粗集料特性對混凝土性能的影響研究

盧佳林，牛子東，藍國平，吳家有，粟芳春

（1. 廣西中建西部建設有限公司，廣西 南寧 530201；2. 南寧中建西部建設有限公司，廣西 南寧 530201）

0 引言

混凝土作為世界上最大宗的建筑材料，廣泛應用于房屋、橋梁以及道路等各種工程建設中。它作為一種多相復合材料，一般被認為是由水泥石和粗集料以及兩者之間的界面過渡區這三個結構單元構成，其中粗集料在混凝土中主要起填充骨架作用，所以粗集料自身特性顯著影響混凝土的工作性能、力學性能以及耐久性能[1]。但目前人們為了提高混凝土的強度，主要通過研究膠凝材料如水泥、礦物摻合料的水化以及混凝土外加劑這幾方面，對粗集料自身特性與混凝土強度等性能影響研究較少且單一，缺乏多因素的耦合及系統的總結[2]。

為此本研究綜述了國內外混凝土中粗集料的強度、粒徑、級配、顆粒形貌以及用量等特性對混凝土主要性能的影響方面的研究工作，以期為各種強度等級混凝土粗集料的選用提供理論指導。

1 粗集料對混凝土強度的影響

1.1 粗集料強度對混凝土強度的影響

粗集料作為混凝土的骨架，其強度對混凝土的強度影響較大，且隨著混凝土強度的增大影響越顯著。戴朝陽[3]認為粗集料的強度直接影響混凝土的強度，同時在對高強混凝土研究中發現，粗集料強度的影響對高強混凝土更加明顯。Neville 和 Brooks[4]也指出粗集料的強度大小對高強混凝土的基體性能具有很重大的影響。這是因為低強度的混凝土所造成的破壞主要是由于水泥石與粗集料之間的過渡區發生破壞，粗集料的強度較難體現，而高強混凝土的界面過渡區的強度得到增強，高強混凝土受到破壞時，破壞面主要出現在粗集料上，因而粗集料強度直接決定了混凝土的強度。

眾多學者都開展研究了不同種類的粗集料對混凝土強度的影響，梁天宇[5]在高強、中強和低強混凝土三種不同強度等級的基體條件下，分別研究了碎石、陶粒、加氣混凝土、砂漿以及鋼集料等不同集料強度對混凝土抗壓強度的影響，發現鋼集料所配制的混凝土強度遠高于其他集料所配制的混凝土；H.Beshr[6]等人研究了白云巖、石灰石、石英巖和鋼渣等不同強度等級的粗集料對高強混凝土抗壓強度的影響，結果表明采用集料強度最高的鋼渣制備的混凝土抗壓強度也最高，強度最低的石灰石制備的混凝土抗壓強度最低。Zhou[7]研究了鋼集料、石灰石、礫石和玻璃集料對混凝土抗壓強度的影響，發現集料自身強度顯著影響混凝土的強度。

同時上述研究都發現，粗集料強度與基體強度之間存在著強度和剛度相互匹配關系，即粗集料強度低于基體強度時，粗集料對基體強度起負作用；當集料強度高于基體強度時，粗集料有利于基體強度的提高，只有在兩者相互協調的前提下，才能共同改善混凝土的強度。A.M. 內維爾[8]認為混凝土強度等級與它所用的粗集料強度之間不應相差太大；蔣廣京[9]通過大量實驗和工程應用得出了最佳的粗集料強度與混凝土強度等級之間的強度系數為 1.3，即粗集料的抗壓強度值為混凝土強度等級 1.3 倍。同時行業標準 JTG/T F 50－2011《公路橋涵施工技術規范》也指出了，粗集料的抗壓強度與所制備混凝土基體之間強度之比應不小于 1.5。綜上，集料與基體的強度差異對混凝土絕對強度和強度發展有很大的影響，兩者越不匹配，對混凝土強度的影響越大。粗集料強度應高于基體強度，且應在一個合適的范圍內，才能改善混凝土的力學性能。

1.2 粗集料巖性對混凝土強度影響

母巖的性質不同，礦物組成不同，會導致粗集料吸水率、表觀密度等區別。表現在混凝土上為新拌混凝土的坍落度、流動性以及硬化后的混凝土的力學性能會產生明顯的偏差。任秉龍[10]試驗了石灰巖碎石、玄武巖碎石及碎卵石三種粗集料對混凝土抗壓強度的影響，養護 3d 時，石灰巖碎石組成的混凝土抗壓強度最大，碎卵石組成的混凝土抗壓強度最小；養護 28d 時，玄武巖碎石混凝土抗壓強度最大，石灰巖碎石混凝土抗壓強度最小。這是因為，前期水泥凝結時間短，強度較低，而表面粗糙的粗集料與水泥的粘結強度高，因而前期石灰巖混凝土強度最高，卵石混凝土強度較低；后期隨著水泥水化時間的延長，水泥強度增加，此時混凝土的強度取決于粗集料強度，而玄武巖強度最高，故 28d 玄武巖混凝土的抗壓強度最高。沈嫣秋[11]采用花崗巖、石灰巖和玄武巖這三種粗集料配制混凝土，研究發現，對于低強混凝土來說不同巖石所配制的混凝土抗壓強度和抗折強度十分接近，即巖石強度對強度等級較低混凝土的力學性能影響較小；對中高強混凝土來說，采用強度較高的花崗巖和玄武巖配制的混凝土抗壓強度和抗折強度較石灰巖配制的混凝土高出一個強度等級。蘭宏斌[12]分析了花崗巖、玄武巖、石灰巖、輝綠巖四種巖性集料對混凝土工作性和力學性能的影響，發現吸水率較低的花崗巖和玄武巖混凝土工作性最好，石灰巖次之，輝綠巖最差；采用四種粗集料配制中等強度混凝土，吸水率較低的石灰巖混凝土抗壓強度最高，吸水率最高的輝綠巖混凝土抗壓強度最低。這是因為石灰石表面粗糙且與水泥凈漿發生化學反應，致使界面粘結力提高。

1.3 粗集料粒徑對混凝土強度影響

粗集料的粒徑是影響混凝土強度的重要因素之一。隨著粗集料粒徑的增大，粗集料的比表面積減小，拌合物所需要的水泥漿減少，在工作性和水泥用量一定的情況下，會使得混凝土的強度提高。但并不是粗集料粒徑越大越好，當粗集料粒徑超過一定限度后，一是粗集料粒徑的增大導致混凝土的缺陷增多，內部空隙率增大，粗集料與水泥漿體間的粘結強度下降，而且易于引起水泥漿中的附加內應力；二是粗集料粒徑過大，使得顆粒在新拌混凝土中下沉過快，導致混凝土內部顆粒分布不均勻，致使混凝土的強度下降[13]。沈衛國[14]認為粗集料粒徑的選擇是設計混凝土強度最重要的技術參數之一，且對于高強混凝土而言，最佳粒徑范圍在 9～25mm 之間。戴朝陽[3]、陳兵[15]認為粗集料的粒徑對混凝土的強度有較大影響，且最佳粒徑范圍在 5～15mm 內，當粒徑高于 15mm 后，隨粒徑的增大，混凝土強度下降。內維爾[8]研究發現配制強度在 60～100MPa 的混凝土時，粗集料粒徑不應超過20mm；配制強度高于 100MPa 的混凝土時，粗集料粒徑應小于 12mm。Keru Wu[16]利用聲波技術研究粗集料粒徑對混凝土強度的影響，研究發現隨著粗集料粒徑的增大，混凝土強度也增大，當粒徑超過 15mm 時，混凝土強度卻隨著粒徑增大而下降。通過上述研究發現，雖然不同學者研究結果稍有出入，但粗集料粒徑與混凝土強度設計之間存在一個最佳最大的集料粒徑，且范圍在15～20mm 內。

1.4 粗集料級配對混凝土強度影響

集料級配優劣直接影響混凝土的和易性、工作性、力學性能和經濟效益。因此，人們在關于集料級配與混凝土強度影響方面做了眾多的試驗并提出了大量的級配理論和級配模型，但這些理論和模型缺乏普遍性。沈李明[17]通過試驗研究了四種粗集料級配下的預拌混凝土工作性能，發現 16～20mm 的級配、25～31.5mm 的級配和 10～16mm 的級配對混凝土的質量影響較大。蒲磊[18]通過改變粗集料中大小石子的比例來測試混凝土的強度，研究結果表明增加粗集料中大石子所占比例，減少小粒徑石子，有利于提高混凝土的和易性和強度，且級配的變化對混凝土的早期強度影響較小，后期強度影響大。封建森[19]等人認為采用連續級配的混凝土性能優于間斷級配和單級配的混凝土，這是因為連續級配的混凝土由于結構更為致密，內部空隙率低，混凝土攪拌得更加均勻。研究表明，級配良好的粗集料，其中大粒徑的石子占比在 70% 時，混凝土的強度最高[20]。謝麗霞[21]等人通過研究粗集料級配對不同強度等級的混凝土性能的影響，發現集料級配對高強混凝土的影響較大，對低強混凝土的影響較小。眾多研究發現，配制混凝土時應優先考慮連續級配，缺乏連續級配時，可將兩種及上的單級配的粗集料按一定比例配成連續級配，且級配中粒徑大的石子應占比例大。

1.5 粗集料粒型對混凝土強度的影響

粗集料的粒型受到生產工藝、母巖材質等因素的影響，因而粗集料顆粒形貌差異巨大，各種粒型（球形、棱角、針片狀等）并存。粗集料顆粒的表觀形貌對新拌混凝土的和易性和凝結硬化后的混凝土力學性能有很大的影響。隨著粗集料不規則度的增加，使得粗集料的空隙率和比表面積增大，與水泥漿體的接觸面積也增大，一方面會提高混凝土強度，另一方面，粗集料的吸水作用增強，顆粒間摩擦阻力增大，使得混凝土需水量增大，和易性降低，造成強度下降[5]。一般而言，理想的粗集料粒型為接近球形或者正多面體，這對混凝土力學性能發展有促進作用。研究發現粗集料的形貌會影響混凝土內部的應力集中，進而影響材料整體的強度變化，這是因為粗集料是通過影響界面過渡區的微裂縫發展，來影響混凝土的應力集中現象[22]。封建森[5]、梁天宇[19]等人制備了碎石粗骨料混凝土與卵石粗骨料混凝土，并測試了混凝土 28d 強度。結果表明，采用碎石作為粗骨料的混凝土其力學性能高于卵石粗骨料混凝土，這是因為相對于表面光滑的卵石而言，碎石表面粗糙、形狀不規則，使得碎石與水泥漿體間的粘附力增強，同時粗集料之間的機械咬合力更大，因此采用碎石配制的混凝土力學性能也較好。針片狀粒型是粗集料顆粒常見且極端的粒型，研究認為，粗集料中針片狀的顆粒含量越高，會使得混凝土和易性降低，當針片狀顆粒含量過高時，它在混凝土中多以簡支梁狀形式存在，容易折斷，同時，個別的針片狀顆粒又會對附近其他顆粒呈尖劈作用，易造成混凝土破壞[23]。劉東[24]認為較多的針片狀含量對高強混凝土的工作性不利，且會明顯降低高強混凝土后期的抗壓強度，并確定用于高強混凝土的粗集料的針片狀含量不宜超過 10%。王博洋[25]等人指出當粗集料中片狀顆粒含量超過 15% 時，新拌混凝土會發生明顯的離析，使得硬化的混凝土不均勻性增大，降低混凝土強度。吳歷斌[26]等人研究了粗集料中針片狀顆粒對混凝土工作性和力學性能的影響，認為混凝土用粗集料中最佳的針片狀顆粒含量不應多于 12%，而郭玉起[27]研究認為含量不應超過 5%。歐美國家規定的標準則更大，如西班牙為 35%，英國為 35%～40%。

1.6 粗集料用量對混凝土強度的影響

粗集料作為構成混凝土骨架的基礎，其含量的多少直接影響混凝土的工作性、強度和耐久性。隨著粗集料含量的變化，粗集料在混凝土中大致分為三個狀態：一是當粗集料含量較少時，粗集料間不互相接觸，懸浮在基體中，形成懸浮密實結構；二是當粗集料含量繼續增多，一部分粗集料相互搭接形成骨架，粗集料間的空隙被基體所填充，形成密實骨架結構；三是當粗集料含量過高時，粗集料之間緊密銜接，形成眾多空隙卻未被基體填充，即骨架空隙結構。因此對于構成混凝土結構的粗集料存在一個最佳用量的問題，合適的粗集料用量，不僅可以提高混凝土工作性、強度和耐久性，也能節約成本。劉東[24]通過體積法設計了 34.6%、39.6%、44.6%、49.6%、54.6% 和 59.6% 五種不同粗集料體積分數的混凝土，研究發現粗集料含量增加對早期強度有利，當含量為 50% 左右，混凝土的后期強度最佳。張立新[20]認為混凝土存在最佳集料用量，且從強度和斷裂性能來看，高強混凝土的最佳用量為 60%。戴朝陽[3]研究認為，普通混凝土的最佳集料體積率為 50%，高強混凝土體積率為 60%。Bing Chen 和 Juanyu Liu[28]通過改變不同等級的混凝土中粗集料用量發現，對于普通混凝土而言，隨著粗集料用量從 30% 增加到 70%，其韌性和強度呈增大趨勢；但對高強混凝土來說，隨粗集料用量從 40% 增加到 80%，其韌性和強度呈先增大后減小的趨勢，且粗集料含量為 60% 的高強混凝土性能最佳。而 TASDEMIR M.A[29]研究發現，當粗集料體積分數從 0.15 增加到 0.6 時，混凝土的強度下降。Nicholas O[30]對粗集料含量為 36%、40% 和 44% 的高強混凝土進行研究發現，最佳的混凝土粗集料含量應在 36%～40% 之間，超過 40% 會導致混凝土的強度下降。Stock A.F[31]等人研究發現，當粗集料含量從 0%～20% 變化時，混凝土抗壓強度逐漸減小，而當集料含量從 40%～80% 變化時，混凝土抗壓強度增大。

2 集料與混凝土耐久性

在混凝土中，除了混凝土的工作性和力學性能要滿足要求外，還要保證混凝土耐久性達到較高水平。混凝土良好的耐久性可以起到延長使用壽命、降低維護成本、減少安全隱患目的。粗集料的幾何特性、物理性能、化學成分等對混凝土早期的工作性能、硬化后的力學性能及耐久性能都存在不可忽視的影響。張金喜[32]等研究用八種品質不同的粗集料制備的混凝土的抗凍性能，發現粗集料的抗壓強度、抗拉強度和密度越大，其混凝土的抗凍性越好；粗集料的吸水性越高，則相應的抗凍性越差。夏景亮[33]研究了兩種不同巖性的粗集料制備的混凝土的抗氯離子滲透性和抗凍性性能，發現采用花崗巖配制的混凝土的氯離子滲透系數低于石灰巖粗集料混凝土的氯離子滲透系數，經過 250 次凍融循環后，花崗巖粗集料混凝土較石灰巖粗集料混凝土的質量損失、強度和相對動彈性模量下降幅度小。這是因為使用不同巖性粗集料配制的水泥混凝土，抗滲性能有所差別，主要與巖石的吸水率和孔隙率等有關。粗集料的形狀、最大粒徑及級配，對集料與水泥漿體界面上的結構有影響，當集料中含有較多的片狀、條狀集料或集料的級配不好時，界面上將存在較多的自由水或孔隙，水分在蒸發后也將形成較多的孔隙，形成的孔隙越多，混凝土的抗滲性也就越差，進而導致混凝土耐久性變差，因此改善集料的加工質量，適當減小粗集料的最大粒徑，保證集料良好的粒形和顆粒級配，都能大大改善混凝土的耐久性。

3 集料與混凝土收縮變形

混凝土收縮變形是指因內外部濕度變化、化學反應、溫度變化等因素引起的體積變形，是導致混凝土早期開裂的主要原因。粗集料既能引發裂縫，又能阻擋裂縫的擴展，對混凝土的收縮起到約束效果。由于混凝土中的粗集料含量不合理，使得混凝土內部存在著許多微裂縫，這些微裂縫產生應力集中，導致混凝土在未達到強度前就產生破壞，一般而言混凝土的收縮變形隨著粗集料含量的增大而減小，而粗集料的彈性模量決定它的約束程度。當粗集料含量由 60% 增加至 75%，混凝土徐變則降低 50% 左右，粗集料含量從 71% 增加到 74%時，收縮下降 20%[33]。集料的級配、最大粒徑、粒形和表面結構都是間接地影響混凝土的干縮。集料的彈性模量被公認為對干縮影響最大、最直接。集料的彈性模量越大，體積含量越高（或水泥石體積含量越小），則集料體積壓縮系數越小，集料對水泥石收縮約束度越大，混凝土收縮量越小。集料的吸水率反映其孔隙率的大小，吸水性影響了集料的剛度和可壓縮度，通常，粗集料吸水率高，混凝土收縮大。粗集料品種對混凝土的干縮和徐變也有很大影響，石灰巖和石英巖混凝土的干縮值遠小于礫石和砂巖混凝土的干縮值，這是因為石灰巖和石英巖相對致密、彈性模量高，當高彈性模量粗集料被低彈性模量粗集料取代時，混凝土的干縮和徐變均增大 3.15 倍[8]。

4 結語

本研究綜述了粗集料強度、粒徑、級配、顆粒形貌、用量等對混凝土性能的影響。總體而言，粗集料性質的改善和用量的提高對改善混凝土的性能具有積極的影響，尤其是對高強高性能混凝土。混凝土中存在集料粒徑效應、最佳級配、最佳顆粒形貌和最佳用量，在混凝土配合比設計過程中，選擇合適的骨料種類、品質和粗集料用量，會有效改善混凝土的性能。