粗骨料對混凝土性能的影響.doc

粗骨料對混凝土性能的影響郭福安 201306225摘要:混凝土是目前最大宗的建筑材料，而粗骨料作為混凝土的重要組成材料之一,其性能將對混凝土性能產(chǎn)生不可忽略的影響。該文通過對國內(nèi)外相關(guān)研究成果的整理、分析,概括總結(jié)粗骨料對混凝土性能影響的研究現(xiàn)狀,并提出了存在的問題,為進(jìn)一步改善混凝土性能提供參考和依據(jù)并為HPC配合比的優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:粗骨料;混凝土;化學(xué)成分;形貌;級配;性能影響引言混凝土是目前最大宗的建筑材料1，它是一種多相復(fù)合材料，其強(qiáng)度取決于水泥石、粗骨料以及粗骨料與水泥石之間的界面強(qiáng)度。粗骨料是混凝土的骨架，據(jù)統(tǒng)計，粗骨料可占混凝土體積的50%70%，它會影響新拌混凝土的流變性以及硬化混凝土的力學(xué)性能和耐久性2。近年來，由于天然砂資源短缺，人們加強(qiáng)了對細(xì)骨料的研究，使機(jī)制砂的生產(chǎn)與使用得到迅速發(fā)展3，但是對于粗骨料仍然沒有給予足夠的重視?，F(xiàn)在隨著混凝土工程的超高層化和大型化，高強(qiáng)混凝土的使用越來越廣泛，而在高強(qiáng)混凝土中，粗骨料相對來說才是薄弱環(huán)節(jié)46，粗骨料本身的特征，如種類、顆粒形狀及大小、表面特征和級配，無論是對新拌混凝土還是硬化后混凝土的性能都有著重要的影響。因此，有必要全面深入地探討粗骨料的物理化學(xué)特性對混凝土性能的影響。1粗骨料在混凝土中的作用粗骨料是混凝土的重要組成部分，原來人們認(rèn)為粗骨料是一種惰性材料，通過水泥漿的粘結(jié)作用與水泥砂漿構(gòu)成混凝土。實(shí)際上粗骨料并不是沒有活性的，它的物理化學(xué)性質(zhì)都會對混凝土的性能產(chǎn)生影響7美國著名混凝土專家Metha曾指出:“將粗骨料作為一種惰性填充材料應(yīng)畫上一個問號”。我們可以將國內(nèi)外學(xué)者對粗骨料在混凝土中所起的作用的研究成果歸納為以下幾點(diǎn)。1.1粗骨料的剛性骨架作用在普通混凝土配合比設(shè)計中，一般認(rèn)為粗骨料抗壓強(qiáng)度應(yīng)為混凝土設(shè)計強(qiáng)度的2倍左右，不得低于設(shè)計強(qiáng)度的1.5倍8，粗骨料的強(qiáng)度和彈性模量通常要比水泥石高，其耐久性和體積穩(wěn)定性也是混凝土各組分中最好的，而且粗骨料體積超過混凝土體積的一半，因此粗骨料在混凝土中起著剛性骨架的作用。在混凝土承受壓荷載時，其內(nèi)部由粗骨料傳遞應(yīng)力，當(dāng)混凝土在外荷載作用下發(fā)生破壞時，裂縫很難貫穿粗骨料而是繞過粗骨料在骨料周圍出現(xiàn)，這樣在一定的條件下，混凝土破壞時可能會吸收更高的能量，從而提高混凝土的強(qiáng)度。粗骨料的這種作用不僅可以提高混凝土的強(qiáng)度，而且還可提高混凝土的彈模，減小荷載作用下的變形，改善混凝土的變形性，使得混凝土比水泥砂漿的體積穩(wěn)定性和耐久性更好9。1.2粗骨料對混凝土裂縫的引發(fā)及阻擋作用研究表明，混凝土受壓破壞的實(shí)質(zhì)是混凝土內(nèi)部已有的結(jié)構(gòu)缺陷(尤其是微裂紋)在荷載作用下不斷擴(kuò)展的結(jié)果10。由此可以看出，粗骨料對混凝土中裂縫的引發(fā)作用?；炷僚浜媳戎写止橇系暮坎缓侠?、混凝土施工工藝的局限性以及混凝土的收縮和徐變，會使混凝土內(nèi)部在承受荷載前就出現(xiàn)了微裂紋、氣泡以及粗骨料下的水囊，這些缺陷會使混凝土在未達(dá)到其強(qiáng)度前破壞。粗骨料可以限制混凝土的收縮，使其收縮值與水泥砂漿相比小很多，這樣就會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而引發(fā)微裂縫。內(nèi)應(yīng)力的大小與分布與混凝土和粗骨料本身的彈模有關(guān)，也與粗骨料的粒徑有關(guān)1113。當(dāng)混凝土受力后，微裂縫擴(kuò)展到粗骨料時，很難通過比混凝土基體密實(shí)的粗骨料，因此裂縫通常要繞過粗骨料，這樣裂縫的擴(kuò)展過程就可能會吸收更多的能量，這就是粗骨料對裂縫的阻擋作用。1.3粗骨料與水泥砂漿之間的作用混凝土中的粗骨料與水泥砂漿基體之間存在界面過渡區(qū)，研究表明，許多情況下基體與粗骨料的結(jié)合處是混凝土結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，只有粗骨料表面易于和砂漿基體粘結(jié)，界面過渡區(qū)的強(qiáng)度才可能高。混凝土的許多性能往往與界面過渡區(qū)的性能有關(guān)，粗骨料混合空隙度的改變會改變混凝土的體積填充率，這樣會影響界面過渡區(qū)的數(shù)量，從而影響混凝土的性能。較好的粗骨料表面構(gòu)造也提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性14。2粗骨料對混凝土性能的影響2.1粗骨料種類的影響骨料種類不同，骨料的材質(zhì)、強(qiáng)度、彈模、化學(xué)成分以及吸水率等就可能不同，我們可以從這些方面考慮骨料對混凝土性能的影響。骨料本身的強(qiáng)度、變形性以及吸水率與混凝土的性能息息相關(guān);骨料中的化學(xué)成分可能會與水泥膠砂發(fā)生反應(yīng)，對混凝土產(chǎn)生有利或不利的影響。2.1.1粗骨料的強(qiáng)度、彈模對混凝土性能的影響粗骨料對高強(qiáng)混凝土有較大影響，在高強(qiáng)混凝土中，水灰比通常低于0.415，這時由于砂漿以及砂漿與粗骨料界面的強(qiáng)度已經(jīng)很高，因此制約混凝土強(qiáng)度的是粗骨料本身的強(qiáng)度與其礦物特征16。在普通混凝土中，水灰比較高，砂漿的強(qiáng)度及砂漿與粗骨料的界面強(qiáng)度較低，它們是混凝土的薄弱區(qū)，制約著混凝土強(qiáng)度，而不是粗骨料。賈艷東17用不同方法研究了碎石和卵石混凝土的斷裂韌度和斷裂能。結(jié)果表明，提高粗骨料強(qiáng)度可以有效提高混凝土的斷裂能。Baalbaki W等18研究了不同骨料對高性能混凝土彈塑性的影響，結(jié)果表明石英巖混凝土的強(qiáng)度最低，砂巖的強(qiáng)度較高。造成差異的原因主要是粗骨料砂巖的變形性優(yōu)于石英巖，使混凝土中的應(yīng)力較均勻分布，不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。Turan dzturan等19研究了3種粗骨料對混凝土性能的影響，結(jié)果顯示在高強(qiáng)混凝土中，玄武巖混凝土的強(qiáng)度比礫石混凝土高10%20%;在普通混凝土中，玄武巖混凝土與礫石混凝土的強(qiáng)度差不多，石灰?guī)r混凝土的強(qiáng)度較高。造成這些差異的原因是高強(qiáng)混凝土中粗骨料是薄弱部分，而普通混凝土中砂漿與粗骨料的界面才是薄弱部分。他們還用強(qiáng)度等級高的水泥代替強(qiáng)度等級低的水泥配制抗壓強(qiáng)度為90MPa的混凝土，其他配比不變，結(jié)果表明混凝土的抗彎抗拉強(qiáng)度提高了30%，抗壓強(qiáng)度基本不變，這說明高強(qiáng)混凝土的彎拉強(qiáng)度主要由砂漿強(qiáng)度決定，抗壓強(qiáng)度主要由粗骨料決定。為了更全面地研究粗骨料在混凝土中的作用，Beshr H等21研究了4種粗骨料對高強(qiáng)混凝土性能的影響，結(jié)果表明鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，石灰?guī)r混凝土的抗壓強(qiáng)度最低。Aitcin P C 等22試驗研究了4種不同粗骨料對高強(qiáng)混凝土性能的影響，結(jié)果表明輝綠巖和石灰石混凝土的強(qiáng)度和彈性模量比花崗巖和河卵石高很多，粗骨料的礦物組成不同可能是造成這種差異的主要原因。戴朝陽等23的研究表明，粗骨料的種類不同無論對高強(qiáng)混凝土還是普通混凝土都有影響，相對來講對高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響更大。陳肇元24的研究表明，在影響高強(qiáng)混凝土性能的所有因素中，粗骨料的影響最大。粗骨料的性能決定著高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。如果粗骨料的強(qiáng)度不足，相當(dāng)于先天性缺陷，無論采用何種彌補(bǔ)方法，都不可能取得較好的結(jié)果。目前，粗骨料彈性模量對混凝土強(qiáng)度影響的研究成果很少，大家普遍認(rèn)為粗骨料的彈性模量直接影響混凝土的強(qiáng)度和彈性模量。Beshr H 等21的研究表明，粗骨料的類型對混凝土的彈模有影響，一般來講彈性模量低的骨料配制的混凝土強(qiáng)度較低。Giaccio G等22的研究也表明，對于高強(qiáng)混凝土來講，玄武巖混凝土的彈模最高，石灰?guī)r混凝土的彈模次之，花崗巖混凝土的彈模最低，原因可歸結(jié)為在第一次加載時石灰?guī)r混凝土中已有較多的微裂紋。楊再富23深入研究了粗骨料的彈模及強(qiáng)度對混凝土性能的影響，指出粗骨料的彈模及強(qiáng)度過高會顯著降低混凝土的抗折強(qiáng)度，對抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用也大幅度下降，粗骨料對混凝土影響的實(shí)質(zhì)是這兩相的協(xié)調(diào)性，要想較好地利用粗骨料，必須使粗骨料與砂漿基體相互協(xié)調(diào)。錢覺時等24研究了幾種強(qiáng)度相差較大的粗集料對砂漿基體強(qiáng)度不同的混凝土抗折強(qiáng)度的影響結(jié)果顯示兩者之間的協(xié)調(diào)性顯著影響混凝土的抗折強(qiáng)度。當(dāng)粗集料強(qiáng)度和彈性模量與水泥砂漿基體相匹配時，增加粗集料強(qiáng)度可提高混凝土抗折強(qiáng)度。因此，配制混凝土?xí)r應(yīng)適當(dāng)考慮基體與骨料的協(xié)調(diào)性。2.1.2粗骨料的吸水率對混凝土性能的影響不同種類的粗骨料材質(zhì)不同，空隙不同，吸水率也有一定程度的差別。粗骨料的吸水率能夠影響新拌混凝土的和易性。陳習(xí)云等通過研究粗骨料吸水率對混凝土性能的影響得出以下結(jié)論:骨料的吸水率對混凝土的用水量有直接影響，當(dāng)碎石吸水率3%時，混凝土坍落度明顯減小而且損失很快。粗骨料的吸水率對硬化后混凝土的性能也有影響。Aitcin P C等的研究表明，在普通混凝土中，鈣質(zhì)石灰?guī)r和白云石的強(qiáng)度較高，這是因為這兩種骨料的孔隙率較大，可以吸附較多的水分，降低了骨料周圍的水灰比，提高了界面過渡區(qū)的強(qiáng)度，進(jìn)而提高了混凝土強(qiáng)度。Wasserman R等25則提出吸水率大的骨料不容易在骨料下方形成水囊，改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高了混凝土強(qiáng)度。其實(shí)，吸水率大的骨料吸附的水可以在一定程度上加強(qiáng)混凝土的后期養(yǎng)護(hù)，這時骨料相當(dāng)于小的水源。粗骨料的吸水率還可以影響混凝土的耐久性，尤其是對其抗凍融侵蝕性能有重要影響。2.1.3粗骨料化學(xué)成分對混凝土性能的影響粗骨料的化學(xué)成分對混凝土性能的影響歸結(jié)為3個方面。一方面是對于活性骨料來講，可能會在界面處與水泥漿中的活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣等可以增加界面強(qiáng)度的物質(zhì)26。李友群等27的研究表明，粗骨料是影響混凝土高溫性能的最主要原因之一，鈣質(zhì)骨料混凝土的抗爆裂性要優(yōu)于硅質(zhì)骨料混凝土。2.2骨料形狀與表面狀態(tài)的影響粗骨料的形貌無論是對新拌混凝土的性能，還是硬化后混凝土的性能的影響都比較顯著。拌制混凝土最理想的顆粒形狀是接近球體或較規(guī)則的多面體，針片狀骨料會增大堆積骨料的空隙率和比表面積，這樣就容易增大骨料表面的吸水量，進(jìn)而影響新拌混凝土的流動性，同時針片狀骨料在混凝土的拌制及振動過程中易定向排列，這樣會導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度降低。總體上來講，由于針片狀骨料自身形狀的影響，對混凝土抗折強(qiáng)度的影響較大。潘琨28詳細(xì)研究了針片狀粗骨料對混凝土性能的影響，結(jié)果表明，若粗骨料中針片狀顆粒含量過多對混凝土?xí)a(chǎn)生不利影響，實(shí)際使用時應(yīng)控制針片狀顆粒的含量。于本田等29用灰色關(guān)聯(lián)度法研究了粗骨料對混凝土性能的影響，指出針片狀顆粒含量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響最為明顯。吳歷斌等30也研究了骨料形狀和含量對新拌混凝土和硬化后混凝土的影響，結(jié)果認(rèn)為，單就強(qiáng)度來講，混凝土中存在最佳針片狀顆粒含量值，并指出最佳針片狀顆粒含量為12%。平時拌制混凝土的粗骨料可分為卵石和碎石，碎石表面粗糙且化學(xué)活性高，容易與砂漿結(jié)合;卵石的表面比較光滑，Ca(OH)2結(jié)晶取向性好，附著在表面的Ca(OH)2較厚，劣化了界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)31，因此在相同水灰比下，碎石混凝土的強(qiáng)度比卵石混凝土高。同時，碎石中含有一定數(shù)量的針片狀顆粒，而且碎石的表面沒有卵石光滑，因此就和易性來講，水灰比相同時，卵石混凝土的和易性要好于碎石混凝土的和易性。2.3粗骨料粒徑及顆粒級配的影響人們對粗骨料的最大粒徑對混凝土性能的影響做了不少研究，但是由于問題本身的復(fù)雜性，仍未得出很好的結(jié)論。吳中偉等32認(rèn)為，對于低強(qiáng)混凝土來說，骨料最大粒徑的影響不大;對于高強(qiáng)混凝土來說，骨料最大粒徑的影響較大，這時用小粒徑的石子有利于改善界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)。Basheer L等33研究了這方面的問題，表明增大混凝土中粒徑20mm的粗骨料的含量，混凝土的坍落度增大，抗壓強(qiáng)度降低。戴朝陽等34發(fā)現(xiàn)混凝土抗壓強(qiáng)度隨粗骨料最大粒徑的增大而增大，當(dāng)粗骨料最大粒徑20 mm時，抗壓強(qiáng)度略有下降，總體來說，骨料粒徑對高強(qiáng)混凝土的影響較顯著。楊再富35通過試驗研究得出混凝土中存在粒徑效應(yīng)，這種效應(yīng)對中高強(qiáng)混凝土的影響較明顯。孫永山認(rèn)為粗骨料最大粒徑對普通混凝土和高強(qiáng)混凝土都有較大影響?？傊?，粗骨料的粒徑大小對混凝土的影響很復(fù)雜，對于粗骨料的粒徑效應(yīng)有必要進(jìn)一步研究。骨料的顆粒級配是配制混凝土的關(guān)鍵，骨料顆粒級配不良的混凝土，施工過程中必然是漿、骨、水分離析，澆注成型艱巨，最后導(dǎo)致混凝土成品“蜂窩、狗洞、麻面”，進(jìn)而降低混凝土強(qiáng)度，影響耐久性。級配良好的粗骨料孔隙率小，堆積密度大，配制的混凝土質(zhì)量較好37。2.4粗骨料用量的影響粗骨料的體積穩(wěn)定性及強(qiáng)度都要優(yōu)于砂漿，并且粗骨料的價格比水泥低，因此，適當(dāng)增加粗骨料用量可以減小混凝土的收縮徐變，提高混凝土的耐久性，同時還可降低混凝土的成本。但是，粗骨料的用量也不能太高，否則混凝土中漿體過少，影響混凝土的和易性及界面粘結(jié)強(qiáng)度，降低混凝土的強(qiáng)度及耐久性。因此，混凝土中粗骨料的用量對混凝土性能的影響引起了研究者的極大關(guān)注。邢鋒等通過對高性能混凝土中粗骨料的數(shù)量效應(yīng)研究，指出混凝土中的粗骨料在一定體積用量范圍內(nèi)，隨著粗骨料體積用量的增加，混凝土的強(qiáng)度也隨之增加，Stock A F等的研究表明，當(dāng)粗骨料體積用量為30%40%時，混凝土的性能最差。3結(jié)語粗骨料在混凝土中起到骨架及引發(fā)并阻止裂縫的作用，它本身的種類、表面狀態(tài)、最大粒徑及級配、用量等都會影響到混凝土的性能。通常來講，粗骨料是制約高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的因素，對于普通混凝土，單純提高粗骨料強(qiáng)度并不能提高混凝土強(qiáng)度。骨料的最大粒徑不宜太小，那樣會影響混凝土的工作性;但也不宜太大，否則會影響混凝土強(qiáng)度。級配良好的粗骨料比表面積小，緊密密度大，孔隙率小，同一水灰比的情況下配制出的混凝土工作性及耐久性好，強(qiáng)度高，而且還可節(jié)約水泥用量，有良好的經(jīng)濟(jì)效益。粗骨料在混凝土中起著剛性骨架的作用，因此配制混凝土?xí)r必須要有一定數(shù)量的粗骨料，骨料的用量也不易太高，否則會影響混凝土的工作性及界面性能，進(jìn)而影響混凝土的強(qiáng)度及耐久性。但是，由于混凝土本身是一種宏觀材料，加之粗骨料來源及性能的不確定性，實(shí)際研究中針對粗骨料某些性能對混凝土性能的影響并未取得一致結(jié)果，例如粗骨料粒徑、粗骨料用量的影響，綜合國內(nèi)外的研究過程，幾乎全是在大量的試驗研究基礎(chǔ)上得到定性的結(jié)果，而要從科學(xué)的角度定量研究粗集料對混凝土性能的影響，除了要進(jìn)行大量的試驗研究，還必須借助數(shù)值模擬技術(shù)。參考文獻(xiàn):1趙宵龍，張仁瑜建筑節(jié)材 建設(shè)節(jié)約型社會的重頭戲EB/OL(20060208)2王振雙 架構(gòu)混凝土基礎(chǔ)理論研究D 大連: 大連理工大學(xué)，20123岳海軍，李北星，周明凱，等 水泥混凝土用機(jī)制砂的級配探討與試驗J 混凝土，2012( 3) : 91 944張立新，呂偉民，陳兵，等 骨料性狀對高強(qiáng)混凝土斷裂和聲發(fā)射特性的影響J 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2001，29( 5) :547 5505 Aitcin P C ，Mehta P K Effect of coarse aggregate characteristics on mechanical 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