粗骨料體積分數對混凝土耐久性的影響與機理研究*

劉 春 許鴿龍 劉 方 何 濤 熊 星 沈衛國

(1.廣東省公路建設有限公司 廣州 510623;2.武漢理工大學材料科學與工程學院 武漢 430070; 3.保利長大工程有限公司 廣州 510620)

作為混凝土中體積用量最大的原材料，集料對混凝土性能有著顯著的影響。集料體積分數大于40%時，混凝土的抗壓強度隨骨料體積分數增加呈增加趨勢，而且骨料體積分數的增加對混凝土的彈性模量、抗滲性及體積穩定性均表現出積極作用[1]。對于普通混凝土，骨料作為惰性填充料嵌入漿體而導致混凝土細觀結構發生變化。de Larrard提出了最大漿體層厚度(MPT)模型來描述混凝土抗壓強度與其細觀結構間的關系，MPT越小混凝土抗壓強度越高[2]。混凝土滲透性一般與骨料的稀釋作用、繞行作用，以及界面過渡區的逾滲作用三方面有關，其中骨料的稀釋作用和繞行作用對混凝土滲透性具有顯著的降低作用[3]。在抗變形能力方面，混凝土骨料含量是影響其彈性模量及干燥收縮主要因素，而且粒徑越大的骨料對混凝土體積穩定性的提升作用越明顯[4-5]。

一些研究通過調整混凝土配合比設計或混凝土制備過程的投料方式達到增加骨料體積分數的目的[6-8]，其中拋填骨料工藝是一種在新拌混凝土澆筑過程中加入額外粗骨料的二次投料方法，而且已有研究表明拋填骨料混凝土的抗壓強度、抗滲性，以及體積穩定性均優于普通混凝土[9-12]。韓宇棟等[13-14]的研究表明混凝土的抗壓強度及彈性模量隨粗骨料含量增加而增大。

為說明粗骨料體積分數在混凝土的抗滲性及干燥收縮中所起的作用，本文對混凝土的粗骨料和砂漿的兩相組成進行配合比設計，分析粗骨料體積分數對C30、C40和C50 3個強度等級混凝土的吸水率、電通量及干燥收縮的影響，并闡明粗骨料對混凝土滲透性及體積穩定性的影響機理。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

所用膠凝材料包括華新P·O 42.5水泥、II級粉煤灰。河砂用作細骨料，其表觀密度為2 610 kg/m3，細度模數為2.9。天然粗骨料為石灰石質碎石，表觀密度為2 690 kg/m3，由于粗骨料原始級配較差，將其篩分為4.75～9.5，>9.5～19，>19～26.5 mm 3個粒級，分別標記為CA1號、CA2號和CA3號，各級粗骨料的級配見表1。3種骨料混合時的振實堆積密度見圖1。其中CA1號和CA2號按質量3∶7的比例配合后用以制備粗骨料含量較低的混凝土和基準混凝土，CA3號則用作拋填骨料以制備拋填骨料混凝土。

表1 不同粒級粗骨料的分計篩余質量分數 %

圖1 混合粗骨料的堆積密度

1.2 混凝土配合比設計及制備

為探明粗骨料作用下混凝土滲透性及干燥收縮的變化，在不改變砂漿組分配合比情況下，僅調整粗骨料在混凝土中的體積分數來設計混凝土的配合比，混凝土的詳細配合比見表2，其中C30-3、C40-3和C50-3為基準混凝土配合比，按流態分別為塑性、大流態和自密實混凝土。小于基準混凝土中粗骨料體積分數的配合比，采用一次拌和方法制備混凝土；大于基準混凝土中粗骨料體積分數的配合比則采用拋填骨料工藝制備混凝土，拋填骨料混凝土由基準混凝土和拋填骨料2部分組成。

表2 不同粗骨料體積分數混凝土配合比

1.3 試驗方法

1.3.1吸水率

吸水率試驗所用試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試樣養護至測試齡期后，轉入干燥的室內環境中放置1～2 d，后放入烘箱中在105 ℃下干燥24 h。后浸入水中飽水48 h，由于混凝土粗骨料體積分數發生變化，吸水率按所吸收水的體積比進行計算，計算方法見式(1)。

(1)

式中：wV為混凝土體積吸水率，%；m0為烘干試樣的質量，g；msat為飽水試樣的質量，g；Vc為試樣的體積，cm3；ρw為水的密度，g/cm3。

1.3.2滲透性

電通量試驗所用試樣的尺寸為直徑×厚度=100 mm×50 mm，抽真空3 h后，在水中浸泡18 h。在電通量試驗中，將飽水試樣裝入夾具中，陽極和陰極分別加入摩爾濃度0.3 mol/L的NaOH溶液和質量分數3%的NaCl溶液，然后在60 V電壓下通電360 min并記錄通過試樣的電荷量。

1.3.3干燥收縮

干燥收縮試驗采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試樣，成型后使用保鮮膜覆蓋養護，24 h拆模后放入標準養護環境下養護2 d，隨后移入室溫(20±2) ℃，相對濕度(60±5) %的環境下養護至測試齡期。為排除外界因素對環境產生的干擾，干燥養護28 d前加密測量次數，即對1，2，3，5，7，14，21 d時的試樣長度均進行測量，28 d后，隨齡期延長，測量密度適當減少。

2 結果與分析

2.1 吸水率

吸水率可間接反映混凝土的孔隙率，不同粗骨料體積分數混凝土的吸水率見圖2。由圖2可見，混凝土體積吸水率隨粗骨料體積分數的增大呈減小趨勢，但考慮到混凝土中吸水組分主要為砂漿，將式(1)的分母乘以混凝土中砂漿體積分數得到歸一化的單位體積砂漿吸水率。由圖2還可見，混凝土單位體積砂漿吸水率與砂漿試樣的基本相等，部分試樣單位砂漿吸水率較高是因為高粗骨料體積分數增加了振搗過程中浮入空氣的排出難度。混凝土表觀體積吸水率與單位體積砂漿吸水率兩者表明，粗骨料對混凝土吸水率的影響以其稀釋作用為主，即粗骨料替代了部分砂漿，減少了混凝土中的可吸水組分。總體來看，粗骨料體積分數的增加對砂漿中孔隙率的影響較小。

圖2 混凝土體積吸水率與粗骨料體積分數的關系

2.2 電通量

粗骨料體積分數對混凝土的電通量影響見圖3。C30、C40和C50系列混凝土所對應砂漿的電通量分別為9 511，6 660，2 672 C，隨粗骨料含量的增加，不同系列混凝土的電通量均呈下降的趨勢，而且粗骨料含量相同時，相比C40和C50系列混凝土，C30系列混凝土的電通量降低最為明顯。但當粗骨料體積分數超過40%時，隨粗骨料含量增加，3個系列混凝土電通量降低程度較小，而且強度等級對混凝土電通量的影響程度也變得不明顯。

圖3 粗骨料含量對電通量的影響

相比混凝土的吸水率，混凝土的滲透性是離子傳輸的動態結果，除與漿體的固有滲透性有關外，其還是骨料稀釋作用、繞行作用，以及界面過渡區逾滲效應的綜合結果。骨料的稀釋效應可由式(2)進行描述，但將繞行作用考慮在內時，混凝土的滲透系數與骨料體積分數間的關系如式(3)所示[15]。

Dc=Dm(1-φa)

(2)

Dc=Dm(1-φa)1.5

(3)

式中：Dc和Dm分別為混凝土和基體的滲透系數；φa為粗骨料體積分數。

為說明隨粗骨料體積分數增加，3種作用的變化規律，以混凝土電通量代替滲透系數，由于離子傳輸主要發生在砂漿中，將混凝土整體電通量歸一化為砂漿組分的電通量。體積吸水率結果表明砂漿中的孔隙率隨粗骨料體積分數增加變化不大，而且歸一化砂漿電通量排除了粗骨料稀釋作用帶來的影響。粗骨料對混凝土及砂漿電通量的影響規律見圖4。

圖4 粗骨料作用下的混凝土及砂漿的電通量變化趨勢

由圖4可見，C30和C40混凝土電通量的實測值均低于粗骨料稀釋作用下的混凝土電通量，這是因為粗骨料的繞行作用遠大于界面逾滲效應，而降低了混凝土的電通量；C50混凝土電通量與式(2)計算結果較為接近，但混凝土中砂漿的電通量隨粗骨料體積分數增加呈增加的趨勢，導致這種結果的原因可能為C50混凝土中的砂漿本身具有相對較低的電通量，粗骨料體積分數較大時，粗骨料-砂漿間的界面過渡區含量較多，而且界面間的連通性也較大，使得界面的逾滲效應對混凝土滲透性的作用程度增強，對于C50-3和C50-4，界面的逾滲效應相比粗骨料的繞行作用更占主導作用。

2.3 干燥收縮

不同粗骨料含量的混凝土的干燥收縮情況隨齡期的變化見圖5。

圖5 不同粗骨料體積分數混凝土的干燥收縮率

不同系列混凝土的干燥收縮主要發生在56 d內，并隨混凝土強度等級和粗骨料體積分數的增加，混凝土最大收縮值呈減小趨勢。混凝土干燥收縮是由水分散失所導致的混凝土體積變形，隨水灰比增大，漿體中毛細孔和可遷移水的含量均會增加。因此，雖然C50混凝土具有最高的膠凝材料含量，其干縮值最小。除水灰比的作用外，C40和C50系列混凝土中的膠凝材料分別摻入了30%和20%的粉煤灰，粉煤灰對水泥的稀釋作用及對漿體的填充作用均可以起到抑制收縮的效果，從而使C40和C50系列混凝土的干燥收縮相對C30系列混凝土大幅度下降。混凝土干燥收縮和漿體收縮性能及粗骨料體積分數存在式(4)的關系[16]。

Sc=Sm(1-φa)n

(4)

式中：Sc和Sm分別為混凝土和基體的干燥收縮率；n值與骨料彈性模量相關，其值為1.2～1.7。

可以看出，式(4)與式(3)具有很大的相似性。

當式(4)中n等于1時，混凝土與骨料體積分數間的線性關系為骨料的稀釋作用。混凝土在粗骨料的稀釋作用下的計算值與實測值間的差異見圖6。

圖6 粗骨料作用下的混凝土干燥收縮變化規律

由圖6可見，由于骨料的約束作用，實測值普遍大于計算值。Zhu等[17]提出了粗骨料約束作用的量化模型，見式(5)、式(6)，砂漿包裹層厚度見圖7。

(5)

(6)

式中：CRA為粗骨料約束系數；CR為骨料和包裹漿體相關的幾何系數；EM、EA分別為砂漿和粗骨料的彈性模量，GPa；μM、μA分別為砂漿和粗骨料的泊松比；R為粗骨料半徑；H為砂漿包裹層厚度，mm。

(7)

其中：λc為粗骨料堆積密實度；φc為砂漿體積分數；∑cSi為單位體積混凝土中骨料表面積，可根據粗骨料級配近似計算得到，mm2/mm3。

圖7 砂漿包裹層厚度與粗骨料體積分數的關系

由圖7可見，砂漿層厚度隨粗骨料體積分數的增加呈冪函數形式減小，而且在采用拋填骨料工藝所制備的混凝土中粗骨料體積分數增加的同時，粗骨料的平均粒徑也有所增加，這2個參數的變化均使CR增大，故在砂漿性質不變的情況下，增強了粗骨料的約束作用(CRA)，使混凝土干燥收縮明顯下降。而且由圖6中還可以看出隨砂漿自身干燥收縮減小，粗骨料的約束作用表現為增強的趨勢。

3 結論

1) 粗骨料影響混凝土的滲透性及體積穩定性的直接作用為稀釋效應，增加粗骨料體積分數，減少了漿體含量而降低混凝土的滲透性和干燥收縮。

2) 粗骨料的繞行作用和界面過渡區的逾滲作用對混凝土滲透性的影響程度與砂漿的滲透性有關。在較高滲透性的砂漿中，粗骨料以繞行作用為主，隨砂漿滲透性的下降，界面過渡區的逾滲作用呈增強趨勢。

3) 在粗骨料稀釋作用的基礎上，粗骨料的約束作用進一步降低了混凝土的干燥收縮，而且粗骨料的約束作用隨砂漿自身干燥收縮減小呈增強趨勢。