卵石混凝土的強度和干縮特性

陳旭濤，趙鵬，曹忠露，李沛

（1.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

非洲地區(qū)某新建港口項目是在近岸水域新建1個離岸式700 m長的高樁碼頭[1]，其灌注樁混凝土的強度要求相當于C37，梁板結(jié)構(gòu)混凝土的強度要求為C45。因當?shù)氐膲K石和碎石資源匱乏、開采應(yīng)用十分稀少，其樁梁板結(jié)構(gòu)混凝土采用當?shù)芈咽橇线M行配制。而當?shù)鼗炷劣霉橇暇鶠槲雌扑榈谋砻婀饣乃绰咽?，其與水泥膠凝材料間的黏結(jié)強度較弱，且該卵石內(nèi)部存在一定微裂隙，自身強度較低，是制約混凝土強度的主要因素之一。

卵石的形貌（光滑和破碎）對混凝土強度的影響顯著，表面光滑卵石混凝土和破碎卵石混凝土的強度差異與混凝土的水灰比和強度等級密切相關(guān)，水灰比越小，強度等級越高，其強度差異越大[2]。卵石骨料的破碎工藝能改善卵石混凝土的抗壓強度和抗拉強度，對抗壓強度的改善程度在10%以內(nèi)，對抗拉強度的改善程度可達20%[3]。卵石粗骨料粒徑對混凝土強度也有一定影響，卵石粗骨料粒徑的增大，導致混凝土抗壓強度的降低；且水灰比越小，卵石粗骨料的粒徑效應(yīng)越顯著[4]。卵石粒徑對卵石與漿體間的界面黏結(jié)強度影響較小，卵石骨料與漿體間的界面黏結(jié)強度隨著混凝土強度等級的提高而增大，約為混凝土抗壓強度的5.5%耀12%[5]。卵石骨料常用于配制C40以下等級混凝土，對于C40以上等級混凝土特別是預(yù)應(yīng)力混凝土一般首先選擇碎石骨料，但卵石骨料配制C50和C60高強高性能混凝土已有相關(guān)報道且成功應(yīng)用于高層建筑和橋梁工程[6-8]。

雖然國內(nèi)外對卵石混凝土的性能和工程應(yīng)用進行了相關(guān)的研究[2-9]，但不同地區(qū)所用卵石的顆粒級配、巖性、形貌和強度特性有所不同。本研究目的是對項目當?shù)芈咽退槭橇系募壟?、形狀和力學特性進行分析，比較相同坍落度下卵石混凝土和碎石混凝土的強度差異，闡明摻合料對卵石混凝土強度和收縮性能的改善效果，以期為現(xiàn)場的工程應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)和支撐。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：Nova TUNGA CEM II/A-L 42.5 N石灰石硅酸鹽水泥，依據(jù)BS EN 196和BS EN 197，其性能指標如表1所示。

砂子：選用Sassa-Zau水洗砂和Futila天然砂，按5頤5進行混摻，依據(jù)BS EN 933、BS EN 1097和BS EN 12620，其性能指標如表2所示。

表1 TUNGA CEM II/A-L水泥的性能指標Table 1 Performance of TUNGA CEM II/A-L cement

表2 砂子的性能指標Table 2 Performance of sand

卵石：料源為三沙罩（Sassa-Zau），為石英巖，依據(jù) BS EN 933、BS EN 1097和 BS EN 12620對其性能進行檢測，山卵石開采后經(jīng)水洗獲得粒徑4~8 mm的細卵石骨料和8~31.5 mm的粗卵石骨料，壓碎值15.6%，10%細粒值140 kN，密度為2.67 g/cm3，吸水率為1.38%，卵石骨料的長厚比均值為1.91，針片狀含量2.8%，粗細卵石骨料按8頤2摻配時的顆粒級配見圖1。

碎石：料源為伯利茲（Belize），為片麻巖，依據(jù) BS EN 1926、BS EN 933、BS EN 1097和 BS EN 12620對其性能進行檢測，抗壓強度為130 MPa，密度為3.0 g/cm3，吸水率為0.11%，開采后的塊石經(jīng)顎式破碎機破碎后獲得粒徑4~8 mm的細碎石骨料和8~31.5 mm的粗碎石骨料，破碎后碎石骨料的長厚比均值為3.38，針片狀含量48.5%，粗細碎石骨料按8頤2摻配時的顆粒級配如圖1所示。

圖1 卵石和碎石的顆粒級配Fig.1 Gradation curve of pebble and crushed stone

減水劑：山西佳維生產(chǎn)的液體萘系減水劑，依據(jù)BS EN 934，其性能指標如表3所示。

表3 萘系減水劑的性能指標Table 3 Performance of Naphthalene Water-reducer

礦粉：唐山唐龍新型建材有限公司生產(chǎn)的S95?；郀t礦渣粉，依據(jù)BS EN 15167，其性能指標如表4所示。

表4 礦粉的性能指標Table 4 Performance of GGBS

拌和水：卡約村地下水，依據(jù)BS EN 1008，其性能指標如表5所示。

表5 水的性能指標Table 5 Performance of water

1.2 配合比設(shè)計

試驗的配合比設(shè)計見表6。目的是比較相同坍落度下卵石混凝土和碎石混凝土的強度差異，分析礦粉摻量對卵石混凝土強度和收縮性能的改善效果。

表6 卵石和碎石混凝土的配合比及初始坍落度Table 6 Mix proportion and initial slump of pebble and crushed stone concrete

同坍落度卵石混凝土和碎石混凝土的用水量，通過坍落度試驗確定。即在配制混凝土時，碎石混凝土的用水量采用以卵石混凝土的用水量為基礎(chǔ)，通過逐漸增加用水量，選取碎石混凝土坍落度與卵石混凝土坍落度相同時的用水量，作為該組碎石混凝土的用水量。

前期研究表明，礦粉摻量30%耀50%時，能提高本試驗所使用的TUNGA CEM II/A-L 42.5 N水泥膠砂的28 d抗折和抗壓強度。故選取30%和50%的礦粉摻量，來分析膠材總量380 kg和460 kg時礦粉對卵石混凝土強度和收縮性能的影響。

1.3 試驗方法

表6中的混凝土配合比使用單軸臥式混凝土攪拌機進行拌和，試拌后分別測量初始坍落度，并成型4組150 mm伊150 mm伊150 mm試塊，測7 d抗壓、7 d劈裂抗拉、28 d抗壓、28 d劈裂抗拉強度。依據(jù)BS EN 12350-2測試新拌混凝土的坍落度，依據(jù)BS EN 12390-2制作和養(yǎng)護試件，依據(jù)BS EN 12390-3測試硬化混凝土的抗壓強度，依據(jù)BS EN 12390-6測試硬化混凝土的劈裂抗拉強度，依據(jù)BS EN 12390-16成型并測試硬化混凝土的干燥收縮。

2 結(jié)果與討論

2.1 同坍落度下卵石混凝土和碎石混凝土的強度差異

卵石混凝土和碎石混凝土的強度差異見表7。同坍落度下卵石混凝土的拌和用水量顯著低于碎石混凝土的拌和用水量，卵石混凝土的水膠比比碎石混凝土的水膠比低0.04耀0.06，同坍落度下卵石混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度均略高于碎石混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，且隨著抗壓強度的提高，卵石混凝土中卵石骨料本身的破壞明顯增多。在相同坍落度下，卵石混凝土比碎石混凝土具有抗壓和抗拉強度方面的優(yōu)勢。

表7 卵石和碎石對混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度影響Table 7 Effect of pebble and crushed stone on the compressive strength and splitting tensile strength of concrete

2.2 卵石混凝土和碎石混凝土的拉壓關(guān)系

混凝土的軸心抗拉強度的理論值是劈裂抗拉強度的（1+3滋）倍[10]，滋是一個隨混凝土的配合比、強度、齡期及含水量等因素變化而變化的數(shù)值。一般滋取0.2，軸心抗拉強度是劈裂抗拉強度的1.6倍；對于高強混凝土，滋約為0.12，此時軸心抗拉強度是劈裂抗拉強度的1.36倍。

卵石混凝土和碎石混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度的關(guān)系見圖2。卵石混凝土的劈裂抗拉強度隨著抗壓強度的提高而近似直線增大。卵石混凝土的劈裂抗拉強度和抗壓強度的關(guān)系均位于BS EN 1992-1中給定的混凝土抗拉強度設(shè)計值（fctd）之上，其拉壓關(guān)系滿足英標要求。

圖2 卵石混凝土和碎石混凝土的拉壓強度關(guān)系Fig.2 Relationship between compressive strength and splitting tensile strength of pebble and crushed stone concrete

在膠材用量相同、骨料級配相似、混凝土坍落度相同的情況下，卵石混凝土和碎石混凝土的拉壓關(guān)系無顯著區(qū)別，表明使用碎石全部替代卵石并不能有效的改善混凝土的拉壓關(guān)系，因此卵石完全可以取代碎石應(yīng)用在工程建設(shè)中。

2.3 礦粉對卵石混凝土強度的影響

礦粉對卵石混凝土強度的影響，見表8。摻加30%或50%礦粉對卵石混凝土早期7 d抗壓強度和7 d劈裂抗拉強度的影響較小，但可促進后期28 d抗壓強度和28 d劈裂抗拉強度的提高。

表8 礦粉摻量對卵石混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度影響Table 8 Effect of GGBS on compressive strength and splitting tensile strength of pebble concrete

2.4 礦粉摻量對卵石混凝土干燥收縮的影響

圖3耀圖4給出了膠材總量380 kg和460 kg，礦粉摻量0%、30%、50%時混凝土的干燥收縮率和失水率（圖中編號為：膠材總量-礦粉摻量-試件編號）。卵石混凝土的干燥收縮隨膠材總量的增加而增大，隨礦粉摻量的增加而降低，礦粉摻量50%時，可有效降低卵石混凝土的干燥收縮率。

卵石混凝土的干燥收縮率與干燥失水率關(guān)系密切，干燥收縮率隨失水率的增大而增大，摻加礦粉可顯著降低卵石混凝土的干燥失水率。干燥失水和干燥收縮主要發(fā)生在前14 d齡期，后期趨于平穩(wěn)，卵石混凝土澆筑后14 d內(nèi)做好灑水養(yǎng)護非常重要。

圖3 膠材總量380 kg，礦粉摻量0%、30%、50%時卵石混凝土的干燥收縮率和干燥失水率Fig.3 Drying shrinkage and water loss of pebble concrete with 380 kg binding materials and 0%,30%,50%GGBS

圖4 膠材總量460 kg，礦粉摻量0%、30%、50%時卵石混凝土的干燥收縮率和干燥失水率Fig.4 Drying shrinkage and water loss of pebble concrete with 460 kg binding materials and 0%,30%,50%GGBS

3 結(jié)語

1）同坍落度下卵石混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度均略高于碎石混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，且隨著抗壓強度的提高，卵石混凝土中卵石骨料本身的破壞明顯增多。

2）卵石混凝土的劈裂抗拉強度隨著抗壓強度的提高而近似直線增大，其拉壓關(guān)系滿足英標要求，且同坍落度下卵石混凝土和碎石混凝土的拉壓關(guān)系無顯著區(qū)別。

3）卵石混凝土的干燥收縮隨膠材總量的增加而增大，隨礦粉摻量的增加而降低，礦粉摻量50%時，可有效降低卵石混凝土的干燥收縮率。