粗骨料種類對高強混凝土工作性和力學性能的影響

詹偉，楊林，苗苗

（1四川公路橋梁建設集團有限公司，四川成都 610041；2重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400045）

粗骨料種類對高強混凝土工作性和力學性能的影響

詹偉1，楊林1，苗苗2

（1四川公路橋梁建設集團有限公司，四川成都 610041；2重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400045）

該文選用同級配的石灰石碎石、卵碎石和玄武巖碎石3種粗骨料，研究粗骨料種類對高強混凝土工作性和力學性能的影響。通過對高強混凝土的塌落度、擴展度、抗壓強度、彈性模量等指標的測試和分析，結果表明：玄武巖組新拌混凝土的工作性稍遜于石灰石組和卵碎石組，卵碎石組最好。對于石灰石組和玄武巖組，由于骨料表面吸水導致玄武巖組早期混凝土強度較石灰石組偏低，而后期因為玄武巖強度高而使得其配制的混凝土28d強度提高。卵碎石粒形在強度上的劣勢導致其28d強度最低。三種粗骨料中，骨料彈性模量越高，同等條件下配制的混凝土彈性模量也越大，但混凝土彈性模量要遠小于骨料彈性模量值，且混凝土彈性模量的增幅遠遠小于相應粗骨料的增幅。

粗骨料；高強混凝土；力學性能；彈性模量；玄武巖組新拌混凝土

0 引言

混凝土作為一種多相復合材料體系，組成和結構的不同對其宏觀力學性能影響顯著。粗骨料是混凝土的主要組分，占混凝土總體積的50%～70%，在混凝土中能起到骨架支撐和抵抗變形的作用[1]。

在普通混凝土中，因為砂漿和粗骨料之間界面過渡區是最薄弱環節，往往不關注骨料的影響。而在高強混凝土中，隨著水泥砂漿強度的提高以及界面性能的大幅度改善，其強度提高的瓶頸歸結于所使用的粗骨料[2]。若是僅依靠膠凝材料用量的增加、水膠比的減小而忽略骨料強度的提高來期望改善混凝土抗壓強度等性能并不會得到很好的效果。骨料的性能對高強混凝土的抗壓強度以及彈性模量有著決定性的作用[3-4]。

我國有多項標準規定，配制混凝土時粗骨料強度宜比對應的混凝土設計強度要高一些，具體高多少不同的規范有著不同的規定[5]?！镀胀ɑ炷劣蒙?、石質量及檢驗方法標準》JGJ 52-2006[6]中規定“巖石的立方體抗壓強度宜比新配制的混凝土強度高20%”；《高強混凝土結構技術規程》CECS 104：99[7]中規定 “集料母體巖石的立方體抗壓強度應比所配制的混凝土強度高20%以上”；《混凝土質量控制標準》GB 50164-2011[8]中規定了 “高強度混凝土所用粗骨料的母巖單軸抗壓強度至少應比混凝土設計強度高出30%”；《高強混凝土應用技術規程》JGJ/T 281-2012[9]同樣規定“巖石抗壓強度應比混凝土強度等級標準值高30%”。而 《公路橋涵施工技術規范》JTG/T F50-2011[10]規定“火成巖＞80MPa；變質巖＞60MPa；水成巖＞30MPa；巖石的抗壓強度與混凝土強度等級之比不應小于1.5倍”。對于高強混凝土，若都折算成骨料巖石立方體抗壓強度和混凝土強度的比值，應為1.13～1.30，即配制C80混凝土需要骨料巖石立方體抗壓強度至少應達到104～120MPa，要滿足這一條件有時是不現實的。那么不同粗骨料對混凝土強度究竟有多大程度的影響？

本文選取巖石立方體抗壓強度不同的石灰石碎石、卵碎石、玄武巖碎石三種粗骨料，通過測定混凝土拌合物的坍落度、擴展度、抗壓強度、彈性模量，研究粗骨料種類對高強混凝土工作性和力學性能的影響。

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料

實驗用水泥為華潤水泥有限公司生產的P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥的基本性能見表1；礦粉為重慶鋼鐵有限公司生產的磨細水淬高爐礦渣，比表面積410m2/kg，流動度比為98%，7d活性指數65%，28d活性指數93%；硅灰為貴州鐵合金廠生產，比表面積約為20000m2/kg。

表1 水泥的基本物理力學性能

實驗選用3種粗骨料：（1）遵義市習水縣馬臨料場產的石灰石碎石按照小石（5～10mm）∶大石（10～20mm）=4∶6摻配；（2）重慶長江卵碎石經過篩分人工混合后保證其級配與石灰石近似相同；（3）四川廣安產的玄武巖碎石經過機械破碎篩分人工混合后保證其級配與石灰石近似相同，為避免泥粉干擾，實驗所用粗骨料均進行清洗、干燥后備用。3種粗骨料的宏觀性能見表2。

表2 不同種類粗骨料宏觀性能

細骨料為遵義市習水縣馬臨料場產機制砂，細度模數2.9，表觀密度2600kg/m3，石粉含量5.8%；重慶迪翔建材DXPC-1緩凝型聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%，含氣量為3.0%，7d和28d抗壓強度比分別為168%和151%。

1.2 實驗配合比

該實驗以石灰石碎石為粗骨料配制基準組C0，而后分別用同樣級配的卵碎石和玄武巖替代石灰石碎石作為粗骨料配制混凝土，分別記為C1組和C2組。實驗配合比詳見表3。

表3 不同粗骨料種類實驗配合比

1.3 實驗方法

1.3.1 新拌混凝土工作性測試

按照 《自密實混凝土應用技術規程》JGJ/T 283-2012測試高強混凝土拌合物的坍落度和擴展度，以比較其工作性。

1.3.2 混凝土力學性能測試

混凝土試件的制備、養護及測試按照《普通混凝土力學性能試驗方法》GB/T 50081-2002的要求，測定標準條件養護下各組混凝土3d、7d、28d的抗壓強度和彈性模量。

2 結果及分析

2.1 粗骨料對高強高性能混凝土工作性的影響

表4 不同粗骨料種類混凝土的工作性能

混凝土拌合完成后測定其塌落度、擴展度和倒筒時間，用于表征其流動性，并觀察其粘聚性和保水性。不同粗骨料種類混凝土的工作性試驗結果見表4。

圖1不同種類粗骨料的表面織構圖

圖1 為SEM下不同種類粗骨料的表面織構圖象，從圖1（a）明顯可以看到玄武巖的表面呈斑狀結構且有微裂紋的存在，玄武巖雖然母巖強度高，但其硬度高，脆性大，在破碎過程中容易在骨料內部產生微裂紋，在混凝土受荷載時易成為混凝土裂紋發展的源頭。玄武巖極易形成氣孔構造和杏仁構造，但在圖1（a）中不明顯。 比較圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）和圖1（d）可以看出，玄武巖表面有典型的解理面，使其部分表面較石灰巖表面以及卵石的破碎面更平整，而表2中測得的其飽和吸水率較大，這可能是因為氣孔構造和微裂縫的存在導致的。另外，卵石的破碎面比卵石的非破碎面要粗糙得多，且比石灰石碎石表面更粗糙，說明破碎卵石兼有人工碎石和卵石的雙重特點，其表面形貌對混凝土的各項性能的影響較為復雜。

表4中數據可以看出，流動度最大的是卵碎石C1組，其次是石灰石C0組，最小的是玄武巖配制的混凝土。工作性主要取決于粗骨料的粒形和表面織構，結合圖1分析，因為玄武巖因其表面織構導致吸水率大，流動過程中能起到潤滑作用的自由水減少，其塌落度、擴展度指標稍小，流動速度最慢，工作性最差。卵碎石雖然表面織構作用不明顯，但因為粒形優勢明顯，有利于流動，所以流動度最好。石灰石雖然表面較平整，但其粒形多棱角，所以工作性居中。

圖2 不同種類粗骨料高強混凝土抗壓實驗的破壞斷面

2.2 粗骨料對高強混凝土的力學性能的影響

混凝土試件拌合成型1d后拆模，置于標準養護條件下養護至3d、7d和28d齡期， 測試其3d、7d、28d抗壓強度和28d彈性模量，結果見表5。收的水分會再次釋放出來，這部分影響逐漸被抵消。且玄武巖強度較高，所以7d、28d抗壓強度均為玄武巖組高于石灰石組和卵碎石組，因為卵碎石部分表面光滑，其和基體的粘結弱于多棱角的石灰石，所以7d、28d強度卵碎石組略低于石灰石組。

表5 不同粗骨料種類混凝土的抗壓強度和彈性模量

對于彈性模量，三組混凝土差別不大，以玄武巖C2組作為基準組，則C0組和C1組較C2組僅相差3%和2%。且C0、C1、C2組混凝土彈性模量 分別為4.77×104MPa、4.84×104MPa和4.94×104MPa， 比 相 應 粗 骨 料5.48×104MPa、5.49×104MPa和6.25×104MPa低得多，僅為對應骨料彈性模量的87%、88%和79%。隨著骨料彈性模量越大，配制出的混凝土彈性模量也越大，即玄武巖組大于石灰巖組，但且混凝土彈性模量的增幅遠遠小于相應粗骨料的增幅。

圖2為混凝土破壞斷面，從破壞斷面可以看到這三種粗骨料配制的混凝土的破壞形式主要是穿骨料破壞，并且觀察到抗壓破壞時均為爆裂破壞，究其原因可能是通過降低水膠比和摻加活性摻合料，高強混凝土的界面過渡區得到了很好的改善，混凝土受壓時，粗骨料與砂漿基體間彈性模量的差異使得基體相變形，并由界面過渡區傳遞到粗骨料，粗骨料產生彈性應變能，當彈性應變能達到一定時，突然的釋放出來使得裂縫驟然擴展，混凝土的外在表現即為爆裂性穿骨料破壞。由此可見高強混凝土中粗骨料的薄弱性，配制高強混凝土應首先考慮強度較高的粗骨料。

高強混凝土強度發展可以粗略分為兩個階段：早期因為基體相的強度遠低于骨料相，所以混凝土總體強度主要取決于水泥漿體水化速率；而后期當基體水化基本完成強度穩定后，混凝土總體強度取決于基體相和骨料相的匹配協調程度[11-12]。

從表5中可以看出，對于3d抗壓強度，是玄武巖組小于石灰石組，小于卵碎石組，這可能是因為玄武巖的飽和吸水率較其他兩組大，粗骨料表面吸收了部分水分，導致漿體中的水膠比降低，水化速率減慢，表現為早期強度小幅降低。同理，石灰石組的3d強度略小于卵碎石組，但隨著水化進行，骨料表面吸

3 結論

本文以高強混凝土為研究對象，研究不同粗骨料種類（石灰石、卵碎石和玄武巖）對高強混凝土工作性和力學性能的影響。通過對高強混凝土的塌落度、擴展度、抗壓強度、彈性模量等指標的測試和分析，得出以下結論。

（1）混凝土工作性主要受粗骨料粒形和表面織構的影響。因為玄武巖表面織構特性使其吸水率較大，導致玄武巖組新拌混凝土的工作性稍差于石灰石組和卵碎石組；石灰石組工作性居中；卵碎石在工作性上的粒形優勢較大，所以工作性最佳。

（2）對于石灰石組和玄武巖組，由于骨料表面吸水導致玄武巖組早期混凝土強度較石灰石組偏低，而后期因為玄武巖強度高而使得其配制的混凝土28d強度提高。卵碎石粒形在強度上的劣勢導致其28d強度最低。

（3）三種粗骨料中，骨料彈性模量越高，同等條件下配制的混凝土的彈性模量也越大，但混凝土彈性模量要遠小于骨料彈性模量值，且混凝土彈性模量的增幅遠遠小于相應粗骨料的增幅。

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Impact of Coarse Aggregate Types on Workability and Mechanical Properties of High Strength Concrete

In this paper，the three types of graded coarse aggregates--limestone gravel,pebble gravel and basalt gravel are selected to study the impact of coarse aggregate types on the workability and mechanical properties of high strength concrete.Based on the test and analysis of the slump degree,extension degree,compressive strength,elasticity modulus,etc.,the results show that the workability of fresh concrete with basalt gravels is worse than that with gravels and that with pebble gravels,and the workability of concrete with pebble gravels is the best.For the limestone gravel group and the basalt gravel group,the concrete strength of the basalt gravel group is lower than that of the limestone gravel group in the early stage due to water absorption of the aggregate surface,and the 28d concrete strength is improved for the high strength of basalt.The disadvantage of the pebble gravel in shape causes its 28d strength to be the lowest.Among the three types of coarse aggregates，the higher the elasticity modulus of the aggregate,the greater the elasticity modulus of the concrete prepared under the same condition,but the elasticity modulus of the concrete is much smaller than that of the aggregate,and the growth rate of the elasticity modulus of the concrete is far smaller than that of the corresponding coarse aggregate.

coarse aggregate;high strength concrete;mechanical property;elasticity modulus;fresh concrete with basalt gravels

TU528

A

1671-9107（2017）12-0052-04

10.3969 ／j.issn.1671-9107.2017.12.52

2017-05-10

詹偉（1978-），男，重慶人，本科，高級工程師，主要研究方向為公路橋梁施工。

責任編輯：孫蘇，李紅