矿料的级配和组成设计

矿料的级配和组成设计成员：秦飞扬孙彬强孙宏伟一、集料和矿料•集料：集料是不同粒径颗粒组成的混合料，包括岩石自然风化而成的砾石、卵石、沙，由岩石经人工轧制的各种尺寸的碎石、机制砂、石屑以及各种工业冶金矿渣。工业上一般将将集料分为粗集料和细集料两种。粗细集料的分界尺寸为4.75mm，但在沥青混合料中通常为2.36mm。•粗集料是指粒径大于4.75mm的岩石颗粒。常用的有碎石和卵石。碎石是将天然岩石或卵石经机械破碎、筛分制成的粒径大于4.75mm的颗粒。卵石是由自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的粒径大于4.75mm的颗粒。•细集料是指粒径小于4.75mm的岩石颗粒。常用的为天然砂。天然砂是经自然风化、水流搬运和分选、堆积行成，包括河砂、湖砂、山砂和淡化海砂等，但不包括软质岩石、风化岩石的颗粒。•矿料：在水泥混凝土或沥青混合料中，所用集料的粒径尺寸范围较大，而天然或人工轧制的一种集料往往仅有几种粒径尺寸的颗粒组成，难以满足工程对某一混合料的目标设计级配范围的要求，因此需要将两种或两种以上的集料配合使用，构成矿质混合料，简称矿料。二、级配•级配的定义：级配是指集料中各种粒径颗粒的搭配比例或分布情况。•集料的级配对集料的堆积密度、空隙率、粗集料骨架间隙率、细集料棱角性产生影响，进而对水泥混凝土及沥青混合料的强度、稳定性及施工和易性有着显著的影响。级配级配的表示方法矿质混合料的级配级配的表示方法1.级配参数矿质集料的级配通常采用筛分实验确定。称取500g试样，放于一套标准筛（9.5mm，4.75mm，2.36mm，1.18mm,0.6mm,0.3mm,0.15mm的方孔筛）上，分别求出试样存留在各筛上的质量，然后采用级配的有关参数来评定试样颗粒的级配。按下式计算有关级配的参数：（1）分计筛余百分率：某号筛上的筛余质量占式样总质量的百分率，按下式计算式中────存留在某筛孔上的式样质量；M────集料风干式样的总质量。（2）累计筛余百分率：某号筛的分计筛余百分率和大于该筛孔尺寸筛的各筛分计筛余百分率之总和，可按下式计算100MmaiiimiaiAiiaaaA21式中：、、、────各筛的分计筛余百分率（%）。1a2aia(3)通过百分率:通过某号筛的式样质量占式样总质量的百分率，即100与某号筛累计筛余百分率之差，按下式计算式中：────某号筛累计筛余百分率（%）。由于粗细集料的粒径范围不同，筛分实验中采用的标准套筛尺寸范围及式样质量有所不同，如下表，通常情况下，细集料的筛分式样取500g。集料筛分用的式样质量ipiiAp100iA公称最大粒径（mm）756337.531.526.519169.54.75试样质量不小于（kg）108542.52110.5级配的表示方法筛孔尺寸（）mm9.54.752.361.180.60.30.150.075筛底总计筛余质量015639910511575226500ai（%）0312.619.82123154.41.2100Ai（%）0315.635.456.479.494.498.8100—pi(%)1009784.484.443.620.65.61.20—某细集料筛分实验的结果示例级配的表示方法2.细集料的细度模数细度模数是用于评价细集料粗细程度的指标，为细集料筛分实验中各号筛上的累计筛余百分率之和，按下式计算：式中：Mf———砂的细度密数；A0.15，···A4.75,———分别为0.15mm，···，4.75mm各筛上的累计筛余百分率（%）细度模数愈大，表示细集料愈粗。砂按细度模数分为粗、中、细和特细砂四种规格，相应的细度模数分别为：粗砂=3.7~3.1；中砂=3.0~2.3；细砂=2.2~1.6；特细砂=1.5~0.7细度模数的数值主要决定于0.15mm筛到2.36mm筛5个粒径的累计筛余量，由于在累计筛余的总和中，粗颗粒分计筛余的“权”比细粒大，所以它的数值很大程度决定于粗颗粒含量；另外，细度模数的数值与小于0.15mm的颗粒含量无关，细度模数在一定程度上能反映砂的粗细概念，但未能全面反映砂的粒径分布情况，不同级配的砂可以具有相同的细度模数。AAAAAAAMf75.475.436.218.16.03.015.01005)(矿质混合料的级配（一）级配类型各种不同粒径的集料，按照一定比例搭配起来，以达到最大密实度和最大摩擦力的要求，可以采用三类级配：连续级配：连续级配是是采用标准筛对某一混合料进行筛析实验，所得的级配曲线平顺圆滑，具有连续的性质。这种由大到小，逐级粒径均有按比例互相搭配组成的矿质混合料，称为连续级配混合料。间断级配：间断级配是在矿质混合料中剔除其中一个或几个分级而形成一种不连续的混合料，这种混合料称为间断级配混合。③连续开级配：整个矿料颗粒分布范围较窄，从最大粒径到最小粒径仅在数个粒级上以连续的形式出现，形成连续开级配。不同级配类型的级配曲线如下图所示a）连续型密集配b）连续型开级配c）间断型密集配矿质混合料的级配（二）级配理论1.富勒理论（最大密度曲线）富勒（WBFuller）认为“级配曲线愈接近抛物线，则其密度愈大”。因此最大密度曲线方程可表示为：kdp2式中：p────集料颗粒在筛孔尺寸d上的通过百分率（%）；d────集料中颗粒的筛孔尺寸（mm）k────统计参数矿质混合料的级配最大密度曲线方程对应的示意图kdp2集料级配曲线示意图（常数坐标）矿质混合料的级配当筛孔尺寸d等于集料最大粒径D时，其通过百分率为100%，即d=D，p=100，将此代入得当希望计算任何一级颗粒粒径d的通过量时，计算公式为：kdp2Dk11002Ddpkdp1002矿质混合料的级配方程对应的半对数坐标的最大密度曲线示意图Ddp100集料级配曲线示意图（半对数坐标）矿质混合料的级配•根据最大密度理想曲线的级配组成计算公式，可以计算出某矿料达到最大密度时各级颗粒粒径的通过量。•但在实际应用过程中，由于矿料的轧制生产过程中的不均匀性，以及混合料在配制时的波动误差等原因，使配制的混合料难以与理想的理论级配完全吻合一致。因此，必须允许配料时的合成级配可以在一定范围内波动，为此，泰波在上式的基础上进行了修正，给出了级配范围曲线的计算公式。矿质混合料的级配2.级配范围曲线------泰波理论泰波（ANTaibal）认为富勒曲线是一种理想曲线，实际矿料的级配应允许有一定的波动范围故将最大密度曲线改为n次幂的通式:nDdp)(100式中：D────集料的最大粒径（mm）;n────级配指数。通常取n=0.3~0.7之间时，有较好的密实度，当n=0.5时为抛物线，即为最大密度曲线。矿质混合料的级配3.级配曲线范围的绘制在工程实践中，集料的最大理论密度曲线为级配指数n=0.5的级配曲线，如下图中曲线A。常用矿质混合料的级配指数一般在0.3~0.7之间，将级配指数0.3和0.7代入上式进行计算，并可绘制相应的级配曲线，如下图曲线范围B矿质混合料的配合比设计方法•矿质混合料的组成设计就是根据实际工程中现有的各种集料的级配参数（即筛分结果），针对设计要求或技术规范要求，采用一定的方法确定各规格集料在合成矿料中所占比例的操作过程。•设计方法有数解法和图解法两大类，这两种方法均需要两个已知条件：一是，各种集料的级配参数；二是，矿质混合料目标级配范围。已知条件：集料P~d设计级配范围P~d•数解法数解法的基本原理是将几种已知级配的集料配制成满足目标级配要求的矿质混合料M,混合料M在某一筛孔i上的颗粒由这几种集料提供。混合料的级配参数由下式确定jXaaijijiM)()()(XPPijijiM)()()(1-101-11式中：———矿质混合料的筛孔i上的分计筛余率（%）———某一集料j在筛孔i上的分计筛余百分率（%）———矿质混合料在筛孔i上的通过百分率(%)———某一集料j在筛孔i上的通过百分率（%）———某一集料j在矿质混合料中的质量百分率（%）aiM)(aij)(PiM)(Pij)(Xij)(矿质混合料的配合比设计方法（数解法）•将已知的集料的级配参数和矿质混合料的目标级配参数带入以上式子中，可以建立数个方程，方程的个数等于标准筛的个数，然后可以用正则方程法求解，也可以用试算法或规划求解法确定各个集料的用量。（1）试算法：基本原理：A.在确定个组成集料在混合料中的比例时，先假定混合料中某种粒径的颗粒是由某一种对这一粒径占优势的集料组成，而其他各种集料中不含有此粒径。B.根据各个主要粒径去试算各种集料在混合料中的大致比例，再经过校核调整，最终获得满足混合料级配的各集料的配合比例。采用试算法求解，需要已知各个集料和矿质混合料的分计筛余百分率。以下为为求解步骤。矿质混合料的配合比设计方法•①基本方程的建立设有Ａ、Ｂ、Ｃ、三种集料在某一筛孔ｉ上的筛余百分率分别为ａＡ（ｉ）、ａＢ（ｉ）、ａＣ（ｉ），欲配制成矿质混合料Ｍ中在相应筛孔ｉ上的分计筛余百分率设计值为ａＭ（ｉ），假设Ａ、Ｂ、Ｃ三种集料在混合料中的比例分别为Ｘ、Ｙ、Ｚ，由此得公式：Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００Ｘ·ａＡ（ｉ）＋Ｙ·ａＢ（ｉ）＋Ｚ·ａＣ（ｉ）＝ａＭ（ｉ）•②基本假定假定在矿质混合料中，某一粒径的颗粒是由一种集料提供的，在其他集料中不含这一粒径的颗粒。③计算各个集料在矿质混合料中的用量。首先要确定某种集料中占优势含量的某一粒径，忽略其他集料在此粒径的含量。１－１２１－１３矿质混合料的配合比设计方法例如，假设混合料M中某一粒径（i）主要由A集料所提供，分计筛余为ａＡ（ｉ），则ａＢ（ｉ）、ａＣ（ｉ）等于零，带入式子（１－１２）中，计算出集料Ａ在混合料中的用量Ｘ。同理，根据以上的方法，可以计算出集料Ｃ或Ｂ的用量。•④合成级配的计算、校核和调整由于试算法中各种集料用量比例是根据几个筛孔确定的，不能控制所有筛孔，所以应对合成级配进行校核。先按式（１—１０）、（１—１１）计算矿质混合料的合成级配。应在设计要求级配范围内，并尽可能的接近设计级配范围的中值。当合成级配不满足要求时，应调整各集料的比例。调整配合比后还应重新进行校核，直至符合要求。如计算后仍不能满足级配要求。可掺加单粒级集料或调换其他集料。矿质混合料的配合比设计方法矿质混合料的配合比设计方法（图解法）2.图解法：（修正平衡面积法）是目前工程单位用的较多的一种方法设计步骤：（1）绘制级配曲线图A、绘制图解法坐标图（纵坐标为常坐标，横坐标为对数坐标）。B、计算设计级配范围中值，确定相应横坐标中值。筛孔尺寸（mm）16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075级配范围（%）上限100100886853413022168下限1009570483624181284中值10098795733241712126ＡＣ－１３沥青混合料用矿料级配范围矿质混合料的配合比设计方法C、绘制图框并作对角线（为设计级配中值）按照一定的尺寸绘制矩形图框（通常纵坐标通过量取10cm,横坐标筛孔尺寸（或粒径）取15cm)，连接对角线作为设计级配中值曲线，见下图。按常数标尺在纵坐标上标出通过量百分率位置，然后将设计级配中值要求的各筛孔通过百分率，标于纵坐标上，并从纵坐标引水平线与对角线相交，再从交点做线与横坐标相交，该点即为这个相应筛孔尺寸的位置。右图为上表混合料对应的的设计级配范围中值曲线图：矿质混合料的配合比设计方法D、按上述的方法将各种集料的级配曲线绘制在坐标图中。组成集料级配曲线与要求合成级配曲线图矿质混合料的配合比设计方法（2）确定各种集料的用量比例。任意两相邻集料的级配曲线之间的关系只可能是以下三种情况之一：两相邻级配曲线重叠两条相邻级配曲线相互重叠，在下图中表现为集料A的级配曲线下部与集料B的级配曲线上部搭接。此时，在两级配曲线之间引一根垂线，使其与集料A、B的级配曲线截距相等，即，垂线与对角线0O交于点M，通过M做一水平线与纵坐标交于P点，OP即为集料A的用量。两相邻级配曲线相接两条相邻级配曲线相接，在上图中表现为集料B的级配