含針片狀粗集料的堆砌性能及對混凝土的影響

孫南屏，祁玲

（廣東工業大學，廣東 廣州510090）

1 引言

《建筑用卵石、碎石》GB/T14685-2001規定的粗集料中針片狀顆粒含量如下：

表1 粗集料中針片狀顆粒含量

經作者實測，粒徑在40㎜以下的普通機制碎石中針片狀顆粒含量大多在15 %～40%范圍，針片狀顆粒在粒徑小的集料中的含量相對高些，超出表1范圍的集料非常多。目前集料資源日益匱乏，充分認識針片狀顆粒對集料和混凝土性能的影響，從而按材使用，具有顯著的經濟和社會效益。

2 雙組分體系的理論堆砌問題

堆砌理論[1，2]是描述復合材料增強體或填料之間以何種方式堆砌以及堆砌緊密程度的理論。以有多少種粒徑的顆粒參加堆砌來分堆砌體系，可分為單組分體系（單一粒徑顆粒參加堆砌），雙組分體系（兩種粒徑顆粒參加堆砌），多組分體系（多于兩種粒徑顆粒參加堆砌）。用參加堆砌顆粒的形狀來描述，堆砌體系主要有雙球堆砌體系、纖維堆砌體系以及球-纖維堆砌體系等。

理論密堆砌度λ是描述堆砌體系狀態的主要參數，定義為堆砌體系中固體顆粒體積（真實體積）占體系總體積（表觀體積）的百分率。λ反映了顆粒堆砌的緊密程度。λ表達式為:

式中 vs—— 顆粒的真實體積；

vb—— 顆粒的表觀體積。

單一粒徑球體理論密堆砌度為62.5%[2]。

雙組分體系的堆砌狀況一般用如圖1、圖2所示的理論堆砌曲線描述。曲線的橫坐標代表堆砌體系的顆粒組成，縱坐標代表相對表觀密度，定義相對表觀體積為體系的表觀體積與真實體積的比值，也即λ的倒數。

2.1 雙球堆砌體系的理論堆砌曲線[2]

兩種粒徑球體的理論堆砌曲線見圖1。圖中參數及線段的含義：

R—— 大球直徑與小球直徑之比；

C—— 實驗測定的大球理論密堆砌體積；M—— 實驗測定的小球理論密堆砌體積；

X，Y—— 大球和小球的體積分數，總體積為1。

橫坐標（水平軸）代表體系中大、小球混合物的組成。

CA—— 小球加到大球中的濃縮曲線，曲線方程為V=Cx。

MB——大球加到小球中的濃縮曲線，曲線方程為V=x+My。

縱坐標代表相對表觀體積（λ的倒數）。相對表觀體積理論值在1.0～1.6范圍，當體系固體物料的理論密堆砌度為1時，體系堆砌最緊密，無空隙，相對表觀體積為1；當體系固體物料達單一粒徑球體理論密堆砌度即62.5%，體系堆砌最松散，此時的相對表觀體積為1.6。相對表觀體積和理論密堆砌度互為倒數。相對表觀體積越接近1，顆粒堆砌的緊密程度越高。

圖1中的實線表示大小球粒徑比R為無窮大時的理論堆砌曲線。當大、小球的直徑比為無窮大時，堆砌曲線為兩條直線。

圖1 雙球堆砌體系的理論堆砌曲線

從圖1看出：

1)不同粒徑的球體摻配可以提高體系的堆砌度，R越大，體系的堆砌度越大；

2)小球加到大球中將較快達到最大密堆砌狀態。

2.2 球-纖維體系的理論堆砌曲線[2]

球-纖維的理論堆砌曲線見圖2。

圖2中參數及線段的含義：

R—— 球直徑除以纖維的直徑。

S—— 表示50%實體+50%空隙時球的堆砌，相對整體體積等于2.0。

F—— 表示25%實體+75%空隙時纖維的堆砌，相對整體體積等于4.0。

x，y—— 球體和纖維的體積分數，x+y=1。

SE—— 較小直徑的纖維加入到較大直徑的球中填充空隙時的濃縮曲線，直線方程為V=Sx。

FC—— 大直徑的球取代小直徑的纖維以及與之相關聯的空隙時的濃縮曲線，該直線方程為V=x+Fy。

A—— SE和FC的交點，R值無窮大時，纖維填充球間隙的最大理論密堆砌度。

FD—— 較小直徑的球填入到較大直徑的纖維之間空隙時的濃縮曲線，直線方程為V=Fy。

SH—— 用粗纖維取代小球及其相關聯的空隙時的濃縮曲線，直線方程為V=y+Sx。

B—— FD和SH的交點，為R=0時的最大理論堆砌密度。從圖2看出：

1) 球-纖維的混合可以提高體系的堆砌度。球-纖維堆砌體系中出現了點A、B兩個最大理論密堆砌度，兩者所對應的球-纖維的組成比例不同，但相對表觀體積相同。

2) 纖維加到球中將較快達到最大密堆砌狀態。

3) 比較圖1、圖2，盡管雙組分體系的顆粒形狀不同，但理論堆砌規律相似。

圖2 球-纖維體系的理論堆砌曲線

3 針片狀顆粒對集料堆砌的影響

針片狀顆粒與非針片狀顆粒的組合實際上是一種雙組分體系的堆砌問題，應該具有上述雙組分體系的堆砌規律。

3.1 材料準備

將5～40㎜集料中針片狀顆粒手工撿出，然后按質量百分比與非針片狀顆粒摻配成針片狀顆粒含量分別為0%、15%、30%、45%、60%、100%的混合粗集料備用。

3.2 針片狀顆粒含量與粗集料振實表觀密度的關系

針片集料含量與粗集料振實表觀密度的關系見圖3。圖3所示的堆砌規律與圖1、2相似。

圖3 針片集料含量（%）與粗集料振實表觀密度的關系

4 針片狀顆粒對混凝土性能的影響

4.1 針片狀顆粒對混凝土流動性的影響

采用單位質量石子標準稠度需水量（以下稱A）來研究，試驗方法如下：

1）做水泥標準稠度需水量試驗，得W/C。以此W/C拌制水泥漿，測其展開度值，得標準稠度水泥漿的展開度；

2）將水泥、砂以1∶2配比拌合，不斷調整水灰比，使砂漿的展開度與（1）中水泥漿的展開度相等，得此時的（W/C）s；

3）以（W/C）s拌和1∶2砂漿，測此砂漿的VB稠度值；

4） 將水泥、砂、石以1∶2∶3.5 [用料量2500∶5000∶8750（g）]配合比拌合，不斷調整水灰比，使其VB值與3）中砂漿的VB值相等，得此時的（W/C）h。

單位質量石子標準稠度需水量:

設B為粗集料中針片狀顆粒的含量，測定B分別為0%、15%、30%、45%、60%、100%時的A值，研究結果見圖4。

圖4 針片集料含量（B）與需水量（A）的關系

由圖4見，B在30%以內，A小幅減少；B＞30%以后，A迅速增大。B為100%時的A約為B在30%以內A值的兩倍。比較圖4和圖3，兩圖的變化規律相似。

4.2 針片狀集料含量對混凝土成型密實性和強度的影響

研究用32.5礦渣水泥(GB175—2007)，配合比為水泥∶砂∶石=1∶1.55∶3.01，W/C＝0.45，水泥用量為400kg/m3。B分別為0%、15%、30%、45%、60%、100%時混凝土的振實表觀密度和100mm×100mm×300mm試件28d抗壓強度見圖5、6。

5 分析與結論

5.1 分析

對比圖3與圖1、圖2，針片狀顆粒與非針片狀顆粒的組合符合雙組分體系的堆砌規律，與球-纖維體系的理論堆砌規律尤為接近。

與純纖維一樣，100%針片狀顆粒的堆砌度很低。適量針片狀顆粒加入非針片狀顆粒中有明顯的提高堆砌度的作用 （圖3）。

針片狀顆粒含量對堆砌度（圖3）、標準稠度需水量（圖4）和混凝土的振實表觀密度（圖5）的影響規律相似。堆砌度高時標準稠度需水量小，混凝土的振實表觀密度也大。

針片狀顆粒含量超過30%以后混凝土混合料的流動性明顯變差（圖4），混凝土成型時的密實性即振實表觀密度大大下降（圖5）。針片狀顆粒含量為100%時混凝土與針片狀顆粒含量為30%時混凝土的表觀密度比為 94.15%，5.85%的變化應主要是孔隙率增大。密實度下降、孔隙率增大也使混凝土強度下降（圖6）。可以推論，混凝土的耐久性也隨之下降。

圖5 針片集料含量與混凝土振實表觀密度的關系

圖6 針片集料含量與混凝土抗壓強度的關系

實測10～15㎜粒徑針片狀顆粒760粒/kg，非針片狀顆粒590粒/kg；15～20㎜粒徑針片狀顆粒372粒/kg，非針片狀顆粒270粒/kg。加入針片狀顆粒會使集料間接觸點增多，體系穩定性提高。圖4現象說明，針片狀顆粒堆砌時有很大的機械咬合力，針片狀顆粒超過30%以后集料堆砌結構迅速增強，混凝土的振動液化效果迅速變差。

5.2 結論

1）針片狀顆粒與非針片狀顆粒的組合符合雙組分體系,尤其是球-纖維體系的堆砌規律。適量摻入針片狀顆粒，可增大體系的堆砌度。

2）針片狀顆粒堆砌時有很大的機械咬合力。機械咬合力會影響混凝土的密實成型，進而影響混凝土的其他性能。

3）從研究結果看，普通混凝土中，增加集料中針片狀顆粒的含量至30%不會對混凝土性能有不良影響；在克服成型密實時增大的機械咬合力的前提下，使用針片狀顆粒含量30%～40%的粗集料也不會對混凝土性能有明顯的影響。

由于集料粒形極其不規則，即使依照標準從集料中逐粒挑選針片狀顆粒，結果仍會因人而異。因此，有關針片集料含量的精確數據規定實際操作起來會有偏差。

[1]曾凡，胡永平.礦物加工顆粒學[M].徐州:中國礦業大學出版社，2001.

[2]孫可偉，李如燕.廢棄物復合成材技術[M].北京:化學工業出版社，2006.

[3]JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準[S].

[4]GB/T14685—2001建筑用卵石、碎石[S].

[5]孫南平，祁玲. 針片狀集料對水泥混凝土若干性能的影響[J]. 廣西工學院學報,1994(1):16-21.

[6]布然諾夫 (蘇).混凝土工藝學 [M].北京:中國建筑工業出版社, 1985.