礦料的級配和組成設(shè)計

1、礦料的級配和組成設(shè)計成員：秦飛揚 孫彬強 孫宏偉一、集料和礦料集料是不同粒徑顆粒組成的混合料，包括巖石自然風(fēng)化而成的礫石、卵石、沙，由巖石經(jīng)人工軋制的各種尺寸的碎石、機制砂、石屑以及各種工業(yè)冶金礦渣。工業(yè)上一般將將集料分為粗集料和細(xì)集料兩種。粗細(xì)集料的分界尺寸為4.75mm4.75mm，但在瀝青混合料中通常為2.36mm2.36mm。粗集料是指粒徑大于4.75mm的巖石顆粒。常用的有碎石和卵石。碎石是將天然巖石或卵石經(jīng)機械破碎、篩分制成的粒徑大于4.75mm的顆粒。卵石是由自然風(fēng)化、水流搬運和分選、堆積形成的粒徑大于4.75mm的顆粒。細(xì)集料是指粒徑小于4.75mm的巖石顆粒。常用的為天然砂。

2、天然砂是經(jīng)自然風(fēng)化、水流搬運和分選、堆積行成，包括河砂、湖砂、山砂和淡化海砂等，但不包括軟質(zhì)巖石、風(fēng)化巖石的顆粒。在水泥混凝土或瀝青混合料中，所用集料的粒徑尺寸范圍較大，而天然或人工軋制的一種集料往往僅有幾種粒徑尺寸的顆粒組成，難以滿足工程對某一混合料的目標(biāo)設(shè)計級配范圍的要求，因此需要將兩種或兩種以上的集料配合使用，構(gòu)成礦質(zhì)混合料，簡稱礦料。二、級配級配是指集料中各種粒徑顆粒的搭配比例或級配是指集料中各種粒徑顆粒的搭配比例或分布情況。分布情況。 集料的級配對集料的堆積密度、空隙率、粗集料骨架間隙率、細(xì)集料棱角性產(chǎn)生影響，進而對水泥混凝土及瀝青混合料的強度、穩(wěn)定性及施工和易性有著顯著的影響。級配

3、級配的表示方法礦質(zhì)混合料的級配級配的表示方法 礦質(zhì)集料的級配通常采用篩分實驗確定。 稱取500g試樣，放于一套標(biāo)準(zhǔn)篩（9.5mm，4.75mm，2.36mm，1.18mm,0.6mm,0.3mm,0.15mm的方孔篩）上，分別求出試樣存留在各篩上的質(zhì)量，然后采用級配的有關(guān)參數(shù)來評定試樣顆粒的級配。 按下式計算有關(guān)級配的參數(shù)：（1） ：某號篩上的篩余質(zhì)量占式樣總質(zhì)量的百分率，按下式計算 式中 存留在某篩孔上的式樣質(zhì)量； M集料風(fēng)干式樣的總質(zhì)量。（2） ：某號篩的分計篩余百分率和大于該篩孔尺寸篩的各篩分計篩余百分率之總和，可按下式計算100MmaiiimiaiAiiaaaA 21式中： 、 、 、

4、 各篩的分計篩余百分率（%）。1a2a ia(3) :通過某號篩的式樣質(zhì)量占式樣總質(zhì)量的百分率，即100與某號篩累計篩余百分率之差，按下式計算式中： 某號篩累計篩余百分率（%）。 由于粗細(xì)集料的粒徑范圍不同，篩分實驗中采用的標(biāo)準(zhǔn)套篩尺寸范圍及式樣質(zhì)量有所不同，如下表，通常情況下，細(xì)集料的篩分式樣取500g。 集料篩分用的式樣質(zhì)量ipiiAp100iA公稱最大粒徑公稱最大粒徑（mmmm）7575636337.37.5 531.31.5 526.26.5 5191916169.59.54.74.75 5試試樣質(zhì)量不小于樣質(zhì)量不小于（kgkg）10108 85 54 42.52.52 21 11 1

5、0.50.5級配的表示方法篩孔篩孔尺寸尺寸（）（）mm9.54.752.361.180.60.30.150.075篩底篩底總計總計篩余質(zhì)量015639910511575226500ai（%）0312.619.82123154.41.2100Ai（%）0315.635.456.479.494.498.8100pi(%)1009784.484.443.620.65.61.20某細(xì)集料篩分實驗的結(jié)果示例級配的表示方法2.細(xì)集料的細(xì)度模數(shù) 細(xì)度模數(shù)是用于評價細(xì)集料粗細(xì)程度的指標(biāo)，為細(xì)集料篩分實驗中各號篩上的累計篩余百分率之和，按下式計算： 式中：Mf砂的細(xì)度密數(shù)； A0.15，A4.75,分別為0.1

6、5mm，4.75mm各篩上的累計篩余百分率（%） 細(xì)度模數(shù)愈大，表示細(xì)集料愈粗。砂按細(xì)度模數(shù)分為粗、中、細(xì)和特細(xì)砂四種規(guī)格，相應(yīng)的細(xì)度模數(shù)分別為：粗砂 =3.73.1；中砂=3.02.3；細(xì)砂=2.21.6；特細(xì)砂=1.50.7 細(xì)度模數(shù)的數(shù)值主要決定于0.15mm篩到2.36mm篩5個粒徑的累計篩余量，由于在累計篩余的總和中，粗顆粒分計篩余的“權(quán)”比細(xì)粒大，所以它的數(shù)值很大程度決定于粗顆粒含量；另外，細(xì)度模數(shù)的數(shù)值與小于0.15mm的顆粒含量無關(guān)，細(xì)度模數(shù)在一定程度上能反映砂的粗細(xì)概念，但未能全面反映砂的粒徑分布情況，不同級配的砂可以具有相同的細(xì)度模數(shù)。AAAAAAAMf75. 475. 4

7、36. 218. 16 . 03 . 015. 01005)(礦質(zhì)混合料的級配 各種不同粒徑的集料，按照一定比例搭配起來，以達(dá)到最大密實度和最大摩擦力的要求，可以采用三類級配： 連續(xù)級配是是采用標(biāo)準(zhǔn)篩對某一混合料進行篩析實驗，所得的級配曲線平順圓滑，具有連續(xù)的性質(zhì)。這種由大到小，逐級粒徑均有按比例互相搭配組成的礦質(zhì)混合料，稱為連續(xù)級配混合料。 ：間斷級配是在礦質(zhì)混合料中剔除其中一個或幾個分級而形成一種不連續(xù)的混合料，這種混合料稱為間斷級配混合。 連續(xù)開級配：整個礦料顆粒分布范圍較窄，從最大粒徑到最小粒徑僅在數(shù)個粒級上以連續(xù)的形式出現(xiàn)，形成連續(xù)開級配。不同級配類型的級配曲線如下圖所示a a）連續(xù)

8、型密集配）連續(xù)型密集配 b b）連續(xù)型開級配）連續(xù)型開級配 c c）間斷型密集配）間斷型密集配礦質(zhì)混合料的級配1.富勒理論（最大密度曲線）富勒（W B Fuller）認(rèn)為“級配曲線愈接近拋物線，則其密度愈大”。因此最大密度曲線方程可表示為：kdp 2式中：p集料顆粒在篩孔尺寸d上的通過百分率（%）； d集料中顆粒的篩孔尺寸（mm） k統(tǒng)計參數(shù)礦質(zhì)混合料的級配最大密度曲線方程 對應(yīng)的示意圖kdp 2集料級配曲線示意圖（常數(shù)坐標(biāo)）礦質(zhì)混合料的級配當(dāng)篩孔尺寸d等于集料最大粒徑D時，其通過百分率為100%，即d=D，p=100，將此代入 得當(dāng)希望計算任何一級顆粒粒徑d的通過量時，計算公式為：kdp 2

9、Dk11002Ddpkdp1002礦質(zhì)混合料的級配 方程 對應(yīng)的半對數(shù)坐標(biāo)的最大密度曲線示意圖Ddp100集料級配曲線示意圖（半對數(shù)坐標(biāo)）礦質(zhì)混合料的級配 根據(jù)最大密度理想曲線的級配組成計算公式，可以計算出某礦料達(dá)到最大密度時各級顆粒粒徑的通過量。 但在實際應(yīng)用過程中，由于礦料的軋制生產(chǎn)過程中的不均勻性，以及混合料在配制時的波動誤差等原因，使配制的混合料難以與理想的理論級配完全吻合一致。因此，必須允許配料時的合成級配可以在一定范圍內(nèi)波動，為此，泰波在上式的基礎(chǔ)上進行了修正，給出了級配范圍曲線的計算公式。礦質(zhì)混合料的級配泰波（A N Taibal）認(rèn)為富勒曲線是一種理想曲線，實際礦料的級配應(yīng)允許

10、有一定的波動范圍故將最大密度曲線改為n次冪的通式:nDdp)(100式中：D集料的最大粒徑（mm）; n級配指數(shù)。通常取n=0.30.7之間時，有較好的密實度，當(dāng)n=0.5時為拋物線，即為最大密度曲線。礦質(zhì)混合料的級配 在工程實踐中，集料的最大理論密度曲線為級配指數(shù)n=0.5的級配曲線，如下圖中曲線A。常用礦質(zhì)混合料的級配指數(shù)一般在0.30.7之間，將級配指數(shù)0.3和0.7代入上式進行計算，并可繪制相應(yīng)的級配曲線，如下圖曲線范圍B礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計方法 礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計就是根據(jù)實際工程中現(xiàn)有的各種集料的級配參數(shù)（即篩分結(jié)果），針對設(shè)計要求或技術(shù)規(guī)范要求，采用一定的方法確定各規(guī)格集料在合

11、成礦料中所占比例的操作過程。 設(shè)計方法有數(shù)解法和圖解法兩大類，這兩種方法均需要兩個已知條件：一是，各種集料的級配參數(shù)；二是，礦質(zhì)混合料目標(biāo)級配范圍。已知條件：集料Pd設(shè)計級配范圍Pd 數(shù)解法 數(shù)解法的基本原理是將幾種已知級配的集料 配制成滿足目標(biāo)級配要求的礦質(zhì)混合料 M,混合料M在某一篩孔i上的顆粒由這幾種集料提供。混合料的級配參數(shù)由下式確定jXaaijijiM)()()(XPPijijiM)()()(1-101-11式中： 礦質(zhì)混合料的篩孔i上的分計篩余率（%） 某一集料j在篩孔i上的分計篩余百分率（%） 礦質(zhì)混合料在篩孔i上的通過百分率(%) 某一集料j在篩孔i上的通過百分率（%） 某一集

12、料j在礦質(zhì)混合料中的質(zhì)量百分率（%）aiM)(aij)(PiM)(Pij)(Xij)(礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計方法（數(shù)解法） 將已知的集料的級配參數(shù)和礦質(zhì)混合料的目標(biāo)級配參數(shù)帶入以上式子中，可以建立數(shù)個方程，方程的個數(shù)等于標(biāo)準(zhǔn)篩的個數(shù)，然后可以用正則方程法求解，也可以用試算法或規(guī)劃求解法確定各個集料的用量。（1）A.在確定個組成集料在混合料中的比例時，先假定混合料中某種粒徑的顆粒是由某一種對這一粒徑占優(yōu)勢的集料組成，而其他各種集料中不含有此粒徑。 B.根據(jù)各個主要粒徑去試算各種集料在混合料中的大致比例，再經(jīng)過校核調(diào)整，最終獲得滿足混合料級配的各集料的配合比例。礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計方法基本方程的

13、建立設(shè)有、三種集料在某一篩孔上的篩余百分率分別為（）、（）、（），欲配制成礦質(zhì)混合料中在相應(yīng)篩孔上的分計篩余百分率設(shè)計值為（），假設(shè)、三種集料在混合料中的比例分別為、，由此得公式：（）（）（）（）基本假定假定在礦質(zhì)混合料中，某一粒徑的顆粒是由一種集料提供的，在其他集料中不含這一粒徑的顆粒。計算各個集料在礦質(zhì)混合料中的用量。首先要確定某種集料中占優(yōu)勢含量的某一粒徑，忽略其他集料在此粒徑的含量。礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計方法 例如，假設(shè)混合料M中某一粒徑（i）主要由A集料所提供，分計篩余為（），則（）、（）等于零，帶入式子（）中，計算出集料在混合料中的用量。同理，根據(jù)以上的方法，可以計算出集料或的用量

14、。合成級配的計算、校核和調(diào)整 由于試算法中各種集料用量比例是根據(jù)幾個篩孔確定的，不能控制所有篩孔，所以應(yīng)對合成級配進行校核。先按式（）、（）計算礦質(zhì)混合料的合成級配。應(yīng)在設(shè)計要求級配范圍內(nèi)，并盡可能的接近設(shè)計級配范圍的中值。當(dāng)合成級配不滿足要求時，應(yīng)調(diào)整各集料的比例。調(diào)整配合比后還應(yīng)重新進行校核，直至符合要求。如計算后仍不能滿足級配要求?？蓳郊訂瘟＜壖匣蛘{(diào)換其他集料。礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計方法礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計方法（圖解法）2.（修正平衡面積法）是目前工程單 位用的較多的一種 方法A、繪制圖解法坐標(biāo)圖（縱坐標(biāo)為常坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為對數(shù)坐標(biāo)）。B、計算設(shè)計級配范圍中值，確定相應(yīng)橫坐標(biāo)中值。篩孔

15、尺寸（篩孔尺寸（mmmm）16.016.013.213.29.59.54.754.752.362.361.181.180.60.60.30.30.150.150.070.075 5級配范圍級配范圍（% %）上限上限10010010010088886868535341413030222216168 8下限下限10010095957070484836362424181812128 84 4中值中值10010098987 79 95 57 73 33 32 24 41 17 71 12 21 12 26 6瀝青混合料用礦料級配范圍礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計方法 C、繪制圖框并作對角線（為設(shè)計級配中值）

16、按照一定的尺寸繪制矩形圖框（通?？v坐標(biāo)通過量取10cm,橫坐標(biāo)篩孔尺寸（或粒徑）取15cm)，連接對角線作為設(shè)計級配中值曲線，見下圖。按常數(shù)標(biāo)尺在縱坐標(biāo)上標(biāo)出通過量百分率位置，然后將設(shè)計級配中值要求的各篩孔通過百分率，標(biāo)于縱坐標(biāo)上，并從縱坐標(biāo)引水平線與對角線相交，再從交點做線與橫坐標(biāo)相交，該點即為這個相應(yīng)篩孔尺寸的位置。右圖為上表混合料對應(yīng)的的設(shè)計級配范圍中值曲線圖：礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計方法D、 按上述的方法將各種集料的級配曲線繪制在坐標(biāo)圖中。組成集料級配曲線與要求合成級配曲線圖礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計方法（2）確定各種集料的用量比例。 任意兩相鄰集料的級配曲線之間的關(guān)系只可能是以下三種情況之一： 兩相鄰級配曲線重疊 兩條相鄰級配曲線相互重疊，在下圖中表現(xiàn)為集料A的級配曲線下部與集料B的級配曲線上部搭接。此時，在兩級配曲線之間引一根垂線，使其與集料A、B的級配曲線截距相等，即，垂線與對角線0O交于點M，通過M做一水平線與縱坐標(biāo)交于P點，OP即為集料A的用量。 兩相鄰級配曲線相接 兩條相鄰級配曲線相接，在上圖中表現(xiàn)為集料B的級配曲線末端與集料C的級配曲線首端正好在同一垂直線上。對于這種情況僅需將集料B的級配曲線末端與集料C的級配曲線首端直接相連，得垂線。與對角線0O交于點N，過點N做一水平線與縱坐標(biāo)交于Q點，PQ