粗骨料形狀系數(shù)對自密實混凝土性能的影響

鄭灼知，劉曉鈺

（1. 成都七中嘉祥外國語學(xué)校，四川 成都 610000；2. 中建商品混凝土（成都）有限公司，四川 成都 610000）

粗骨料形狀系數(shù)對自密實混凝土性能的影響

鄭灼知1，劉曉鈺2

（1. 成都七中嘉祥外國語學(xué)校，四川 成都 610000；2. 中建商品混凝土（成都）有限公司，四川 成都 610000）

在自密實混凝土中，粗骨料對自密實混凝土性能具有較大影響。本文通過研究粗骨料形狀系數(shù)對自密實混凝土性能的影響，提出了評價粗骨料形狀系數(shù)的方法，并測試了使用不同形狀系數(shù)的粗骨料，其自密實混凝土的工作性能以及力學(xué)性能，包括坍落度、擴(kuò)展度、V 型槽時間和強(qiáng)度等。

自密實混凝土；粗骨料；形狀系數(shù)

粗骨料是混凝土的主要組成部分之一，特別是在自密實混凝土中，粗骨料的種類、強(qiáng)度、體積率、最大粒徑、形狀系數(shù)以及級配都將導(dǎo)致自密實混凝土的不同性能[1]。而且，自密實混凝土有著良好的流動性和密實性，對粗骨料的要求就會更高，根據(jù)《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的要求[2]，粗骨料宜采用連續(xù)級配或兩個單粒級配的石子，最大粒徑不宜大于 20mm；石子的含泥量、泥塊含量及針片狀顆粒含量宜符合要求；石子的空隙率宜小于 40%[3]。

混凝土的一般組成可以分為固相和液相，液相也就是水泥漿，固相就是粗骨料。一般都是水泥漿帶動粗骨料流動，而自密實混凝土要求有比較好的流動性，可見自密實混凝土中，粗骨料對流動性的影響很大[4]。對于骨料種類、級配、針片狀顆粒等指標(biāo)均相同的粗骨料而言，可以用石頭顆粒的形狀系數(shù)來評價骨料對自密實混凝流動性的影響，而在一些研究中，形狀系數(shù)的不同會影響自密實混凝土拌合物的塑性粘度和屈服應(yīng)力[5]。可見，研究粗骨料形狀系數(shù)對自密實混凝土性能的影響是非常有必要的。

1 試驗內(nèi)容

1.1 粗骨料形狀系數(shù)確定

粗骨料長、寬、高分別為 L、B、T，等軸率 k=B/L，薄片率 λ=T/B，粗骨料等軸率和薄片率分別反映其粒形呈針片狀的程度[6]。粗骨料等軸率和薄片率越大，粗骨料中針、片狀顆粒的比例越高，其總體表面積和空隙率也會越大，從而使粗骨料的壓碎值增大，不利于粗骨料骨架的形成，進(jìn)而會影響混凝土的流動性和最終的強(qiáng)度[7]。

本試驗采用 Heywoodde的建議[8]，令粗骨料形狀系數(shù)m=B/T、n=L/B （L≥B≥T），即 m=1/λ、n=1/k。Mora[9]等認(rèn)為：相同來源、相同產(chǎn)地的粗骨料應(yīng)該多多少少具有相同的粒形特征，這樣就可以根據(jù)粗骨料顆粒寬度（B）來計算其平均厚度（T）：

這樣粗骨料顆粒體積 V 可用式 (2) 計算：

式中，A 為粗骨料顆粒投影面積。將每一顆粗骨料顆粒的體積加起來，再乘以粗骨料的密度 ρ，即可得到粗骨料的總質(zhì)量 M：

式中：N為粗骨料顆粒總數(shù)。根據(jù)式（3）可以得到 λ 倒數(shù)的計算式，為：

將實測的粗骨料質(zhì)量和密度，以及用 IPP 軟件（全稱Image-Pro Plus，是由美國 Media Cybernetics 公司開發(fā)的一種功能強(qiáng)大的 2D 和 3D 圖像處理、增強(qiáng)和分析軟件，具有異常豐富的測量和定制功能，是世界最頂級的圖像分析軟件包，被廣泛應(yīng)用于質(zhì)量控制、材料成像及其它的多項科研、醫(yī)學(xué)與工業(yè)用途）分析得到的粗骨料顆粒的寬度和投影面積 A 代入 (4) 中，即可計算得到粗骨料的 m 值[10]。

n 值由 IPP 軟件分析得到的粗骨料長度和寬度直接計算得出。

1.2 試驗配比

將所選碎石分成 A1、A2、A3 三組，各組中碎石級配相同，如表 1 所示。人為調(diào)整各試驗組中針片狀碎石的含量，使 A1 均是球型碎石，A2 球型和針片狀各一半，A3 均是針片狀碎石。

表1　碎石級配

根據(jù)前期試配與優(yōu)化結(jié)果，以 C50 強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，所選自密實混凝土配合比如表 2 所示。

表2　自密實混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 粗骨料形狀系數(shù)

應(yīng)用 Image-ProPlus 6 對所拍石子進(jìn)行圖像處理，背景選用白紙避免顏色干擾，拍攝時白紙底部放置刻度尺作為標(biāo)尺，所拍圖像如圖1 所示，計算所得粗骨料形狀系數(shù)如表 3。

圖1　碎石形狀輪廓

表3　粗骨料形狀輪廓系數(shù)

2.2 自密實混凝土工作性能測試

根據(jù)自密實混凝土配比分別配制混凝土，對配制的 3 組自密實混凝土分別進(jìn)行工作性能，測試結(jié)果見表 4。

表4　自密實混凝土工作性能測試結(jié)果

從上面的試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著粗骨料的針、片狀含量越多，即隨著 m 和 n 值的增大，自密實混凝土的工作性能越差。這是因為粗骨料針、片狀結(jié)構(gòu)在混凝土拌合物流動中一般會呈平置狀態(tài)，砂漿體對垂直于流向的顆粒表面的推動力是顆粒流動的主要動力[11-12]，當(dāng)粗骨料顆粒中針、片狀的含量較多時，空隙率和比表面積會增大，與砂漿體接觸面增加，使得表面吸水量增加，摩擦阻力增加，這會導(dǎo)致混凝土和易性降低；一定量的砂漿體填充到顆粒間的空隙中去，剩余的漿體數(shù)量減少，導(dǎo)致混凝土拌合物內(nèi)部起潤滑作用砂漿層厚度減少，而在砂漿的性質(zhì)固定時，自密實混凝土的工作性能就由這層膜的厚度決定，砂漿層厚度的減少，會使混凝土在整體運動中阻力增加，功能性能降低，導(dǎo)致出現(xiàn) V 型槽流出緩慢，離析現(xiàn)象；而相反的，形狀規(guī)則的粗骨料在混凝土流動中受力均勻，能保證較好的整體性，提高自密實混凝土的工作性能。

2.3 自密實混凝土力學(xué)性能測試

選用 100mm×100mm×100mm 的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊模具，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)得到的強(qiáng)度結(jié)果見表 5。

表5　自密實混凝土力學(xué)性能測試結(jié)果

分析上面的強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以看出，試配以 C50 強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，在 A1、A2、A3 組中，隨著粗骨料中針片狀含量的增加，強(qiáng)度在逐漸減小，當(dāng)石頭組成均為針片狀時，強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)不到實際施工的要求，因為針片狀碎石堅韌性較一般的石頭差，其壓碎指標(biāo)值隨著針片狀含量的增加而增大，從而造成自密實混凝土強(qiáng)度值的降低[13-14]。

3 結(jié)語

（1）本試驗通過調(diào)整粗骨料 m、n 的值，使 m、n 越接近 1，粗骨料越接近球形，測試自密實混凝土的工作性能，試驗結(jié)果表明隨著粗骨料中針片狀含量的增加，即 m、n 值越大，工作性能越差，在做 V 型箱試驗中出現(xiàn)流出緩慢，離析的現(xiàn)象。

（2）在對拌合物進(jìn)行工作性能測試后，對其進(jìn)行力學(xué)性能測試，強(qiáng)度測試結(jié)果表明隨著 m、n 值的增加，自密實混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度逐漸減小，在全針片狀的試驗組還出現(xiàn)強(qiáng)度不能滿足要求的情況。

[1] 黃曉峰．粗骨料形狀對混凝土物理和力學(xué)性能的影響[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2010．

[2] JGJ/T 283—2012．自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S]．

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[4] 熊恩．不同骨料新拌自密實混凝土流變性能測試和數(shù)值分析[D]．南華大學(xué)，2011．

[5] 陳怡，金小群，施建彬，等．粗骨料對自密實混凝土性能的影響[J]．浙江樹人大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013,3:007．

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[12] 陳春珍．自密實混凝土性能及工程應(yīng)用研究[D]．北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010．

[13] 張寧．自密實混凝土的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展方向討論[J]．廣東建材，2015,11:13-15．

[14] 袁潤章．膠凝材料[M]．武漢理工大學(xué)出版社，1996．

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鄭灼知，目前就讀于成都七中嘉祥外國語學(xué)校，2016 年暑期在中建商品混凝土（成都）有限公司參與科研實踐工作。