矿料的级配和组成设计

• 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。
式中： a1、a2 、 、 ai ────各筛的分计筛余百分率（%）。
级配的表示方法
(3)通过百分率 pi :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
pi 100 Ai
式中：Ai ────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。
p 100 ( d )n D
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
集料筛分用的式样质量
公称最大粒径 （mm）
75
63
37. 31. 26. 555
19
16
9.5
4.7 5
试样质量不小于 （kg）
10
8
5
4 2.5 2
1
1 0.5
某细集料筛分实验的结果示例
筛孔
尺寸 （）
9.5
4.75 2.36 1.18 0.6
0.3
0.15 0.075 筛底 总计
mm
筛余 质量
0
最大密度曲线方程 p2 kd 对应的示意图
集料级配曲线示寸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 p2 kd 得
k 1002 1 D
当希望计算任何一级颗粒粒径d的通过量时，计算公式为：
p2 kd p 100 d D
• 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。
级配的表示方法
级配
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：
0.3
0.15
0.07 5
上限 100 100 88 68 53 41 30 22 16 8
级配范围 （%）
下限
100
95
70
48
36
24
18
12
8
4
中值 100 98 79 57 33 24 17 12 12 6
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。
15
ai （%）
0
3
Ai （%）
0
3
pi(%) 100 97
63 99 105 115 75 22 6
500
12.6 19.8 21 23 15 4.4 1.2 100
15.6 35.4 56.4 79.4 94.4 98.8 100 —
84.4 84.4 43.6 20.6 5.6 1.2 0
—
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：
( )5
A A A A A A
0.15
0.3
0.6
1.18
2.36
4.75
Mf
1 0 0
A4.75
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（%）
Ｂ（ｉ）
Ｃ（ｉ）
Ｍ（ｉ）
１－１３
• 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。
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。
P P X M (i)
j(i)
j(i)
1-11
a 式中： M (i ) ———矿质混合料的筛孔i上的分计筛余率（%）
aj (i ) ———某一集料j在筛孔i上的分计筛余百分率（%）
PM ( i )
Pj (i)
———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（%）
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。
矿质混合料的级配
方程 p 100 d 对应的半对数坐标的最大 密度曲线示意图D
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
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。
ＡＣ－１３沥青混合料用矿料级配范围
筛孔尺寸（mm） 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6
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。
X j (i) ———某一集料j在矿质混合料中的质量百分率（%）
矿质混合料的配合比设计方法
•
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
• 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。
已知条件：
集料P~d 设计级配范围P~d
矿质混合料的配合比设计方法（数解法）
• 数解法
数解法的基本原理是将几种已知级配的集料 j 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
a a X M (i)
j(i)
j(i)
1-10
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。