粗骨料形狀對水工混凝土強度性能影響試驗研究

黃 偉，丁 宇，呂柏穎，田儀帥，黃耀英

(三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

混凝土是一種建筑材料，其由砂石骨料、膠結材料和水按一定比例組成的拌合物。混凝土具有耐水性能好、原材料豐富、高強度、耐久性好等優點，目前已經成為世界上使用最多的建筑材料。影響混凝土強度的因素主要有水泥等級、集料、水灰比、齡期、養護條件等[1- 6]，其中，骨料占據混凝土組成的60%～70%[7]，是研究混凝土性能的關鍵因素。

目前，關于粗骨料的物理性能和化學成分等對于混凝土力學性能的影響研究較多。喬宏霞[8]等研究了4種不同粗骨料級配的透水混凝土性能，結果表明單一級配粗骨料配制的透水混凝土隨著骨料粒徑的增大，透水混凝土強度降低，連續級配粗骨料配制的透水混凝土強度最高。Larrard[9]等采用了5種巖性集料，開展了13組試驗，結果顯示混凝土的強度決定于粗集料巖性本身的強度；Zhou[10]等使用相同的粗骨料含量(42.5%)和配合比，開展了6種不同類型粗骨料的混凝土力學試驗，發現粗集料本身彈性模量、強度決定了混凝土的彈性模量和強度；沈嫣秋[11]研究了粗骨料對不同強度等級混凝土力學性能的影響，發現粗骨料對低強度等級混凝土的影響不明顯，但對高強混凝土的力學性能有較大影響。李文偉[12]等認為對于水膠比為0.4和0.5左右的普通混凝土而言，混凝土的強度和骨料強度沒有直接關系。關于粗骨料形狀對強度性能影響也有一些報道，例如黃曉峰[13]認為粗骨料的種類、強度、體積率、最大粒徑、形狀以及級配都將導致自密實混凝土的性能不同。葉丹燕[14]等認為粗骨料形狀的復雜程度對試件的最終受壓破壞形態有著顯著的影響。粗骨料形狀對纖維混凝土彎拉強度的影響要大于抗壓強度的影響。邢心魁[15]等認為混凝土單軸受壓強度與粗骨料與砂漿基質的接觸面積、形貌有關，接觸面積越大，外表形狀不規則強度越高；徐海軍[16]等認為片狀骨料含量的增加對混凝土的強度有一定的影響，往往使混凝土的強度降低，針狀骨料相對片狀骨料對混凝土的性能影響較小。張景琦[17]等認為硬化混凝土的抗壓強度隨粗骨料針片狀含量的增加而降低，并且對高強度等級混凝土抗壓強度的影響較低強度等級混凝土更為明顯。另外，還有一些從數值建模的角度開展的對骨料形狀的研究報道，例如郭瑞奇[18]等基于Fortran和ANSYS軟件提出了一種快速生成含高體分比球形骨料混凝土模型的混合實現方法；劉昊棟[19]建立基于Voronoi骨料的三維動態劈裂抗拉數值模擬，發現骨料形狀對于劈拉裂縫方向延展的影響。孫國立[20]對比了不同骨料形狀(二維的為圓形、任意多邊形，三維的為球形和任意多面體)的三級配混凝土簡支梁的彎拉強度的數值模擬結果，發現任意多邊形或任意多面體骨料試件的極限承載力總體上要大于圓形或球形骨料試件。葉永[21]等采用相同的骨料粒徑和骨料比重，對3種不同骨料形狀的混凝土試件模型進行斷裂過程的數值模擬，得出結果，不同骨料形狀的混凝土試件在單軸拉伸時的應力峰值不同，但差別很小。以上研究表明，骨料形狀對混凝土力學性能的影響具有不確定性，而且無論是試驗還是數值模擬，很難對粗骨料的形狀進行控制。一些研究者通常采用人工加工的球形或橢球形骨料進行試驗或者將骨料模擬成圓形、橢圓形或多邊形等規則的形狀進行分析和數值計算。這與實際骨料的構成存在較大差異。

混凝土粗骨料形貌各異，很難對其進行準確地描述和定義，并且在混凝土試驗中，粗骨料用量大，要測量獲得骨料的特征尺寸，所需工作量極大，這限制了粗骨料形狀對混凝土性能影響的試驗研究致使關于粗骨料形狀對混凝土力學性能的影響還不明確。為探究粗骨料形狀對混凝土力學性能的影響，本文在引入球度和扁平度的基礎上，通過人工分揀對骨料進行區分，并設計了3種不同骨料配比、不同齡期(7 d，28 d，60 d)的組合，最后針對0.5水膠比的混凝土試件開展了抗壓強度和劈拉強度試驗，探討粗骨料形狀對混凝土抗壓強度和劈拉強度的影響。

1 粗骨料形狀對混凝土強度性能影響試驗

1.1 原材料及配合比

試驗所用水泥為PO42.5華新牌普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為本地區產的II級粉煤灰；拌和用水為實驗室自來水；細骨料為細砂，采自長江(宜昌段)河砂；粗骨料為花崗巖碎石，其粒徑為5～40 mm，其中小石粒徑5～20 mm，中石粒徑20～40 mm；減水劑選用聚羧酸高效減水劑。參考中國西南地區典型混凝土壩濕篩二級配混凝土，采用的配合比如表1所示，其中水膠比為0.5，砂率為34%，粉煤灰摻量為35%，小石∶中石=40∶60。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 骨料形狀描述方法

為了較好地對片狀和塊狀粗骨料進行區分，如圖1所示，本文采用Gallowa[22]和Quiroga[23]提出的球度E和扁平度F指標來對不同形狀骨料進行定量描述，即

(1)

(2)

式中，L、I、S為骨料的特征尺寸，它們分別為3個方向骨料的最長、中間以及最短尺寸。

圖1 骨料參數測量示意

由式(1)、(2)可知，球度越大，骨料的形狀越接近球形，即可認為是塊狀石；骨料扁平度越小，骨料形狀越接近扁平，即可認為是片狀石。

1.3 試驗步驟

為研究骨料形狀對混凝土強度性能的影響，采用上述1.2節的方法，將粗骨料區分為片狀石和塊狀石，設計片狀石與塊狀石質量比分別為1∶0、1∶1、0∶1的3種不同骨料形狀組合，接著成型混凝土試件并開展抗壓強度試驗和劈拉強度試驗，然后對比分析骨料形狀對混凝土強度性能影響。具體試驗步驟如下：

(1)將骨料進行形狀分類。首先，根據骨料大小篩分為中石和小石，再根據篩分的中石和小石進行人工分揀為塊狀石和片狀石。為便于區分，將塊狀中石記為K1、塊狀小石記為K2、片狀中石記為P1、片狀小石記為P2。

(2)粗骨料分揀完后，進行隨機抽樣檢查。從待試驗的K1、K2、P1、P2四種形狀的粗骨料中各隨機抽取15個樣本，然后采用精度為0.02 mm的游標卡尺測量圖1所示的骨料的最長、中間以及最短尺寸。采用式(1)、(2)計算獲得相應的球度和扁平度。并將隨機抽樣檢查得到的球度和扁平度分別表征待試驗的K1、K2、P1、P24種形狀的粗骨料的球度和扁平度。

圖2 骨料形狀系數對混凝土強度性能影響試驗流程

圖3 粗骨料的球度和扁平度頻率分布

(3)將片狀石與塊狀石分別按質量比為1∶0、1∶1、0∶1進行骨料組合，并根據這3種骨料組合分別進行編號。1∶0表示骨料均為塊狀骨料，記為K；1∶1表示骨料由塊狀和片狀等質量組成，記為K+P；0∶1表示骨料均為片狀骨料，記為P。

(4)根據SL352—2006《水工混凝土試驗規程》成型混凝土試件。試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，設計齡期分別為7、28、60 d，每組試驗每個齡期成型3個試件，共成型3×3×3×2=54個試件。試件成型后放入標準養護室(20±5 ℃，>95%)養護至試驗齡期，然后根據試驗規程采用壓力試驗機進行抗壓強度與劈拉強度測試。

(5)最后根據3種齡期試驗的結果，結合計算的骨料形狀參數，分析骨料形狀對于混凝土抗壓強度和劈拉強度的影響。

由試驗步驟(1)～(5)可以得到試驗的流程，如圖2所示。

2 試驗結果及分析

2.1 骨料形狀分析

試驗通過人工篩選，得到了K1、K2、P1、P2四種粗骨料，其中，試驗樣本數各為15個，分別計算得到球度和扁平度，繪制出了4種骨料的球度、扁平度頻率分布，如圖3所示。與此同時，進行正態分布檢驗，通過計算曲線的峰度和偏度進行驗證分布是否符合正態分布。偏度的絕對值越大，說明分布的偏移程度越嚴重，若偏度絕對值越接近0，則分布越服從正態分布；峰度越大于0，說明分布越陡峭，峰度越小于0，則說明分布越平緩，當峰度越接近0時，則分布越服從正態分布。分別計算得到塊狀骨料球度、扁平度的正態分布曲線的峰度、偏度；片狀骨料球度、扁平度的正態分布曲線的峰度和偏度如表2所示。根據文獻[22]比較峰度和偏度的置信區間。所得偏度和峰度值均較接近0，這說明圖3的分布近似為正態，骨料形狀區分效果較為良好。

表2 頻率分布圖的偏度和峰度

為驗證分揀后的片狀石與塊狀石具有明顯的區分度，計算得到4種骨料的球度與扁平度的平均值、最值、分布范圍等特征參數如表3所示。

表3 粗骨料形狀特征參數

由表3可知：

(1)由球度定義，球度值越接近1，則表明其形狀越接近于正圓[24]。對比球度值可見，K1、K2球度平均值分別相對P1、P2球度平均值高出約63.8%、38.5%，K1、K2球度最小值分別相對于P1、P2球度最小值高出約62.2%、38.9%，K1、K2球度最大值分別相對于P1、P2球度最大值高出約35.3%、21.4%，這說明塊狀石球度高于片狀石球度，塊狀石的形狀更接近球型。此外，K1與K2的球度平均值相差0.05，說明塊狀小石和中石的球度相當。

(2)對比扁平度可知，K1、K2扁平度平均值分別相對P1、P2扁平度平均值高出約65.3%、68.9%，K1、K2扁平度最小值分別相對于P1、P2扁平度高出約106.3%、68.8%，K1、K2扁平度最大值分別相對于P1、P2扁平度高出約66.7%、63.6%。這說明塊狀石扁平度高于片狀石扁平度，片狀石的形狀更接近扁圓型。此外，K1與K2的扁平度平均值相差0.05，說明塊狀小石和中石的扁平度相當。

(3)比較區間長度可知，粗骨料的參數變化范圍波動較小，所分揀的粗骨料形狀較為均勻。因此，塊狀石球度和扁平度的平均值、最值等參數均高于片狀石相關參數，石樣球度和扁平度大小有較好的區分度，粗骨料樣本形狀差異明顯，同時樣本也可說明總體粗骨料的區分度良好。

2.2 強度性能試驗結果分析

不同骨料形狀混凝土試件抗壓和劈拉強度測試結果如圖4和表4所示。

圖4 不同骨料的抗壓強度和劈拉強度試驗結果

表4 抗壓強度和劈拉強度試驗結果

由圖4和表4可知：

(1)3種不同類型骨料組合的抗壓強度隨齡期增加強度增加，但在相同齡期情況下，骨料的形狀改變對于抗壓強度變化影響并不大。K型抗壓強度相對P型和K+P型在7 d齡期時分別增加5.6%和1.0%；在28 d齡期時分別減小5.2%和5.9%；在60 d齡期時分別增加1.0%和 0.3%。這說明在混凝土的各齡期內，對K、P、K+P 3種組合進行抗壓強度試驗，其測試結果變動很小，混凝土試件的抗壓強度基本不受骨料形狀的影響。

(2)3種不同類型骨料組合的劈裂抗拉強度隨齡期增加而增加。K型劈拉強度相對P型和K+P型在7 d齡期時分別減小9.1%和20.0%；在28 d齡期時分別增加10.3%和14.3%；在60 d齡期時分別減小0和2.9%。這說明在混凝土的各齡期內，對K、P、K+P 3種組合進行劈拉強度試驗，其測試結果變動很小，混凝土試件的劈拉強度基本不受骨料形狀的影響。因此，K、P、K+P 3種不同骨料組合的抗壓強度和劈拉強度基本不受混凝土骨料形狀改變的影響。

(3)為了進一步討論此試驗結果，結合粗骨料的參數和實際強度，查閱相關文獻分析結果表明，粗骨料混凝土試驗中主要考察兩個因素對其強度的影響[13]，一個是粗骨料形狀因素，另一個是粗骨料體積摻量因素。在已有的研究中已經證實粗骨料的顆粒幾何形狀與混凝土的力學性質有很大關系，但影響是在粗骨料摻量達到一定比例才會比較明顯。另外結合文獻[25]的研究結果發現，只有當集料與基體兩相強度和剛度相互匹配的情況下，才能有效地利用集料強度來提高混凝土強度；研究集料強度對混凝土強度的影響應與集料彈性模量的影響相聯系；集料在混凝土中的增強作用隨混凝土強度等級不同而有所差別，普通集料在高強混凝土中無增強作用，在中強混凝土中也沒有明顯增強作用，而在低強混凝土中增強作用明顯。本次試驗的粗骨料形狀對力學性能的影響結果不明顯，分析試驗中混凝土破壞面，可能是水泥石強度較低，水膠比較大導致破壞面主要集中在水泥石和黏接面上，而當水泥石強度較高時，雖然粗骨料形狀對混凝土強度影響程度沒有水膠比和水泥的影響程度大，但進一步試驗發現，隨著水膠比減小，混凝土強度提高，粗骨料形狀對其影響也越明顯。

3 結 論

本文對粗骨料進行人工篩選，區分為片狀石和塊狀石，將其組合成形狀具有明顯差異的骨料，然后統計分析其形狀參數，探討骨料形狀對混凝土試件的抗壓強度和劈拉強度的影響規律，得到如下結論：

(1)比較所分揀的粗骨料形狀參數(球度、扁平度)，發現塊狀骨料中石和小石的球度和扁平度的平均值、最大值和最小值均大于片狀骨料的20%～70%，表明本文試驗所用粗骨料形狀區分度高。

(2)雖然3種粗骨料組合的形狀參數差異大，但結合力學試驗結果表明，在0.5水膠比時，不同齡期(7、28、60 d)情況下，粗骨料的形狀對于水工混凝土的抗壓強度和劈拉強度影響較小。

致謝

三峽大學夏玉露和梁亞蘋參與了混凝土骨料分揀和試件成型等工作，在此表示感謝!