淺析粗骨料對混凝土性能的影響

楊 毅 呂 娜

(1.遼寧鑫圣達建筑材料有限公司 2.遼寧鑫圣達建筑材料有限公司)

引言

由于混凝土組份材料中的水泥與骨料的化學成分和力學性能(包括強度、彈性模量、收縮等)有較大的差異，因此對混凝土性能的影響也不同。如何使構成混凝土的各種材料有序地結合，形成理想、穩定的水泥石結構復合材料，這在混凝土應用領域逐漸引起重視。混凝土中粗骨料的用量占混凝土用量的70%～80%左右，在通常的混凝土研究中，骨料級配調整往往被忽視。在混凝土骨料級配對混凝土強度的影響方面，普遍認為優良的骨料級配可以配制出強度較高、工作性較好的混凝土。本文通過將不同級配粗骨料進行若干組搭配拌制混凝土，研究其組合變化規律，測試其性能及抗壓強度，評估出強度變化與骨料級配變化的相關性。

1、骨料級配對混凝土坍落度的影響

只改變粗骨料級配的變化，研究在粗骨料級配變化的情況下混凝土坍落度值的變化，檢測結果如表1所示。

表1 混凝上坍落度值

由表 6可得，當采用單一粒徑粗骨料時，混凝土的坍落度值隨粗骨料粒徑增大而增加；并可明顯看出在9.5 -16.Omm及19-26.5mm粒徑區間時，坍落度值增加明顯。使用連續級配的粗骨料時，隨著粒徑種類的增多，坍落度增大，并在相同粒徑范圍內隨著大粒徑的增多，坍落度值也相應增大，但增加幅度不大。在使用非連續級配時，隨著粒徑的增大，坍落度增大，增加幅度明顯。這說明由于小粒徑骨料相對比表而積較大，所需用水量也較多，在相等用水量、水泥用量、細集料條件下，相對于大粒徑骨料，坍落度會減小，流動性降低。

2、粗骨料對混凝土強度的影響

當粗骨料最大粒徑大于40 mm時，若采用減少用水量的方法增加混凝土的強度，則可能會因骨料與水泥砂漿的粘結面減少和骨料分布的不均勻，導致混凝土內部骨架的結構不連續而產生不利影響。對于富水泥用量(水泥用量大于350 kg/m3)的混凝土，這種情況更為突出。因此，可以認為，粗骨料的最大粒徑與混凝土的水泥用量有密切關系。

根據實驗測量統計數據表明，粗骨料最大粒徑與混凝土抗壓強度的關系曲線，存在粗骨料最大粒徑臨界點，粗骨料最大粒徑大于此臨界點時，混凝土的強度反而會下降。有關學者對此現象解釋為:由于粗骨料粒徑的增大，削弱了粗骨料與水泥砂漿的粘結面積并造成了混凝土內部結構的不連續性。

實驗證明，在非勻質的混凝土中粗骨料與水泥砂漿的界面粘結是混凝土強度的最薄弱環節，由于干縮在混凝土中產生的拉應力和剪應力，一般是隨著粗骨料粒徑的增大而增大。當拉應力或剪應力超過了水泥和粗骨料的界面粘結強度，則將產生微細裂縫，持續受荷時這些產生于水泥砂漿與骨料結合面的微細裂縫逐步發展到水泥砂漿，最終導致結構破壞。試驗研究資料中通過大量的卵石混凝土試驗，分別采用了礦渣硅酸鹽水泥、油井水泥和中砂、特細砂配制混凝土，均取得了混凝土的抗壓強度隨著骨料最大粒徑的減小而提高的效果。把這種現象稱之為“粗骨料的粒徑效應”。試驗結果還反映，無論采用標準養護或水中養護，摻加混凝土減水劑與否，從R7到R365不同齡期均有明顯的粒徑效應。對于在工程結構上具有實用意義的混凝土棱柱體強度，具有更好的粒徑效應。在碎石混凝土的試驗中，由于碎石的表面特征與卵石不同，且含有一定量的片狀顆粒等原因，在立方體試件上雖未明顯反映出與卵石混凝土相同的規律，但其在混凝土棱柱體強度與立方體強度的比值方面仍然反映出明顯的粒徑效應(見表2)。

表2 粒徑效應

可以看出，無論是資料值還是規范值，棱柱體強度與立方體強度的比值，都是隨著骨料粒徑的減小而提高。另一個試驗研究資料通過實驗結果和理論研究指出，骨料粒徑愈大，界面就愈易開裂。在一定外荷載的作用下，界面裂縫首先在較大粒徑的粗骨料處產生，而粒徑較小的粗骨料在此時并未產生界面裂縫。隨著外荷載的增加，界面裂縫才開始在較小粒徑的粗骨料處出現。但是直到破壞荷載時，仍有相當一部分的大粒徑的粗骨料的界面并未開裂。粗骨料的粒徑效應不僅反映在混凝土的抗壓強度上，在混凝土的抗拉強度上也有明顯的粒徑效應。通過濕篩前后混凝土抗拉強度的對比，在扣除了試件的尺寸因素的水泥砂漿含量的影響外，已經獲得了粗骨料最大粒徑為40 mm～150 mm的混凝土抗拉強度的粒徑效應系數。無粗骨料“粗砂混凝土”的研究、開發和應用，實際上是在鋼絲網水泥結構上采用了高強度、結構用的水泥砂漿。以強度相近的混凝土與水泥砂漿相比，還可以發現:1)水泥砂漿強度的拉壓比高于混凝土；2）水泥砂漿的抗疲勞性能高于混凝土；3)水泥砂漿在長期荷載作用下的持久強度高于混凝土。這也屬于粒徑效應在混凝土性能上的反映。可以認為，骨料粒徑的大小反映了骨料對混凝土收縮的限制能力不同，在混凝土內部產生的收縮應力也不同。粒徑小的骨料在混凝土中形成的內應力較小，相應地減少了混凝土材料內部結構中的微裂縫，從而使混凝土具有較好的力學性能。此外骨料粒徑小的混凝土也具有較好的勻質性，其離散系數也較骨料粒徑大的混凝土小。

此外,粗骨料不僅對混凝土強度產生重大影響,而且對混凝土的彈性模量也起到舉足輕重的影響。一般情況下,對混凝土大多只考慮粗骨料的石材強度,而忽略了石材的彈性模量。石材的彈性模量(花崗巖為5×105～7×105、石灰石為4×105～5×105),均高于水泥砂漿的彈性模量。由于混凝土是一種多組份的復合材料,如果縮小粗骨料與水泥砂漿二者彈性模量的差值,就能減小混凝土中由于混凝土收縮而引起的內應力,從而改善或提高混凝土的力學性能(如:混凝土的棱柱體強度與立方體強度的比值、抗疲勞性能等),提高了混凝土的耐久性。

3、結 語

粗骨料的剛性骨架增加混凝土強度的同時改變了混凝土的變形能力，對于混凝土的裂縫具有阻擋作用，混凝土在建筑工程中的應用的已經很廣泛，作為混凝土材料的粗骨料對于混凝土的強度有著重要的影響，因此，深入的研究混凝土材料的性能，使其更好的提升混凝土的性能，提升建筑工程質量。

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