打开文本图片集

摘要：本文通过采取对闽江干流天然砂进行机制整形与II级粉煤灰替代细砂的方法优化细骨料级配。试验采用同一批闽江干流天然砂进行，整理分析各组天然砂细度模数，引用分形理论评价天然砂级配，总结优化方案为工程实践提供参考。

关键词：天然砂级配；细度模数；分形维数D；整形机；粉煤灰

1.研究背景

福建闽江水口水电站枢纽坝下水位治理与通航改善工程所采用的细骨料为一期围堰基坑天然砂，该处天然砂级配一直处于不稳定状态。根据施工过程的检测数据，基坑天然砂存在细度模数偏大和粒径在0.315mm以下的细料不足，导致新拌和混凝土泌水、漏浆现象严重，成品混凝土出现蜂窝麻面现场，因此，需采取有效措施调整天然砂的细度模数，以保证混凝土外观质量。

2.试验原理与试验方法

本次试验采用两种方案措施对闽江干流天然砂的级配进行优化调整，一是采用粉煤灰代替细砂填充细骨料以调整骨料级配，二是通过砂砾料整形机对天然砂进行整形以达到调整骨料级配的目的。

2.1试验原材料

试验所用细骨料为工程一期围堰基坑内的天然砂基坑天然砂颗粒级配不良，平均细度模数超出工程规范规定的中砂范围值2.3～3.0，主要原因为粒径2.5mm与1.25mm累计筛余量超过规范JGJ52-2006规定上限值，大粒径颗粒含量过高导致。本次试验所采用的粉煤灰为“华能”II级粉煤灰。

2.2试验原理

砂砾料整形机（原理结果图如图1）利用砂砾之间的相互作用原理，使得颗粒在被破碎室相互撞击，并撞击外侧的砂、碎石形成的石墙，以去除石粉、碎石的尖角和颗粒表面杂质，形成高品质颗粒。

整形制砂机通过高速转运的转子磨辊产生离心力，使进入转盘的原料颗粒产生挤压自磨，并使原料颗粒产生极大的动能储备。原料颗粒在抛出刀口后具备极大的动能和线速度（35-65m/s），进入破碎室中原料颗粒之间相互撞击或撞击破碎室内侧的碎石石墙（技术原理如图2）。

2.3试验方法

本次试验采用对比法，将同一批天然细骨料（细度模数FM=3.01）分两组进行试验，第一组（设置为A组）为8%掺量的粉煤灰（SF）替换细骨料，第二组（设置为B组）使用砂砾料整形机对天然砂进行整形。

试验后的A组与B组进行筛分，得出相应的组的颗粒级配，并计算得出A组细度模数Mx（A）与B组细度模数Mx（B），利用两组颗粒级配计算得出分形维数D。将两组试验后数据进行对比，得出的结果进行分析。

2.4试验结果

通过试验之后，得出A组天然砂颗粒级配与B组天然砂颗粒级配，并计算出相应细度模数进行对比，可以明显得出A组细度模数Mx（A）=2.83与B组细度模数Mx（B）=2.67对比试验前的细度模数3.01都低，因此，两组试验都可以明显改善天然砂的细度模数，但细度模数分析还不够证明天然砂真正改进，因此，需通过更进一步的理论进行证明。

3.试验结果分析

通过试验已得出两组天然砂颗粒级配数据，对比数据，A组与B组试验都能改善天然砂细度模数，进一步将运用几何学原理分形维数来分析三组细骨料的堆积效应。

3.1计算原理

国内学者李国强、邓学钧率先 提出在集料研究中引入分形理论，并且为集料粒径、级配、比表面积等拟定了计算公式，唐明又在两人的基础上提出了更加完善一些的数学模型和更加符合实际情况的分形维数等补充结果[1]。

细骨料级配数值可形成一种分布函数，这种分布函数就是一种分形，根据国内学者汪振双、王立久对混凝土细集料级配分形试验研[2]究中引用数学计算公式进行计算，计算如下：

设集料的颗粒粒径为φ，直径大于φ的颗粒数目为N（φ），则

式中，Ｄ是级配集料颗粒质量分维；Ｐ（φ）为直径 为的分布密度函数．事实上，当式（1）成立时，必然存在Ｎ（φ）∝Ｎ（λφ），λ＞0，故 Ｎ（φ）和Ｎ（λφ）是成比例的[3]。

用相应的质量关系来讨论颗粒分布的分维，设m（φ）为直径小于φ的颗粒累计分形质量，mｔ为整形总质量，则

式中，ｂ为lg（m（φ）／mｔ）与lg（φ）关系坐标的斜率．考虑到

dmｔ∝φ3ｄＮ，则φb-1ｄφ∝φ3φ-（D+1）ｄφ。所以集料的级配分形维数为

参考上述公式，进一步计算出试验数据的分形维数。

3.2计算结果

根据结果，结合分形维数的相关计算公式，得到相应结果，计算过程如下图表：

设y=lg（m（φ）／mｔ），x=lg（φ），绘制曲线关系如图2、图3、图4

计算得出未试验的细骨料曲线坐标的斜率b=1.2126，A组试验曲线坐标的斜率b（A）=0.8422，B组试验曲线坐标的斜率b（B）=0.8996，套用公式（3）得出对应各组试验的分形维数如表8：

试验前分形维数D=1.7874，试验A组D（A）=2.1578，试验B组D（B）=2.1004。

3.3 结果分析

国内学者已试验论证细度模数MX在2.23～3.17的砂，0.6mm以下筛孔颗粒含量与分形维数呈正相关关系，且0～0.15mm颗粒含量对分形维数影响较大;0.6mm及以上筛孔颗粒含量与分形维数呈负相关关系，1.18～2.36mm颗粒含量对分形维数影响较大;4.75～9.5mm颗粒含量对分形维数影响不大且相关性不好[4]。

通过上述学者结论，结合本试验结果，粉煤灰由于颗粒细度因素，替换了部分大粒径的骨料从而降低，从表4可得出，5mm粒径减少，但0.16mm粒径及以下颗粒减少，在1.25～2.5mm颗粒含量，A组含量较B组增加，0.16mm粒径含量与1.18～2.36mm颗粒含量对分形维数影响较大，因此A组D（A）相比B组D（B）的数值大。

4 结语

1）本文通过8%粉煤灰替换砂与机制整形砂对原闽江细骨骼进行级配调整，两种方法都可得到明显作用。

2）通过分形维数的分析，8%粉煤灰替换砂与机制整形砂对比，细度模数与分形维数呈现正相关关系，0.16mm含量及1.25～2.5mm颗粒含量的影响与分形维数呈现负相关关系。

实际施工过程中，考虑混凝土因素较多，粉煤灰对新拌混凝土的塌落度有一定影响，因此，机制整形砂会是更好一个考虑方向。

参考文献

[1] 姜晓伟，宓永宁，高跃．不同分维骨料级配对混凝土性能的影响研究[J]．房材与应用，2006（2）：5－7．

[2] 汪振双，王立久．基于均匀设计的混凝土细集料级配分形试验研究[J]．沈阳大学学报（自 然科学版），2012（10）：5－24．

[3] 夏春，刘浩吾．混凝土细骨料级配的分形特征研究[J]．西南交通大学学报，2002，37（2）：186－189．

[4] 张少武，冯小伟．砂细度模数的分形应用分析[J]．施工技术，2014，37（2）：101－104．

作者简介：李寿龙（1988年7月出生），男，福建省福州市，工程硕士，工程师，质量管理工程师