量有助于改善混凝土界面过渡区；G2、G4及G5级配缺失对C35强度无影响，G3级配缺失将大幅降低C35强度，可能原因是10.0～16.0级配骨料在最佳级配中所占比例较大，缺失对于粗骨料连续性有较大的影响；G2级配缺失对C40强度无影响，而G3、G4和G5级配缺失都将大幅降低C40强度，且降低幅度依次愈来愈大，可能是因为G3、G4、G5的孔隙率都比较大，G3对C35、C40的影响原因可能一致，G4、G5对C40的影响原因是颗粒级配缺失后造成的粒子干涉，主要表现在骨料要达到最大密实度，前一级颗粒之间的空隙应该由次一级颗粒填充，填充空隙的颗粒粒径不得大于空隙的距离，否则大小颗粒之间会发生干涉现象[9]；G 4级配缺失将降低C45抗压强度，G2、G3和G5对C45强度无影响，其影响原因与G4对C40的影响原因相同；对C50及C55强度等级的混凝土而言，粗骨料各粒径级配缺失对抗压强度基本无影响，原因是C50和C55胶材用量较大，能充分填充颗粒级配缺失造成的空隙。

结论

相对于连续级配的粗骨料而言，粗骨料级配缺失对不同强度等级混凝土的和易性及力学性能都有一定的影响，具体表现在：

（1）粗骨料级配缺失条件下拌制的混凝土，C30、C35及C40的坍落度与扩展度较基准连续级配低，C45基本无影响，而C50及C55的坍落度与扩展度却略有增大；

（2）缺失4.75mm～9.5mm的粗骨料拌制的混凝土，C30～C50的强度都略微有所降低，C35强度降低幅度最大，降低6.3%；

（3）缺失9.5mm～16mm的粗骨料级配，C40及C35强度都降低7.5%左右，但C50的强度却能提高3.9%；

（4）缺失16mm～19mm的粗骨料级配，对C40和C45的强度影响较大，C40强度降低10.3%，C55强度却提高8.0%；

（5）缺失19mm～26.5mm的粗骨料级配，C40强度降低10.7%，C30强度却提高6.2%。

参考文献：

[1] 王立久，刘莎，董晶亮.粗骨料对混凝土性能的影响[J].建材技术与应用，2012（10）：9-11

[2] 王恒，曲俐俐.骨料级配优化在预拌混凝土生产中的应用[J].中国港湾建设，2013,10（5）:37-39

[3] 石建光，许岳周，叶志明. 骨料级配对混凝土性能影响的细观分析[J].工程力学，2009,4（4）：134-137

[4] 张小利.水泥混凝土骨料级配对混凝土强度的影响[J].科技风，2013（2）：162-163

[5] 彭浩，宋少民.预拌混凝土配合比设计中骨料级配的优化方法研究[J].商品混凝土，2014（4）：28-30

[6] 文梓芸，钱春香.混凝土工程与技术[ M ] .武汉理工大学出版社,2014,12:36-48

[7]Lisa Durbin, Concrete Aggregate Optimization[J ].ConcreteInternational,1990,12（6）:33-39

[8] 龙广成，谢友军.自密实混凝土[M].科学出版社，2013,6:72-73

[9] 陈忠达，袁万杰，郑东启.级配理论应用研究[J].重庆交通学院学报，2005,8（4）44-48

（来源：《混凝土世界》2015.09）