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(xué)性能和透水性能的影響。研究結(jié)果表明天然粗骨料配制的透水混凝土不論是力學(xué)性能還是透水性能都要優(yōu)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(qiáng)度越低，透水性能越好。期望在此研究基礎(chǔ)上能優(yōu)化骨料在透水混凝土中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：粗骨料;粒徑;透水混凝土

隨著城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，混凝土已經(jīng)成為建筑工程領(lǐng)域中最為常見的一種建材，傳統(tǒng)混凝土總是密實(shí)不透水，由此帶來的城市水環(huán)境問題和熱島效應(yīng)等問題愈發(fā)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(tǒng)混凝土透水性能差的問題，使得其在國內(nèi)外眾多工程中得以應(yīng)用。本文以透水混凝土的兩個主要性能指標(biāo)：力學(xué)性能和透水性能為研究對象，從粗骨料種類、品質(zhì)來對混凝土兩大性能進(jìn)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?guī)r碎石，達(dá)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(shù)性質(zhì)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(biāo)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(qiáng)度及較好的透水性的配合比作為該試驗配合比設(shè)計的基準(zhǔn)。通過參考其他學(xué)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(zhǔn)， 在此配合比的基礎(chǔ)上通過改變水膠比進(jìn)行進(jìn)一步探究。

3 實(shí)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(jī)，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(jī)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(jìn)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(jié)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(shí)相結(jié)合的方法，用搗棒從外側(cè)向中心螺旋插搗20次，然后用制的擊實(shí)儀對混凝土進(jìn)行擊實(shí)，考慮到每層澆筑時要使分層處也緊密粘結(jié)，決定將一、二、三層的擊實(shí)次數(shù)定為 3，3，6 次，保證透水混凝土的密實(shí)性，最后抹平收面，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24h后拆模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28d。后測定透水混凝土各類性能：力學(xué)性能和透水性的測定。

4 實(shí)驗數(shù)據(jù)測定方法

4.1 抗壓強(qiáng)度：根據(jù)我國《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002） 中的規(guī)定，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度應(yīng)按照下式計算：

式中，

fcc，透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)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(nèi)標(biāo)準(zhǔn)立方體試150mm×150mm×150mm 不同，根據(jù)學(xué)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(qiáng)度產(chǎn)生影響。同樣，內(nèi)維爾也在大量的試驗及其分析中建立了抗壓強(qiáng)度與不同尺寸及不同形狀試塊之間抗壓強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換，即內(nèi)維爾公式：

式中：

P，所測得的抗壓強(qiáng)度，MPa;

P0，轉(zhuǎn)化得標(biāo)準(zhǔn)立方體試件的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度采用抗壓強(qiáng)度試驗機(jī)測得再根據(jù)內(nèi)維爾公式轉(zhuǎn)換即可的到圓柱形試件的抗壓強(qiáng)度。

4.2 有效孔隙率：使用質(zhì)量法測定透水混凝土的有效孔隙率是實(shí)驗室甚至是現(xiàn)場最常用的透水混凝土有效孔隙率的測定方法，根據(jù)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(chǎn)生并且質(zhì)量無變化及讀數(shù)穩(wěn)定時，讀出試件的質(zhì)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(zhì)量，待連續(xù)兩次質(zhì)量無變化時，測出透水混凝土試件的質(zhì)量記作m2。再根據(jù)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(zhì)量，g;

m2，試件在空氣中的質(zhì)量，g;

V， 試件的總體積，cm3;

ρw，水的密度，g/cm3。

4.3 透水系數(shù)：一般來說，滲透系數(shù)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(dǎo)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(shù)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(shù)，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(jù)一段時間內(nèi)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(nèi)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(jù)上式計算出滲透系數(shù) v 之后，可根據(jù)下式計算出透水系數(shù)：

5 實(shí)驗結(jié)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(gòu)造相同的顆粒級配（粒徑范圍在5mm-10mm設(shè)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(shè)計的透水混凝土力學(xué)性能和透水指標(biāo)進(jìn)行測試，分別得到28d 抗壓強(qiáng)度和有效孔隙率、透水系數(shù)數(shù)據(jù)如下表所示：

結(jié)合以上三表和三個數(shù)據(jù)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(xué)性能和透水性能的影響趨勢相同，即天然骨料的抗壓強(qiáng)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(shù)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(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)致在攪拌混凝土?xí)r，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(jié)，致使堵塞了骨料之間的間隙，使之不能形成上下聯(lián)通的透水通道，最終導(dǎo)致了透水性能差。

根據(jù)相關(guān)研究論述，在一般粗骨料配置的混凝土中，力學(xué)性能主要由水泥漿體強(qiáng)度來決定，但是在粗骨料強(qiáng)度偏低時則取決于骨料強(qiáng)度。本實(shí)驗中天然骨料的壓碎指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于再生骨料，再生骨料的強(qiáng)度低于天然骨料，從而可能導(dǎo)致了再生骨料制備的混凝土由再生骨料強(qiáng)度決定從而偏低，天然骨料配制的透水混凝土強(qiáng)度主要取決于水泥漿的強(qiáng)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(shè)計的透水混凝土力學(xué)性能和透水指標(biāo)進(jìn)行測試，分別得到28d 抗壓強(qiáng)度、有效孔隙率、透水系數(shù)數(shù)據(jù)如下表所示：

從以上三表和三圖分析，不同配合比設(shè)計對透水混凝土力學(xué)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(xué)強(qiáng)度稍微降低，但透水系數(shù)和聯(lián)通孔隙率都相應(yīng)上升。在相同配合比下，骨料粒徑對透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能影響顯著，粒徑越小則透水混凝土強(qiáng)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(jié)面積越大，力學(xué)性能越好。

5.2.2 從再生骨料本身性質(zhì)來看，骨料粒徑越大，孔隙率越大，透水性越好，從而導(dǎo)致了抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能越差。

6 結(jié)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(xué)性能還是透水性能都要優(yōu)于再生骨料配制的透水混凝土，

6.2 不同再生骨料中品質(zhì)好的再生骨料所配制的混凝土透水性能和力學(xué)性能較之于品質(zhì)差的再生骨料所配制的混凝土更加優(yōu)異。

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

作者簡介：吳晗，男，漢，出生日期1999.11.28，學(xué)生，本科在讀，? 就讀于金陵科技學(xué)院。