淺析粗骨料對(duì)混凝土性能的影響

楊 毅 呂 娜

(1.遼寧鑫圣達(dá)建筑材料有限公司 2.遼寧鑫圣達(dá)建筑材料有限公司)

引言

由于混凝土組份材料中的水泥與骨料的化學(xué)成分和力學(xué)性能(包括強(qiáng)度、彈性模量、收縮等)有較大的差異，因此對(duì)混凝土性能的影響也不同。如何使構(gòu)成混凝土的各種材料有序地結(jié)合，形成理想、穩(wěn)定的水泥石結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，這在混凝土應(yīng)用領(lǐng)域逐漸引起重視。混凝土中粗骨料的用量占混凝土用量的70%～80%左右，在通常的混凝土研究中，骨料級(jí)配調(diào)整往往被忽視。在混凝土骨料級(jí)配對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響方面，普遍認(rèn)為優(yōu)良的骨料級(jí)配可以配制出強(qiáng)度較高、工作性較好的混凝土。本文通過將不同級(jí)配粗骨料進(jìn)行若干組搭配拌制混凝土，研究其組合變化規(guī)律，測(cè)試其性能及抗壓強(qiáng)度，評(píng)估出強(qiáng)度變化與骨料級(jí)配變化的相關(guān)性。

1、骨料級(jí)配對(duì)混凝土坍落度的影響

只改變粗骨料級(jí)配的變化，研究在粗骨料級(jí)配變化的情況下混凝土坍落度值的變化，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 混凝上坍落度值

由表 6可得，當(dāng)采用單一粒徑粗骨料時(shí)，混凝土的坍落度值隨粗骨料粒徑增大而增加；并可明顯看出在9.5 -16.Omm及19-26.5mm粒徑區(qū)間時(shí)，坍落度值增加明顯。使用連續(xù)級(jí)配的粗骨料時(shí)，隨著粒徑種類的增多，坍落度增大，并在相同粒徑范圍內(nèi)隨著大粒徑的增多，坍落度值也相應(yīng)增大，但增加幅度不大。在使用非連續(xù)級(jí)配時(shí)，隨著粒徑的增大，坍落度增大，增加幅度明顯。這說明由于小粒徑骨料相對(duì)比表而積較大，所需用水量也較多，在相等用水量、水泥用量、細(xì)集料條件下，相對(duì)于大粒徑骨料，坍落度會(huì)減小，流動(dòng)性降低。

2、粗骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

當(dāng)粗骨料最大粒徑大于40 mm時(shí)，若采用減少用水量的方法增加混凝土的強(qiáng)度，則可能會(huì)因骨料與水泥砂漿的粘結(jié)面減少和骨料分布的不均勻，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部骨架的結(jié)構(gòu)不連續(xù)而產(chǎn)生不利影響。對(duì)于富水泥用量(水泥用量大于350 kg/m3)的混凝土，這種情況更為突出。因此，可以認(rèn)為，粗骨料的最大粒徑與混凝土的水泥用量有密切關(guān)系。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，粗骨料最大粒徑與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線，存在粗骨料最大粒徑臨界點(diǎn)，粗骨料最大粒徑大于此臨界點(diǎn)時(shí)，混凝土的強(qiáng)度反而會(huì)下降。有關(guān)學(xué)者對(duì)此現(xiàn)象解釋為:由于粗骨料粒徑的增大，削弱了粗骨料與水泥砂漿的粘結(jié)面積并造成了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性。

實(shí)驗(yàn)證明，在非勻質(zhì)的混凝土中粗骨料與水泥砂漿的界面粘結(jié)是混凝土強(qiáng)度的最薄弱環(huán)節(jié)，由于干縮在混凝土中產(chǎn)生的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，一般是隨著粗骨料粒徑的增大而增大。當(dāng)拉應(yīng)力或剪應(yīng)力超過了水泥和粗骨料的界面粘結(jié)強(qiáng)度，則將產(chǎn)生微細(xì)裂縫，持續(xù)受荷時(shí)這些產(chǎn)生于水泥砂漿與骨料結(jié)合面的微細(xì)裂縫逐步發(fā)展到水泥砂漿，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。試驗(yàn)研究資料中通過大量的卵石混凝土試驗(yàn)，分別采用了礦渣硅酸鹽水泥、油井水泥和中砂、特細(xì)砂配制混凝土，均取得了混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著骨料最大粒徑的減小而提高的效果。把這種現(xiàn)象稱之為“粗骨料的粒徑效應(yīng)”。試驗(yàn)結(jié)果還反映，無論采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)或水中養(yǎng)護(hù)，摻加混凝土減水劑與否，從R7到R365不同齡期均有明顯的粒徑效應(yīng)。對(duì)于在工程結(jié)構(gòu)上具有實(shí)用意義的混凝土棱柱體強(qiáng)度，具有更好的粒徑效應(yīng)。在碎石混凝土的試驗(yàn)中，由于碎石的表面特征與卵石不同，且含有一定量的片狀顆粒等原因，在立方體試件上雖未明顯反映出與卵石混凝土相同的規(guī)律，但其在混凝土棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度的比值方面仍然反映出明顯的粒徑效應(yīng)(見表2)。

表2 粒徑效應(yīng)

可以看出，無論是資料值還是規(guī)范值，棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度的比值，都是隨著骨料粒徑的減小而提高。另一個(gè)試驗(yàn)研究資料通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論研究指出，骨料粒徑愈大，界面就愈易開裂。在一定外荷載的作用下，界面裂縫首先在較大粒徑的粗骨料處產(chǎn)生，而粒徑較小的粗骨料在此時(shí)并未產(chǎn)生界面裂縫。隨著外荷載的增加，界面裂縫才開始在較小粒徑的粗骨料處出現(xiàn)。但是直到破壞荷載時(shí)，仍有相當(dāng)一部分的大粒徑的粗骨料的界面并未開裂。粗骨料的粒徑效應(yīng)不僅反映在混凝土的抗壓強(qiáng)度上，在混凝土的抗拉強(qiáng)度上也有明顯的粒徑效應(yīng)。通過濕篩前后混凝土抗拉強(qiáng)度的對(duì)比，在扣除了試件的尺寸因素的水泥砂漿含量的影響外，已經(jīng)獲得了粗骨料最大粒徑為40 mm～150 mm的混凝土抗拉強(qiáng)度的粒徑效應(yīng)系數(shù)。無粗骨料“粗砂混凝土”的研究、開發(fā)和應(yīng)用，實(shí)際上是在鋼絲網(wǎng)水泥結(jié)構(gòu)上采用了高強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)用的水泥砂漿。以強(qiáng)度相近的混凝土與水泥砂漿相比，還可以發(fā)現(xiàn):1)水泥砂漿強(qiáng)度的拉壓比高于混凝土；2）水泥砂漿的抗疲勞性能高于混凝土；3)水泥砂漿在長期荷載作用下的持久強(qiáng)度高于混凝土。這也屬于粒徑效應(yīng)在混凝土性能上的反映?？梢哉J(rèn)為，骨料粒徑的大小反映了骨料對(duì)混凝土收縮的限制能力不同，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的收縮應(yīng)力也不同。粒徑小的骨料在混凝土中形成的內(nèi)應(yīng)力較小，相應(yīng)地減少了混凝土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的微裂縫，從而使混凝土具有較好的力學(xué)性能。此外骨料粒徑小的混凝土也具有較好的勻質(zhì)性，其離散系數(shù)也較骨料粒徑大的混凝土小。

此外,粗骨料不僅對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生重大影響,而且對(duì)混凝土的彈性模量也起到舉足輕重的影響。一般情況下,對(duì)混凝土大多只考慮粗骨料的石材強(qiáng)度,而忽略了石材的彈性模量。石材的彈性模量(花崗巖為5×105～7×105、石灰石為4×105～5×105),均高于水泥砂漿的彈性模量。由于混凝土是一種多組份的復(fù)合材料,如果縮小粗骨料與水泥砂漿二者彈性模量的差值,就能減小混凝土中由于混凝土收縮而引起的內(nèi)應(yīng)力,從而改善或提高混凝土的力學(xué)性能(如:混凝土的棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度的比值、抗疲勞性能等),提高了混凝土的耐久性。

3、結(jié) 語

粗骨料的剛性骨架增加混凝土強(qiáng)度的同時(shí)改變了混凝土的變形能力，對(duì)于混凝土的裂縫具有阻擋作用，混凝土在建筑工程中的應(yīng)用的已經(jīng)很廣泛，作為混凝土材料的粗骨料對(duì)于混凝土的強(qiáng)度有著重要的影響，因此，深入的研究混凝土材料的性能，使其更好的提升混凝土的性能，提升建筑工程質(zhì)量。

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