粒徑累積曲線

岩石、土等天然材料，從粗顆粒到細顆粒恰當地混合在一起，這種混合情況可以用粒徑累積曲線（級配曲線）表示。

基本介紹

• 中文名：粒徑累積曲線
• 外文名：grain size accumulation curve
• 別稱：級配曲線
• 套用領域：材料混合

粒徑累積曲線範圍的繪製

級配範圍

由各級集料在礦質混合料中的通過百分率，以通過百分率為縱坐標，以粒徑(mm)為橫坐標，繪製成曲線即為理論級配曲線。但在實際套用中，由於石料粒徑的不均勻性及混合料配製時所產生的誤差等因素的影響，使所配製的混合料往往不可能與理論級配曲線完全相符。因此，應允許配料時的合成級配在一定的範圍內波動，這就是“級配範圍”。

設定坐標

在繪製級配範圍曲線時，由於篩孔的數值一般按1/2遞減排列，如縱橫坐標均按常用的算術值設定，必然形成前疏後密的非等量坐標。為了便於繪製與套用，則採取半對數坐標，即橫坐標的篩孔尺寸採用對數，縱坐標的通過百分率為常坐標。

繪製方法

繪製級配範圍曲線，首先按用對數計算出的各篩孔尺寸在橫坐標上標明位置；再按算術值在縱坐標上標出通過百分率，如是繪成縱橫坐標。然後將按公式計算所得的各級粒徑(d)及該粒徑的通過百分率(p)在坐標上標出，再將標出的各點連成曲線，如採用兩個指數()則可繪出兩條曲線，在兩條曲線之間所包括的範圍即為級配範圍。下圖所示為一級配範圍曲線。

級配範圍曲線

粒徑累積曲線的影響

粒徑累積曲線的形狀就決定了粒徑分布（或簡稱級配特性），以及材料的力學性質。細顆粒土中所含的水分大致分為吸附水與自由水。粘土顆粒由於各種的原因帶有負電荷，又因為水是偶極分子，所以水分子吸附在粘土顆粒表面之後形成了較薄的水膜。這層膜稱為吸附水層，將膜中的水分稱為吸附水。這種吸附水即使施加外力也不能輕易除掉，所以處理方法與自由水不同。這裡說的含水量，就是自由水含量占土顆粒的比。此外，為了測定土的含水量，將土置於乾燥爐中乾燥，即使這樣乾燥也無法將吸附水除掉。

粘土顆粒之間相互作用的粘聚力取決於土中粘土成分的含量，但是在加水時若超過了某個臨界值(臨界吸附水)，水就以自南水的形式充填在土顆粒之間，削弱了粘土顆粒之間的結合力，降低了土抵抗變形的能力，最後呈液態。變成液態之前的含水量稱為土的液限，若將處於液限狀態的土乾燥，則自由水在乾燥過程中逐漸減少，土就會七零八落地鬆散開來；但是若調整這之前的含水狀態，將吸附水與自由水適當地搭配起來，土顆粒之間就會產生較高的結合力，也能發揮抵抗變形的作用，此時的含水量稱為塑限。若將土進一步乾燥，土就會七零八落地鬆散開來，但是還會殘留一些自由水（半固態）。在這之後，若將土再進一步乾燥，自由水就完全消失了，所以在這之後即使再乾燥，土的體積也不再變化。體積不再變化的臨界含水量稱為縮限。

粒徑分配和壓實效果

控制土的承載力的一個要素，是土的壓實的特性。眾所周知，這種壓實特性，與土的含水量、粒徑、土顆粒的形狀以及壓實功能有關。用顆粒級配方法提高壓實效果，實際上是使土的粒徑及土顆粒的形狀發生變化。

下圖表示土中的細粒土（直徑在0.074mm以下）的含水率（ ）發生變化的壓實效果的情況。圖中各曲線上記載的數字，表示細粒土部分的顆粒組成的不同，數字越大，土顆粒粒徑越小，即圖中數字“5”所表示的那條曲線。

在下圖（a） 中，可以看出細粒土部分的土顆粒粒徑越小，最大幹容重隨著最佳含水量的增大而增大，壓實曲線的形狀就變得陡直起來。圖（b） 表示因粒徑累積曲線不同而壓實曲線幾乎沒有差別，最大幹容重和最佳含水量大致相同；而且，比 的最大幹容重大。在圖（c） 中，和 的情況相反，細粒土部分的土顆粒越細，最大幹容重就越小，與其相對應的最佳含水量就變高；而且，與 的土相比，最大幹容重也減小了。

像這樣由於土的粒徑分配的不同，而壓實曲線也不同。其原因是：如 的土，因細粒土的部分少，砂顆粒之間的孔隙，沒有完全被淤泥和粘土所填充，隨著細粒土部分的土顆粒變細的數量的增加，砂顆粒之間的孔隙就被填充，所以容重變大。還有如 的土，細粒土的部分多，砂顆粒之間的孔隙，由於完全被粉土、粘土等細顆粒土所填充，所以即使細粒土部分的土顆粒再小，其數量再增加，土的容重也不會增大，反而下降。容重增減的界限，可以認為是在 附近。

粒徑分配和滲透性

為了增大或減少滲透性，而進行顆粒級配，即根據粒徑分配的變化，以達到所要求的滲透性的程度。

眾所周知，Darcy發現在土中的水流為層流時，其流速 和水力梯度 之間的關係可用：

來表示。把比例常數k叫做滲透係數，用來表示土的滲透性，此種辦法現已廣為套用。

另外，在此以前，Hagen和Poiseuille曾發表過在細管內流動的粘性流體的平均流速，是和細管半徑的平方及水力梯度成正比。即：

式中， ——平均流速；

——水容重；

——水的粘性係數；

——水力梯度；

R——圓管的半徑。

粒徑分配和滲透係數的關係

如何確定乾料的級配曲線

乾料的級配是指乾料中各級粒徑大小顆粒的分布混合情況，級配好的乾料主要體現在以下幾個方面：較小孔隙率且總比表面積小，有利於減少乾料需水量，有適宜含量的細顆粒以滿足砂漿工作性的要求。

乾料是水泥乳化瀝青砂漿的重要組成部分，乾料的顆粒組成對水泥乳化瀝青砂漿的性能影響很大，乾料顆粒級配曲線的好壞直接影響到水泥乳化瀝青砂漿的成敗。

乾料的組成一般情況下是由不大於1.18mm的砂子、矽酸鹽水泥、膨脹劑和其他惰性物質組成。確定乾料的級配篩子分別有1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm五種規格。水泥乳化瀝青砂漿的強度主要是由矽酸鹽水泥的強度決定的，砂漿的狀態是受這些材料共同作用的影響的。

確定乾料的級配曲線應從以下幾個方面來考慮：

（1）確定乾料中矽酸鹽水泥的品種和比例。從我國的水泥現狀看，一般情況下，P·II矽酸鹽水泥相對於P·I矽酸鹽水泥更常見一些，因此，乾料中採用的水泥一般都用P·II矽酸鹽水泥。當然，採用P·I矽酸鹽水泥會更好，因為P·I矽酸鹽水泥中沒有任何礦物摻合料，對乾料的性質更容易控制一些。而水泥的用量，可以根據乾料的強度來確定，原則上不要採用太多的水泥，否則砂漿的強度會過高，同時也會增加砂漿的彈性模量，這是不利的，也是不經濟的。其二，對不同品種的水泥要進行比選，一般選擇需水量相對小的水泥，需水量小對降低整個砂漿的用水量將產生積極的作用。其三，要進行水泥適應性試驗，只有滿足適應性要求的水泥才能配製出合適的水泥乳化瀝青砂漿。

（2）對乾料級配的確定應通過試驗來選擇。原則上說，小於0.15mm的部分要控制在40%～50%，1.18mm以上的顆粒為零。但僅僅滿足這一點是不夠的，還要對組成級配的其他顆粒粒徑的百分含量進行限制，組成不同的級配曲線。通過試驗室試拌後，找到擴展度最大的那個曲線作為基本的控制曲線。擴展度最大時乾料的需水量也就最小。

（3）找出基本曲線後，還要製作偏離基本曲線一定範圍(一般為0～3%)的偏差曲線，並通過製備水泥乳化瀝青砂漿衡量偏差曲線對砂漿的影響程度，確定曲線級配的偏差範圍。

確定了基本曲線及曲線級配範圍後，就可對乾料及水泥乳化瀝青砂漿的各項指標進行檢測，必須完全符合技術條件的要求。