第 1 章 绪论
1.1. 研究背景与意义
随着我国经济发展，城镇化水平提高，混凝土行业进入以大流态预拌混凝土为主的阶段，混凝土骨料需求也不断增大。2014 年中国水泥产量达到了 25 亿吨，占世界总量的 60%[1]，为世界首位[2]，据不完全统计，我国迄今为止建设了混凝土搅拌站 1 万余家，而行业内的从业人口超过 500 万人，我国预拌混凝土产量从 95 年的不足 1 亿立方米，到了 18 年的将近 26 亿立方米[3]，尤其在 2010 年开始迅速增加，总产量增加了近 100倍（如图 1-1）。
1.1. 研究背景与意义
随着我国经济发展，城镇化水平提高，混凝土行业进入以大流态预拌混凝土为主的阶段，混凝土骨料需求也不断增大。2014 年中国水泥产量达到了 25 亿吨，占世界总量的 60%[1]，为世界首位[2]，据不完全统计，我国迄今为止建设了混凝土搅拌站 1 万余家，而行业内的从业人口超过 500 万人，我国预拌混凝土产量从 95 年的不足 1 亿立方米，到了 18 年的将近 26 亿立方米[3]，尤其在 2010 年开始迅速增加，总产量增加了近 100倍（如图 1-1）。
伴随着我国混凝土行业快速发展，骨料作为混凝土的原料需求也不断增大，但我国骨料整体质量较差。由于我国对骨料需求量巨大，短时间内天然砂石资源出现短缺，在经济利益驱使下，许多地区出现了胡乱开挖砂石的现象，而准入门开较低，生产技术简单，绝大多数为中小型企业经营的生产模式[4]，使得当前我国砂石质量普遍较差[5]，很多石子松堆空隙率达到 45%以上（理想粒形与级配石子松堆空隙率约为 38%）,针片状颗粒含量超 10%（西方国家限值约为 5%）；砂中含泥量最多达 20%,含石量超 25%[6]……而为了提高经济性，大部分试验研究针对于化学外加剂以及水泥等胶凝材料，骨料的作用被严重忽视。砂石质量不仅仅是影响混凝土质量的重要因素,也是影响我国低碳经济实施的重要因素。
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1.2. 国内外研究现状
1.2.1. 骨料级配研究现状
骨料级配表示混凝土用砂石的各个单粒级组成分布，一般用分计筛余或累计筛余表示。级配良好的骨料能够减小骨料总表面积以及堆积空隙率，从而节约混凝土的浆体用量，一般而言，级配来良好的骨料粒级种类较多，不应出现间断级配，且各个单粒级骨料分布较为均匀。
骨料级配一般分为连续级配与间断级配(如图 1-2)。连续级配是由连续粒级的骨料组成的级配，各粒级都连续存在，形成较为稳定的堆积结构，而间断级配是在连续级配的基础之上除去一种或几种颗粒级配。
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第 2 章 原材料性能及实验方法
2.1. 实验用原材料
2.1.1. 水泥
水泥为北京金隅北水环保科技有限公司生产的 P·O 42.5，产地北市昌平区。性能如下表所示：
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2.2. 试验方法
2.2.1. 原材料性能实验方法
水泥主要性能测试依据 GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》、GB/T 1345-2005《水泥细度检验方法》、GB/T8074-2008《水泥比表面积测定方法》等进行测试[53]。
粉煤灰、矿渣粉等胶凝材料基本性能通过 GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》、GB/T 18046-2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》测试。
细骨料基本性能通过 GB/T 14684-2011《建筑用砂》测试。
粗骨料基本性能通过 GB/T 14685-2011《建筑用卵石、碎石》测试。
为了得到一个合理的混凝土骨料级配评价理论以及骨料级配优化方法，建立一个准确且适应性良好的模型是必不可少的。本节首先介绍几种已有的混凝土空间结构模型，在此基础之上提出基于工作性的填充包裹浆体分析预测模型（后文简称为填充包裹模型），并介绍与该模型相关的评价指标以及影响因素。
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第 3 章 基于工作性的填充包裹浆体分析模型框架设计及评价指标........... 12
3.1. 现有混凝土模型..................................12
3.2. 填充包裹模型的框架设计.............................13
第 4 章 砂浆体系填充包裹模型的参数研究.............................24
4.1. 砂的堆积性能对砂浆填充浆体量的影响...........................24
4.1.1. 实验设计................................24
4.1.2. 结果分析...................................27
第 5 章 混凝土体系填充包裹模型的参数研究............................43
5.1. 石的堆积性能对混凝土填充浆体量的影响....................................43
5.1.1. 实验设计.................................43
5.1.2. 结果分析............................44
第 6 章 模型在骨料级配评价与优化中的应用
6.1. 细骨料的级配评价与优化
细骨料级配的选择要综合考虑填充浆体与包裹浆体两种因素，下图以河砂的包裹和填充浆体为例：考量细骨料堆积的自变量 R12 从堆积空隙率最小值 28.4%点开始，在0~500 的较小范围（本文细骨料堆积数据的 63 组试验仅有 22 组满足 0~500 范围，且其均为二区中砂）变化时，填充浆体的变化范围是 15.4~17.8L，有 2.4L 的变化量；而河砂的包裹浆体用量也从包裹浆体的最小值 8.4L 增加 2.4L 到 10.8L 时，其修正细度模数的变化范围 2.15~3.41，跨越了细砂中砂粗砂三种细度，几乎包含了整个可选择的级配区间。可见细骨料的填充浆体量对级配的变化更加敏感，细骨料的堆积性能对骨料级配选择的影响更大。
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第 7 章 结论与展望
结论：
已有研究和实践表明水泥混凝土中骨料主要起骨架作用，而浆体起填充和润滑作用，两者相互影响共同作用。考虑到现代混凝土泵送施工往往要求混凝土有较高的流动性，使得浆骨比（体积比）相比塑性混凝土有较大变化，本文将浆体分为填补骨料间空隙的填充浆体与附着在骨料表面的包裹浆体，研究骨料级配、岩性，工作性要求、强度等级等对填充和包裹浆体用量的影响，并试图建立模型进行级配评价和优化，得到主要结论如下：
（1）提出一种基于工作性的填充包裹浆体分析模型，该模型综合考虑骨料的静态堆积以及骨料在浆体中相对运动，可应用于砂浆和混凝土两个体系，初步实现定量表征骨料岩性、堆积性能、混凝土强度等级等因素对浆体用量的影响，用于指导骨料级配评价。
（2）细骨料的堆积性能是级配选择的优先考虑因素，粗骨料的包裹浆体用量是级配选择的优先考虑因素。这是由于细骨料的粒径变化范围是 0~5mm，最大粒径与最小粒径的相差倍数较大，且细骨料单粒级划分也更细致，石粉等微细颗粒可以很好填充细骨料空隙，导致不同级配细骨料堆积空隙率差异较大；而粗骨料粒径一般为 5~20mm，5~30mm 等，粒径变化倍数相对较小，且粗骨料单粒级划分较为粗糙，不同级配空隙率相差不大；试验结果证明细骨料级级配变化对填充浆体量影响大于包裹浆体量，粗骨料级配变化对包裹浆体量影响大于填充浆体量。
结论：
已有研究和实践表明水泥混凝土中骨料主要起骨架作用，而浆体起填充和润滑作用，两者相互影响共同作用。考虑到现代混凝土泵送施工往往要求混凝土有较高的流动性，使得浆骨比（体积比）相比塑性混凝土有较大变化，本文将浆体分为填补骨料间空隙的填充浆体与附着在骨料表面的包裹浆体，研究骨料级配、岩性，工作性要求、强度等级等对填充和包裹浆体用量的影响，并试图建立模型进行级配评价和优化，得到主要结论如下：
（1）提出一种基于工作性的填充包裹浆体分析模型，该模型综合考虑骨料的静态堆积以及骨料在浆体中相对运动，可应用于砂浆和混凝土两个体系，初步实现定量表征骨料岩性、堆积性能、混凝土强度等级等因素对浆体用量的影响，用于指导骨料级配评价。
（2）细骨料的堆积性能是级配选择的优先考虑因素，粗骨料的包裹浆体用量是级配选择的优先考虑因素。这是由于细骨料的粒径变化范围是 0~5mm，最大粒径与最小粒径的相差倍数较大，且细骨料单粒级划分也更细致，石粉等微细颗粒可以很好填充细骨料空隙，导致不同级配细骨料堆积空隙率差异较大；而粗骨料粒径一般为 5~20mm，5~30mm 等，粒径变化倍数相对较小，且粗骨料单粒级划分较为粗糙，不同级配空隙率相差不大；试验结果证明细骨料级级配变化对填充浆体量影响大于包裹浆体量，粗骨料级配变化对包裹浆体量影响大于填充浆体量。
（3）机制砂最合理级配与机制砂岩性有着相关的关系。本研究条件下，高吸附性砂（如花岗岩，安山岩）使用时应选择的级配粗于低吸附性砂（如石灰岩），这是由于吸附性较强的细骨料适当变粗相当于以减小比表面积的方式平衡其较高的吸附性，级配评价与优化结果予以佐证，花岗岩，安山岩，石灰岩的最优修正细度模数分别为 2.85、2.81、2.57；骨料粒径越小，岩性对包裹层厚度的影响越明显，这是由于小粒径骨料比表面积大，不同岩性骨料吸附性差异得到强化，岩性的影响研究结果可以佐证：1mm 粒径骨料花岗岩包裹层厚度为石灰岩的 1.2 倍而 0.5mm 粒径时花岗岩包裹层厚度为石灰岩的 1.7 倍；天然砂使用时应选择的级配比机制砂细，这是由于天然砂石粉含量少、粒型也较好，
整体比表面积较小，级配适当变细可以使比表面积处于合理范围内的前提下，通过减小骨料粒径降低包裹层厚度的方式减小浆体用量，级配评价结果可以佐证，天然砂最优修正细度模数为 2.38，同为硅质岩的花岗岩为 2.85。
参考文献（略）
参考文献（略）