刘 春 许鸽龙 刘 方 何 涛 熊 星 沈卫国

(1.广东省公路建设有限公司 广州 510623;2.武汉理工大学材料科学与工程学院 武汉 430070; 3.保利长大工程有限公司 广州 510620)

作为混凝土中体积用量最大的原材料，集料对混凝土性能有着显著的影响。集料体积分数大于40%时，混凝土的抗压强度随骨料体积分数增加呈增加趋势，而且骨料体积分数的增加对混凝土的弹性模量、抗渗性及体积稳定性均表现出积极作用[1]。对于普通混凝土，骨料作为惰性填充料嵌入浆体而导致混凝土细观结构发生变化。de Larrard提出了最大浆体层厚度(MPT)模型来描述混凝土抗压强度与其细观结构间的关系，MPT越小混凝土抗压强度越高[2]。混凝土渗透性一般与骨料的稀释作用、绕行作用，以及界面过渡区的逾渗作用三方面有关，其中骨料的稀释作用和绕行作用对混凝土渗透性具有显著的降低作用[3]。在抗变形能力方面，混凝土骨料含量是影响其弹性模量及干燥收缩主要因素，而且粒径越大的骨料对混凝土体积稳定性的提升作用越明显[4-5]。

一些研究通过调整混凝土配合比设计或混凝土制备过程的投料方式达到增加骨料体积分数的目的[6-8]，其中抛填骨料工艺是一种在新拌混凝土浇筑过程中加入额外粗骨料的二次投料方法，而且已有研究表明抛填骨料混凝土的抗压强度、抗渗性，以及体积稳定性均优于普通混凝土[9-12]。韩宇栋等[13-14]的研究表明混凝土的抗压强度及弹性模量随粗骨料含量增加而增大。

为说明粗骨料体积分数在混凝土的抗渗性及干燥收缩中所起的作用，本文对混凝土的粗骨料和砂浆的两相组成进行配合比设计，分析粗骨料体积分数对C30、C40和C50 3个强度等级混凝土的吸水率、电通量及干燥收缩的影响，并阐明粗骨料对混凝土渗透性及体积稳定性的影响机理。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

所用胶凝材料包括华新P·O 42.5水泥、II级粉煤灰。河砂用作细骨料，其表观密度为2 610 kg/m3，细度模数为2.9。天然粗骨料为石灰石质碎石，表观密度为2 690 kg/m3，由于粗骨料原始级配较差，将其筛分为4.75～9.5，>9.5～19，>19～26.5 mm 3个粒级，分别标记为CA1号、CA2号和CA3号，各级粗骨料的级配见表1。3种骨料混合时的振实堆积密度见图1。其中CA1号和CA2号按质量3∶7的比例配合后用以制备粗骨料含量较低的混凝土和基准混凝土，CA3号则用作抛填骨料以制备抛填骨料混凝土。

表1 不同粒级粗骨料的分计筛余质量分数 %

图1 混合粗骨料的堆积密度

1.2 混凝土配合比设计及制备

为探明粗骨料作用下混凝土渗透性及干燥收缩的变化，在不改变砂浆组分配合比情况下，仅调整粗骨料在混凝土中的体积分数来设计混凝土的配合比，混凝土的详细配合比见表2，其中C30-3、C40-3和C50-3为基准混凝土配合比，按流态分别为塑性、大流态和自密实混凝土。小于基准混凝土中粗骨料体积分数的配合比，采用一次拌和方法制备混凝土；大于基准混凝土中粗骨料体积分数的配合比则采用抛填骨料工艺制备混凝土，抛填骨料混凝土由基准混凝土和抛填骨料2部分组成。

表2 不同粗骨料体积分数混凝土配合比

1.3 试验方法

1.3.1吸水率

吸水率试验所用试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，试样养护至测试龄期后，转入干燥的室内环境中放置1～2 d，后放入烘箱中在105 ℃下干燥24 h。后浸入水中饱水48 h，由于混凝土粗骨料体积分数发生变化，吸水率按所吸收水的体积比进行计算，计算方法见式(1)。

(1)

式中：wV为混凝土体积吸水率，%；m0为烘干试样的质量，g；msat为饱水试样的质量，g；Vc为试样的体积，cm3；ρw为水的密度，g/cm3。

1.3.2渗透性

电通量试验所用试样的尺寸为直径×厚度=100 mm×50 mm，抽真空3 h后，在水中浸泡18 h。在电通量试验中，将饱水试样装入夹具中，阳极和阴极分别加入摩尔浓度0.3 mol/L的NaOH溶液和质量分数3%的NaCl溶液，然后在60 V电压下通电360 min并记录通过试样的电荷量。

1.3.3干燥收缩

干燥收缩试验采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试样，成型后使用保鲜膜覆盖养护，24 h拆模后放入标准养护环境下养护2 d，随后移入室温(20±2) ℃，相对湿度(60±5) %的环境下养护至测试龄期。为排除外界因素对环境产生的干扰，干燥养护28 d前加密测量次数，即对1，2，3，5，7，14，21 d时的试样长度均进行测量，28 d后，随龄期延长，测量密度适当减少。

2 结果与分析

2.1 吸水率

吸水率可间接反映混凝土的孔隙率，不同粗骨料体积分数混凝土的吸水率见图2。由图2可见，混凝土体积吸水率随粗骨料体积分数的增大呈减小趋势，但考虑到混凝土中吸水组分主要为砂浆，将式(1)的分母乘以混凝土中砂浆体积分数得到归一化的单位体积砂浆吸水率。由图2还可见，混凝土单位体积砂浆吸水率与砂浆试样的基本相等，部分试样单位砂浆吸水率较高是因为高粗骨料体积分数增加了振捣过程中浮入空气的排出难度。混凝土表观体积吸水率与单位体积砂浆吸水率两者表明，粗骨料对混凝土吸水率的影响以其稀释作用为主，即粗骨料替代了部分砂浆，减少了混凝土中的可吸水组分。总体来看，粗骨料体积分数的增加对砂浆中孔隙率的影响较小。

图2 混凝土体积吸水率与粗骨料体积分数的关系

2.2 电通量

粗骨料体积分数对混凝土的电通量影响见图3。C30、C40和C50系列混凝土所对应砂浆的电通量分别为9 511，6 660，2 672 C，随粗骨料含量的增加，不同系列混凝土的电通量均呈下降的趋势，而且粗骨料含量相同时，相比C40和C50系列混凝土，C30系列混凝土的电通量降低最为明显。但当粗骨料体积分数超过40%时，随粗骨料含量增加，3个系列混凝土电通量降低程度较小，而且强度等级对混凝土电通量的影响程度也变得不明显。

图3 粗骨料含量对电通量的影响

相比混凝土的吸水率，混凝土的渗透性是离子传输的动态结果，除与浆体的固有渗透性有关外，其还是骨料稀释作用、绕行作用，以及界面过渡区逾渗效应的综合结果。骨料的稀释效应可由式(2)进行描述，但将绕行作用考虑在内时，混凝土的渗透系数与骨料体积分数间的关系如式(3)所示[15]。

Dc=Dm(1-φa)

(2)

Dc=Dm(1-φa)1.5

(3)

式中：Dc和Dm分别为混凝土和基体的渗透系数；φa为粗骨料体积分数。

为说明随粗骨料体积分数增加，3种作用的变化规律，以混凝土电通量代替渗透系数，由于离子传输主要发生在砂浆中，将混凝土整体电通量归一化为砂浆组分的电通量。体积吸水率结果表明砂浆中的孔隙率随粗骨料体积分数增加变化不大，而且归一化砂浆电通量排除了粗骨料稀释作用带来的影响。粗骨料对混凝土及砂浆电通量的影响规律见图4。

图4 粗骨料作用下的混凝土及砂浆的电通量变化趋势

由图4可见，C30和C40混凝土电通量的实测值均低于粗骨料稀释作用下的混凝土电通量，这是因为粗骨料的绕行作用远大于界面逾渗效应，而降低了混凝土的电通量；C50混凝土电通量与式(2)计算结果较为接近，但混凝土中砂浆的电通量随粗骨料体积分数增加呈增加的趋势，导致这种结果的原因可能为C50混凝土中的砂浆本身具有相对较低的电通量，粗骨料体积分数较大时，粗骨料-砂浆间的界面过渡区含量较多，而且界面间的连通性也较大，使得界面的逾渗效应对混凝土渗透性的作用程度增强，对于C50-3和C50-4，界面的逾渗效应相比粗骨料的绕行作用更占主导作用。

2.3 干燥收缩

不同粗骨料含量的混凝土的干燥收缩情况随龄期的变化见图5。

图5 不同粗骨料体积分数混凝土的干燥收缩率

不同系列混凝土的干燥收缩主要发生在56 d内，并随混凝土强度等级和粗骨料体积分数的增加，混凝土最大收缩值呈减小趋势。混凝土干燥收缩是由水分散失所导致的混凝土体积变形，随水灰比增大，浆体中毛细孔和可迁移水的含量均会增加。因此，虽然C50混凝土具有最高的胶凝材料含量，其干缩值最小。除水灰比的作用外，C40和C50系列混凝土中的胶凝材料分别掺入了30%和20%的粉煤灰，粉煤灰对水泥的稀释作用及对浆体的填充作用均可以起到抑制收缩的效果，从而使C40和C50系列混凝土的干燥收缩相对C30系列混凝土大幅度下降。混凝土干燥收缩和浆体收缩性能及粗骨料体积分数存在式(4)的关系[16]。

Sc=Sm(1-φa)n

(4)

式中：Sc和Sm分别为混凝土和基体的干燥收缩率；n值与骨料弹性模量相关，其值为1.2～1.7。

可以看出，式(4)与式(3)具有很大的相似性。

当式(4)中n等于1时，混凝土与骨料体积分数间的线性关系为骨料的稀释作用。混凝土在粗骨料的稀释作用下的计算值与实测值间的差异见图6。

图6 粗骨料作用下的混凝土干燥收缩变化规律

由图6可见，由于骨料的约束作用，实测值普遍大于计算值。Zhu等[17]提出了粗骨料约束作用的量化模型，见式(5)、式(6)，砂浆包裹层厚度见图7。

(5)

(6)

式中：CRA为粗骨料约束系数；CR为骨料和包裹浆体相关的几何系数；EM、EA分别为砂浆和粗骨料的弹性模量，GPa；μM、μA分别为砂浆和粗骨料的泊松比；R为粗骨料半径；H为砂浆包裹层厚度，mm。

(7)

其中：λc为粗骨料堆积密实度；φc为砂浆体积分数；∑cSi为单位体积混凝土中骨料表面积，可根据粗骨料级配近似计算得到，mm2/mm3。

图7 砂浆包裹层厚度与粗骨料体积分数的关系

由图7可见，砂浆层厚度随粗骨料体积分数的增加呈幂函数形式减小，而且在采用抛填骨料工艺所制备的混凝土中粗骨料体积分数增加的同时，粗骨料的平均粒径也有所增加，这2个参数的变化均使CR增大，故在砂浆性质不变的情况下，增强了粗骨料的约束作用(CRA)，使混凝土干燥收缩明显下降。而且由图6中还可以看出随砂浆自身干燥收缩减小，粗骨料的约束作用表现为增强的趋势。

3 结论

1) 粗骨料影响混凝土的渗透性及体积稳定性的直接作用为稀释效应，增加粗骨料体积分数，减少了浆体含量而降低混凝土的渗透性和干燥收缩。

2) 粗骨料的绕行作用和界面过渡区的逾渗作用对混凝土渗透性的影响程度与砂浆的渗透性有关。在较高渗透性的砂浆中，粗骨料以绕行作用为主，随砂浆渗透性的下降，界面过渡区的逾渗作用呈增强趋势。

3) 在粗骨料稀释作用的基础上，粗骨料的约束作用进一步降低了混凝土的干燥收缩，而且粗骨料的约束作用随砂浆自身干燥收缩减小呈增强趋势。