粗骨料種類和粒徑對混凝土性能的影響研究

吳晗?李慧?陳吳璇

摘 要：本文通過選用不同品種及不同粒徑的粗骨料制備混凝土，研究粗骨料品種及其粒徑大小對透水混凝土力學性能和透水性能的影響。研究結果表明天然粗骨料配制的透水混凝土不論是力學性能還是透水性能都要優于再生骨料配制的透水混凝土;相同來源的骨料粒徑越大則抗壓強度越低，透水性能越好。期望在此研究基礎上能優化骨料在透水混凝土中的應用。

關鍵詞：粗骨料;粒徑;透水混凝土

隨著城市化建設的不斷推進，混凝土已經成為建筑工程領域中最為常見的一種建材，傳統混凝土總是密實不透水，由此帶來的城市水環境問題和熱島效應等問題愈發突出顯著。透水混凝土因其具有高滲透、吸聲降噪等性能，克服了傳統混凝土透水性能差的問題，使得其在國內外眾多工程中得以應用。本文以透水混凝土的兩個主要性能指標：力學性能和透水性能為研究對象，從粗骨料種類、品質來對混凝土兩大性能進行研究。

1 原材料

1.1 骨料：骨料粒徑為 4.75mm～9.5mm 的單級配石灰巖碎石，達州碎石廠。物理性能如下表1：

1.2 水泥：PII52.5級普通硅酸鹽水泥，其中石灰的摻雜量低于5%，南京小野田水泥有限公司。其主要技術性質如下表2：

1.3 減水劑：巴斯夫 F10 三聚氰胺減水劑，上海鍇源化工科技有限公司。性能指標如下表3：

2 配合比的確定

在本試驗中，需要找出一個使得混凝土具有相對較高的強度及較好的透水性的配合比作為該試驗配合比設計的基準。通過參考其他學者的研究成果之后，將試驗對照組的配合比確定為：集灰比為4.3，水膠比為0.25，骨料粒徑為4.75mm～9.5mm，以此組配合比作為整個試驗的基準， 在此配合比的基礎上通過改變水膠比進行進一步探究。

3 實驗過程

采用分詞投料法使水泥能夠均勻包裹在骨料表面，投料之前先用濕抹布潤濕攪拌機，然后將稱好的減水劑加入水泥中攪拌均勻。再將骨料和膠凝材料與外加劑的混合物加入攪拌機中攪拌 60 秒使骨料與石子充分混合。為了使拌合物中水分比較均勻故水的加入則分三次進行，三次加水的時間間隔為 40 秒。待最后一次水加入后再攪拌 60 秒。

攪拌結束后，立即將新拌的透水混凝土裝入試模中，采用分層振搗與重力擊實相結合的方法，用搗棒從外側向中心螺旋插搗20次，然后用制的擊實儀對混凝土進行擊實，考慮到每層澆筑時要使分層處也緊密粘結，決定將一、二、三層的擊實次數定為 3，3，6 次，保證透水混凝土的密實性，最后抹平收面，放入標準養護箱養護24h后拆模，繼續養護28d。后測定透水混凝土各類性能：力學性能和透水性的測定。

4 實驗數據測定方法

4.1 抗壓強度：根據我國《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002） 中的規定，普通混凝土的抗壓強度應按照下式計算：

式中，

fcc，透水混凝土試件的抗壓強度，MPa;

F，透水混凝土試件的破壞荷載，N;

A，試件的承壓面積即橫截面積，m2。

由于本試驗制作得的試件為底面直徑 100mm，高 200mm 的圓柱體試塊，由于與國內標準立方體試150mm×150mm×150mm 不同，根據學者辛雁清的研究，在相同配比及制作工藝的條件下，高度h與最大底面長度d會對抗壓強度產生影響。同樣，內維爾也在大量的試驗及其分析中建立了抗壓強度與不同尺寸及不同形狀試塊之間抗壓強度的轉換，即內維爾公式：

式中：

P，所測得的抗壓強度，MPa;

P0，轉化得標準立方體試件的抗壓強度，MPa;

h，試件底面直徑，in;

d，試件高度，in;

V，試件的總體積，in3。

抗壓強度采用抗壓強度試驗機測得再根據內維爾公式轉換即可的到圓柱形試件的抗壓強度。

4.2 有效孔隙率：使用質量法測定透水混凝土的有效孔隙率是實驗室甚至是現場最常用的透水混凝土有效孔隙率的測定方法，根據楊婷惠的研究，測定方法如下： 首先，將整個試件完全浸沒到水中，等到無氣泡產生并且質量無變化及讀數穩定時，讀出試件的質量記作m1;其次將試件取出放置在空氣中至少24小時晾干，之后每間隔2小時測量一次試件的質量，待連續兩次質量無變化時，測出透水混凝土試件的質量記作m2。再根據體積公式計算出透水混凝土試件的總體積記作V，則可求出該試件的有效孔隙率Qe為：

式中：

m1，試件在水中的質量，g;

m2，試件在空氣中的質量，g;

V， 試件的總體積，cm3;

ρw，水的密度，g/cm3。

4.3 透水系數：一般來說，滲透系數的測定方法分為固定水頭法和變水頭法兩種，通常情況下，滲透性很差的材料（一般滲透性小于 0.001cm/s）因為流量太小會導致測量誤差過大，而只由粗骨料為骨架的透水混凝土透水系數較大，一般大于 0.3cm/s，因此采用固定水頭法測定。

要想求得透水混凝土試件的滲透系數，則需要計算出水力梯度 i 以及透水混凝土試件中水流的滲透速度，水流的滲透速度又可根據一段時間內透過試件的過水量 Q 求出，其計算公式為：

式中，

Q，測定時間 t 內試件的過水量，cm3;

試件的截面面積，cm2;

t，測定時的時間段，s。

根據上式計算出滲透系數 v 之后，可根據下式計算出透水系數：

5 實驗結果與分析

5.1 粗骨料種類對透水混凝土性能的影響

本次試驗以三種不同的粗骨料但構造相同的顆粒級配（粒徑范圍在5mm-10mm設計的集灰比4.3，水膠比分別為0.25，0.30，0.35），分別對這幾種不同粗骨料設計的透水混凝土力學性能和透水指標進行測試，分別得到28d 抗壓強度和有效孔隙率、透水系數數據如下表所示：

結合以上三表和三個數據分析圖可以看出：種類不同，粒徑相同的粗骨料在不同水膠比下制備的混凝土對混凝土力學性能和透水性能的影響趨勢相同，即天然骨料的抗壓強度大于再生骨料A大于再生骨料B，天然骨料的有效孔隙率大于再生骨料A大于再生骨料B，天然骨料的透水系數大于再生骨料A大于再生骨料B。

從針片狀含量看，天然骨料的針片狀含量高于A的針片狀含量高于B的針片狀含量，由于骨料中針片狀的顆粒會使混凝土的空隙率變大，受力后還容易被折斷，使得混凝土強度降低。這是摻入再生骨料A和再生骨料B制備的混凝土抗壓強度低的原因。

從吸水率看，由于再生骨料的吸水率高于天然骨料，使得骨料的可用凈水灰比降低，導致在攪拌混凝土時，水泥漿因為凈水灰比的降低而變得干硬，與骨料不能充分粘結，致使堵塞了骨料之間的間隙，使之不能形成上下聯通的透水通道，最終導致了透水性能差。

根據相關研究論述，在一般粗骨料配置的混凝土中，力學性能主要由水泥漿體強度來決定，但是在粗骨料強度偏低時則取決于骨料強度。本實驗中天然骨料的壓碎指標遠遠低于再生骨料，再生骨料的強度低于天然骨料，從而可能導致了再生骨料制備的混凝土由再生骨料強度決定從而偏低，天然骨料配制的透水混凝土強度主要取決于水泥漿的強度。

5.2 粗骨料粒徑對透水混凝土性能的影響

本次試驗以骨料種類相同而顆粒級配不同的再生骨料配制透水混凝土，（其中集灰比4.0，水膠比分別為0.25，0.30，0.35），對這幾種不同粗骨料設計的透水混凝土力學性能和透水指標進行測試，分別得到28d 抗壓強度、有效孔隙率、透水系數數據如下表所示：

從以上三表和三圖分析，不同配合比設計對透水混凝土力學性能和透水性能影響十分大，其中水膠比越大，透水混凝土力學強度稍微降低，但透水系數和聯通孔隙率都相應上升。在相同配合比下，骨料粒徑對透水混凝土的力學性能和透水性能影響顯著，粒徑越小則透水混凝土強度越高，透水性能越差。這主要是因為水泥用量一定時：

5.2.1 骨料粒徑越小，比表面積越大，骨料間接觸面積越大，膠結面積越大，力學性能越好。

5.2.2 從再生骨料本身性質來看，骨料粒徑越大，孔隙率越大，透水性越好，從而導致了抗壓強度等力學性能越差。

6 結語

6.1 骨料種類對透水混凝土性能影響較大，天然粗骨料配制的透水混凝土不論是力學性能還是透水性能都要優于再生骨料配制的透水混凝土，

6.2 不同再生骨料中品質好的再生骨料所配制的混凝土透水性能和力學性能較之于品質差的再生骨料所配制的混凝土更加優異。

6.3 相同品質的骨料，骨料粒徑對透水性能和力學性能有所影響，粒徑越大，透水性能越好，力學性能越差，同時不同配合比對透水混凝土力學性能和透水性能影響較大，其中水膠比越大，力學性能降低，透水性系數和有效孔隙率增加。

作者簡介：吳晗，男，漢，出生日期1999.11.28，學生，本科在讀，? 就讀于金陵科技學院。