粗骨料對混凝土性能的影響

黃宗凱,徐玉芬,曾智科,馬友德

(1.江西省建筑材料工業科學研究設計院,江西 南昌 330001；2.江蘇開放大學建筑工程學院,江蘇 南京 210036；3.萍鄉金宜混凝土有限公司,江西 萍鄉 337000)

前言

粗骨料是混凝土的重要組成部分,可占混凝土體積的50%～70%,一般認為粗骨料是作為惰性材料填充在混凝土中起到剛性骨架作用,因此得有骨料之名。粗骨料本身具有的特征,諸如品種、本身強度、粒形及粒徑、表面特征、級配等,無論是對新拌混凝土還是對于硬化的混凝土的性能都有著不可忽視的影響。

長期以來,不少學者對于混凝土的其它組分如膠凝材料、外加劑等都有較為深入的研究,即使是對于細骨料來說,由于近年來天然砂的日益匱乏,人們也加強了研究,使機制砂的生產使用得到了飛速的發展,而對于作為混凝土中體積最大的組分的粗骨料卻沒有得到人們的足夠重視,隨著混凝土技術的日益發展,對混凝土性能的要求也越來越高,粗骨料對混凝土性能的影響也日益突顯,全面、深入地探討粗骨料的特性對混凝土性能的影響就成為了混凝土工作者的迫切課題。

1 最大粒徑

一般來說,骨料粒徑越大,其表面積越小,那么需要用來包裹石子表面的水泥砂漿量就少,在保持水泥砂漿總量不變的情況下,骨料間起潤滑作用的水泥砂漿層厚度增加,混凝土的和易性就會得到改善；若保持和易性不變和水泥膠材一定時,就必然可以減少用水量從而提高混凝土的強度。當然,也并不是骨料粒徑越大越好。其一,骨料粒徑越大,內部存在缺陷的幾率就越大,對于高強混凝土的強度就必然帶來不小的影響。吳中偉[1]認為,對于低強度等級的混凝土,骨料粒徑影響不大,但對于高強混凝土來說,小粒徑的骨料有利于改善界面過渡區的結構,并且可避免了大粒徑骨料內部缺陷帶來的對混凝土強度的影響；其二,骨料粒徑越大,在混凝土拌合物中下沉速度越快,混凝土內部顆粒的均勻性必然變差,進而使混凝土的工作性能和硬化后的強度和下降,特別是對于大流動性的混凝土影響尤為明顯。

2 顆粒級配

在同一碎石場選擇四種不同級配的碎石進行級配試驗,測得該石子表觀密度為2670kg/m3,通過不同比例混合后得出下列數據：

表(1) 不同級配碎石混合后緊密堆積密度和空隙率

表(2) 不同級配碎石混合后緊密堆積密度和空隙率

表(3) 不同級配碎石混合后緊密堆積密度和空隙率

表(4) 不同級配碎石混合后緊密堆積密度和空隙率

根據級配試驗結果,用不同比例的骨料搭配,分別進行C30混凝土試配試驗,得出混凝土的拌合工作性能和抗壓強度結果,研究骨料級配對混凝土各性能的影響。

表(5) 不同級配碎石混合對混凝土性能的影響

通過上述數據可知,用兩種或三種以上的骨料進行不同比例的混合搭配,可得出骨料的最小空隙率,從而得到骨料的最優級配,滿足實際生產中混凝土骨料的理想連續級配狀態。從表(5)數據上看,配制泵送混凝土粗骨料的理想級配是用①：③：②的三級配,無論從混凝土和易性還是硬化后強度都是最好的。

3 顆粒形狀及表面特征

一般認為拌制混凝土較為理想的粗骨料顆粒形狀為趨近于球體或較規則多面體,針片狀的粗骨料會增大堆積骨料的空隙率和總比表面積,這樣就容易影響混凝土流動性能,同時針片狀骨料在混凝土拌制過程中容易定向排列,進一步導致混凝土的強度降低[3]。

為便于觀察針片狀粗骨料對混凝土性能的影響,現選用C40混凝土配合比進行試配試驗,配合比及材料規格如表(6)所示：

表(6) C40混凝土配合比

在混凝土試配中,只改變粗骨料的針片狀含量,其它數據基本不變,選擇0%、8%、16%、24%四種針片狀粗骨料含量情況,觀察針片狀粗骨料含量變化對混凝土性能的影響,其試驗結果如表(7)所示：

表(7) 不同針、片狀含量粗骨料的混凝土性能

如表(7)試驗結果可知,隨著針片狀粗骨料含量的增加,混凝土和易性會隨之降低,并且坍落度損失也相應會增大,同時,針片狀粗骨料對混凝土的28天抗壓強度影響較大,但對早期強度的影響相對小些,試驗表明粗骨料針片狀含量在8%以內較為理想,對混凝土和易性和強度影響都很小[4]。

混凝土的表面特征即表現為骨料表面的粗糙程度,碎石的表面粗糙,需水量較大,但在混凝土中與砂漿的粘結力大,而卵石或礫石表面光滑,需水量小,拌制混凝土的流動性能更好,但在混凝土中與砂漿的粘結力小,表(8)中試驗過程充分地體現了兩種粗骨料配制的混凝土的性能：

表(8) 粗骨料的表面特征對混凝土性能的影響

從工作性能上來看,由于卵石的表面比碎石表面光滑,需水量小,所以用卵石配制混凝土比用碎石配制更加優越,更利于施工,但從混凝土抗壓強度上來看,用卵石配制的混凝土強度比用碎石配制的混凝土強度要低一些,混凝土強度等級越高差別越明顯,這也是因為卵石表面光滑影響了它與水泥砂漿的膠結力,導致混凝土抗壓強度偏低,一般認為C40以上的混凝土用碎石比用卵石強度更有保障。

4 強度

在普通混凝土中,水膠比比較高,砂漿的強度以及砂漿與粗骨料界面間的粘結強度都比較低,是混凝土的薄弱區,混凝土斷裂處基本上集中在這個區域,因此粗骨料本身的強度對混凝土強度沒有太大的影響；而在高強混凝土中,水膠比較低,砂漿的強度以及砂漿與粗骨料界面間的粘結強度都較高,混凝土斷裂處往往貫穿粗骨料中間,粗骨料本身的強度就直接影響到到了混凝土的強度。

選擇以下四種巖石,檢測得其飽和單軸抗壓強度如表(9)所示：

表(9) 幾種巖石的飽和單軸抗壓強度

設計C20、C30、C40 、C50、C60、C70 、C80 等7組混凝土配合比,分別用上述四種母巖制作成5～25mm連續級配的粗骨料配制混凝土,7天、28天強度數據情況如表(10)和表(11)所示：

表(10)不同巖石混凝土7天抗壓強度

表(11)不同巖石混凝土28天抗壓強度

通過對比不同強度等級的混凝土7天、28天抗壓強度可以發現：

(1)由于普通混凝土水膠比較高,混凝土強度的薄弱區為水泥砂漿與粗骨料的界面處而不在于粗骨料本身的強度,粗骨料強度對C40以下等級的混凝土影響很小；

(2)高強度等級混凝土由于水膠比較低,水泥砂漿強度很高,粗骨料本身的強度就成了混凝土強度的制約因素,因此配制高強度等級的混凝土以玄武巖作為粗骨料會有較高的強度保障；

(3)雖然石灰巖本身抗壓強度較低,但用石灰巖粗骨料配制的C50以下混凝土強度能與其它巖石的基本持平甚至更高,這是因為石灰巖有部分活性,能與水泥反應增強水泥砂漿與粗骨料之間的粘結力,因此在配制普通強度等級的混凝土或是中高強混凝土時能得到較高的強度,相對于另外三種母巖的粗骨料有一定的優勢,但由于石灰巖本身強度不高,在高強度等級的混凝土中一般不予選用；

5 結論

(1)粗骨料的最大粒徑越大,比表面積越小,需要包裹的水泥漿料就越少,用來改善混凝土和易性能的砂漿量就相對更多,但粗骨料粒徑越大,在混凝土拌合物中的下沉速度就越快,會影響混凝土的均勻性從而影響混凝土的和易性及強度等性能,我國現行規定不大于31.5mm,通常取20～25mm[5],對于高強混凝土來說,一般對粗骨料的最大粒徑就會有所限制,對于大多數巖石來說把最大粒徑控制在10～15mm時,通常可以消除粗骨料的內部缺陷,混凝土強度為60～100Mpa時,粗骨料最大粒徑不宜大于20mm,當混凝土強度為100Mpa以上時,粗骨料最大粒徑不宜大于12mm[6]。

(2)粗骨料的顆粒級配對混凝土的性能影響極大,應根據骨料性能情況力求選擇最佳的粗骨料級配來配制混凝土,使混凝土的和易性、強度的性能達到最理想的狀態。

(3)粗骨料的針片狀含量過高會影響混凝土的流動性能以及強度,應控制針片狀含量在8%以內,才能使其影響力最小。

(4)粗骨料表面越光滑,比表面積越小,對混凝土流動性能更加有利,但光滑度會影響水泥砂漿與粗骨料之間的粘結力,因此通常在C40以上強度等級的混凝土不宜使用卵石等表面過于光滑的粗骨料,而宜采用碎石來配制。

(5)水膠比越小,水泥砂漿的強度越高,混凝土強度的制約因素會隨水膠比的降低而逐漸由水泥砂漿以及水泥砂漿和粗骨料的界面膠結強度轉移到粗骨料本身的強度上,因此粗骨料的本身強度對普通混凝土的強度性能影響不大而對高強混凝土的強度影響極大。