骨料含量對混凝土拉伸徐變等性能影響的試驗研究

王新杰, 夏 群

(常州大學 土木工程系， 江蘇 常州 213164)

骨料含量對混凝土拉伸徐變等性能影響的試驗研究

王新杰, 夏 群

(常州大學 土木工程系， 江蘇 常州 213164)

通過試驗研究骨料含量對混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度和自收縮的影響，結果表明：混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度在1 d齡期時，受骨料含量的影響較??；骨料含量在55%～70%的范圍內，混凝土3,7,14,28 d齡期時的抗壓強度和劈裂抗拉在隨著骨料含量的增加而逐漸增加，骨料含量在70%增加到75%時，混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度隨著骨料含量的增加而逐漸減??；混凝土的拉伸徐變的變形隨骨料含量的增加而增大；混凝土的自收縮隨著骨料含量的增加而逐漸減小。

骨料含量; 抗壓強度; 劈裂抗拉強度; 自收縮

0 引 言

從宏觀結構來說，混凝土是由砂漿和粗骨料兩種組分組成的結構。因此，混凝土的性質主要由水泥砂漿和骨料的性質以及它們之間的相互作用決定。當水膠比一定時，骨料的種類、體積含量、顆粒粒徑分布、形狀和級配等對混凝土的抗壓強度、抗拉強度等力學性能有決定性作用[1]，目前國內外的大量學者對此進行了研究，但主要集中在研究骨料的種類、形狀和表面特征、粒徑和級配[2-6]，而骨料含量對混凝土力學性能的影響研究不多。因此，有必要研究骨料含量對混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、收縮性能等進行研究，以探討骨料含量對混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、收縮性能以及拉伸徐變性能的影響[7]。

1 試驗設計

1.1試驗原材料

本試驗所用的水泥為江蘇盤固水泥廠生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

砂為普通的河砂，細度模數為3.0，含泥量為1.2%，表觀密度為2 650 kg/m3，顆粒級配良好，其具體篩分析的試驗結果見表1。

表1 石子篩分析試驗結果

石子為南京產5～25 mm碎石，級配良好，含泥量為0.2%，表觀密度為2 700 kg/m3，其顆粒級配見表2。

減水劑是由江蘇博特新材料有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑JM-PCA，該減水劑的減水率達20%以上。

1.2混凝土的配合比

為了研究骨料含量對混凝土性能的影響，根據目前常用的骨料體積含量的范圍，文中設計了5個系列的試配合比，骨料的體積含量分別為75%,70%,65%,60%及55%。另外，為了消除水灰比等其它因素對混凝土性能的影響，在研究骨料含量對混凝土性能的影響時，采用水灰比和砂率保持不變，使水灰比保持為0.4，砂率為0.35，目標塌落度為100 mm，經多次試配后，得到的配合比見表3。

表2 砂篩分析試驗結果

1.3試塊的制作與試驗方法

混凝土力學性能試驗按照GBT50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行制作試件、養護和試驗；混凝土的拉伸徐變試驗裝置是由自主設計的杠桿式拉伸徐變試驗裝置進行加載，拉伸徐變試件和自收縮試件的變形是通過在混凝土中預埋兩個可固定位移計的變形測量架固定位移傳感器，拉伸徐變的變形在加載時用LVDT進行測量，5 min后用機械千分表進行測量，自收縮試件采用機械千分表進行測量。澆筑成型后放在標準養護室進行養護，1 d齡期后拆模，拉伸徐變和自收縮試件立即用鋁箔進行密封，并測量1,3,7,14,28 d后的試件的變形。但在測量混凝土的收縮變形時，為了最大限度地減小混凝土試件下部支撐物體對收縮變形的約束，把混凝土試件放置在5個相互平行的滾軸上。本研究中混凝土拉伸徐變試件的加載齡期為3 d，加載應力為加載時抗拉強度的40%。

2 試驗結果與分析

按照前述標準的試驗方法，在混凝土達到設計的齡期后，進行了混凝土在1，3，7，14 ，28 d齡期時不同骨料含量混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和自收縮試驗。

2.1骨料含量對混凝土抗壓強度的影響

不同骨料含量混凝土的抗壓強度發展隨齡期的變化規律如圖1所示。

表3 混凝土的配合比

圖1 骨料體積含量對混凝土抗壓強度的影響

從圖1可以看出，在1 d齡期時，骨料含量為55%,60%,65%,70%,75%混凝土的抗壓強度分別為10.8,10.6,13.4,12.9 MPa，可見在1 d齡期時，骨料含量對混凝土的抗壓強度的影響較小，甚至出現骨料含量為60%的混凝土早期抗壓強度比骨料含量為55%的增加略有減小的現象。而在3,7,14，28 d齡期時，骨料含量在55%～70%的范圍內，混凝土的抗壓強度隨著骨料含量的增加而增加，但當骨料含量從70%增加到75%時，混凝土抗壓強度隨著骨料含量的增加而減小。

這是由于在混凝土中骨料起著骨架的作用，其強度大于水泥漿體的強度，而在1 d齡期時，由于水泥漿體的強度較低，骨料的剛性骨架作用還沒有完全發揮作用，因此出現混凝土的強度1 d齡期時會隨著骨料含量的增加而略有減小的現象。而在3 d齡期，水泥漿體的強度有了很大的發展，骨料的剛性骨架作用能夠充分體現出來，因此混凝土的抗壓強度會隨著骨料含量的增加而增加。另外，水泥漿體和骨料的界面處的弱粘結面(界面過渡區)會隨著骨料含量逐漸增多，當應力水平達到一定程度時，弱粘結面的裂縫會自發發展。在上述兩個因素共同的作用下使混凝土的強度在骨料含量55%～70%之間隨著骨料含量的增加，骨料含量從70%增加到75%時，隨著骨料含量的增加而減小。

2.2骨料含量對混凝土劈裂抗拉強度的影響

不同骨料含量混凝土的劈裂抗拉隨齡期發展的試驗結果如圖2所示。

圖2 骨料體積含量對混凝土劈裂抗拉強度的影響

從圖2中可以看出，骨料含量對劈裂抗拉強度和混凝土抗壓強度的影響相似。在1 d齡期時，骨料含量對混凝土劈裂抗拉強度的影響較小。在3,7,14，28 d齡期時，骨料含量在55%～70%的范圍內，混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度都隨著骨料含量的增加而增加，但當骨料含量從70%增加到75%時，混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度均隨著骨料含量的增加而減小。這是由于在1 d齡期時，水泥砂漿的強度較低，在進行劈裂抗拉強度時，破壞的斷面主要表現為大量骨料從水泥漿體中拔出，斷面凸凹不平，因此在1 d齡期時，骨料含量對混凝土劈裂抗拉強度影響不大。在3 d齡期以后，骨料含量在55%～70%的范圍內，水泥漿體已有較大的強度，在破壞面上，粗骨料數量隨著骨料含量的增加，粗骨料從基材中拔出而產生的咬合力增大，但當骨料從70%增加到75%時，雖然在破壞的斷面上粗骨料數量增大，但是隨著骨料含量的增加，包裹粗骨料的水泥砂漿層變薄，單個骨料的錨固力減小，因此使混凝土的劈裂抗拉在3 d齡期后在55%～70%范圍內隨著骨料含量的增加而逐漸減小，在70%～75%范圍內隨著骨料含量的增加而減小。

2.3骨料含量對混凝土基本拉伸徐變

到3 d齡期時，根據劈裂抗拉強度的試驗結果進行徐變試件的加載。不同骨料含量混凝土的拉伸徐變的徐變度隨齡期發展的規律如圖3所示。

圖3 骨料體積含量對混凝土基本拉伸徐變的徐變度的影響

從圖3中可以看出，混凝土的徐變度在加載后12 h內發展較快，12 h后發展速度逐漸減慢；混凝土的徐變度隨著骨料含量的增加而明顯增大，當骨料含量從55%增加到75%時，混凝土的徐變度從19.4×10-6MPa增加到29.4×10-6MPa；在骨料含量增加相同的情況下，混凝土的徐變度增加的幅度越來越大，具體表現為，當骨料含量從55%增加到70%時，混凝土的徐變度從19.4×10-6MPa增加到25.5×10-6MPa，僅增加了6.1×10-6MPa；而當骨料從70%增加到75%時，混凝土的基本徐變度從25.5×10-6MPa增加到29.4×10-6MPa，增加了3.9×10-6MPa。

這是由于隨著骨料含量的增加，骨料和水泥漿體之間的接觸面積增加，它們之間的界面過渡區面積也增加，因此容易引入較大的初始裂紋，使混凝土中的初始微裂縫的數量增加，造成界面過渡區微裂縫開裂應力降低。同時，隨著骨料含量增大，混凝土的斷裂強度(韌度)明顯減小 ，這相當于降低了混凝土的初始開裂應力[8]。另外當骨料含量不同時，骨料含量越大，其復合吸水率越小，則混凝土內部自由水含量相對增加，可遷移至微裂縫中水的數量也在增加[9]。因此在上述幾個方面共同作用下使界面過渡區初始微裂縫的開裂應力減小。從微裂縫的觀點來看，混凝土的徐變隨著骨料含量的增加而逐漸增加。

另一方面，隨著骨料含量的增加，單位體積內水化硅酸鈣凝膠體的數目減小，且由于復合吸水率降低，水泥漿體中自由水的含量的增加，使水化硅酸鈣凝膠體之間的距離增加，水泥漿體的孔隙率也逐漸增加，因此，從層間滑移理論來看，混凝土的拉伸徐變隨著骨料含量的增加而逐漸增大。

2.4骨料含量對混凝土自收縮的影響

為了測量混凝土的拉伸徐變的變形，必須扣除相應時間的自由伸縮變形，不同骨料含量混凝土在1～10 d內的自收縮隨齡期發展變化如圖4所示。

圖4 骨料含量對混凝土自收縮的影響

從圖4中可以看出，骨料含量是影響自收縮的一個主要因素，隨著骨料含量的增加，混凝土的自收縮逐漸減小，當骨料含量從60%增加到75%時，1～10 d內的自收縮值從113.75 με減小到65.0 με。一方面是由于混凝土中發生自收縮的主要組分是水泥石，因此骨料含量的增加，也就是減小水泥石的相對含量，因此可以減小混凝土的自收縮，另一方面，骨料對水泥石的限制作用，骨料含量越大，相鄰兩骨料間顆粒的間距越近，水泥石層的厚度就越小，骨料對水泥石收縮的約束作用就越明顯，從而使混凝土的自收縮減小。

3 結 語

1)骨料含量對混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度規律相同，在1 d齡期時，骨料含量對混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響較小，但在3，7，14，28 d齡期時，骨料含量在55%～70%的范圍內，混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度隨著骨料含量的增加而逐漸增加，但當骨料含量從70%增加75%時，混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度隨著骨料含量的增加而減小。

2)混凝土的基本拉伸徐變的徐變度在加載后12 h內發展較快，12 h后發展速度逐漸減慢；混凝土的徐變度隨著骨料含量的增加而明顯增大。

3)在相同的水灰比的情況下，骨料含量越大的混凝土自收縮越小，這說明混凝土的自收縮隨著骨料含量的增加而逐漸減小。

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Experimental study on the influence of aggregate content on the tensile creep and other properties of concrete

WANG Xin-jie, XIA Qun

(Department of Civil Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164， China)

The influences of aggregate content on the compressive strength, splitting tensile strength and autogenously shrinkage are studied in experiments. The results indicate that both compressive and splitting tensile strength change less with aggregate content addition at 1 d (one day) age, but may increase at the age of 3 d,7 d,14 d and 28 d when aggregate content variation is between 55 percent to 70 percent. The compressive and splitting tensile strength may be weaker when the aggregate content increases from 70 percent to 75 percent while the deformation caused by autogenously shrinkage may increase, and the autogenously shrinkage itself may decrease gradually.

aggregate content; compressive strength; splitting tensile strength; autogenous shrinkage.

2014-06-18

常州大學校基金資助項目(ZMF1002122)

王新杰(1978-)，男，漢族，安徽淮北人，常州大學講師,博士，主要從事混凝土結構的基本性能和耐久性方向研究,E-mail:xiaqun@cczu.edu.cn.

TU 52

A

1674-1374(2014)05-0562-05