黄宗凯,徐玉芬,曾智科,马友德

(1.江西省建筑材料工业科学研究设计院,江西 南昌 330001；2.江苏开放大学建筑工程学院,江苏 南京 210036；3.萍乡金宜混凝土有限公司,江西 萍乡 337000)

前言

粗骨料是混凝土的重要组成部分,可占混凝土体积的50%～70%,一般认为粗骨料是作为惰性材料填充在混凝土中起到刚性骨架作用,因此得有骨料之名。粗骨料本身具有的特征,诸如品种、本身强度、粒形及粒径、表面特征、级配等,无论是对新拌混凝土还是对于硬化的混凝土的性能都有着不可忽视的影响。

长期以来,不少学者对于混凝土的其它组分如胶凝材料、外加剂等都有较为深入的研究,即使是对于细骨料来说,由于近年来天然砂的日益匮乏,人们也加强了研究,使机制砂的生产使用得到了飞速的发展,而对于作为混凝土中体积最大的组分的粗骨料却没有得到人们的足够重视,随着混凝土技术的日益发展,对混凝土性能的要求也越来越高,粗骨料对混凝土性能的影响也日益突显,全面、深入地探讨粗骨料的特性对混凝土性能的影响就成为了混凝土工作者的迫切课题。

1 最大粒径

一般来说,骨料粒径越大,其表面积越小,那么需要用来包裹石子表面的水泥砂浆量就少,在保持水泥砂浆总量不变的情况下,骨料间起润滑作用的水泥砂浆层厚度增加,混凝土的和易性就会得到改善；若保持和易性不变和水泥胶材一定时,就必然可以减少用水量从而提高混凝土的强度。当然,也并不是骨料粒径越大越好。其一,骨料粒径越大,内部存在缺陷的几率就越大,对于高强混凝土的强度就必然带来不小的影响。吴中伟[1]认为,对于低强度等级的混凝土,骨料粒径影响不大,但对于高强混凝土来说,小粒径的骨料有利于改善界面过渡区的结构,并且可避免了大粒径骨料内部缺陷带来的对混凝土强度的影响；其二,骨料粒径越大,在混凝土拌合物中下沉速度越快,混凝土内部颗粒的均匀性必然变差,进而使混凝土的工作性能和硬化后的强度和下降,特别是对于大流动性的混凝土影响尤为明显。

2 颗粒级配

在同一碎石场选择四种不同级配的碎石进行级配试验,测得该石子表观密度为2670kg/m3,通过不同比例混合后得出下列数据：

表(1) 不同级配碎石混合后紧密堆积密度和空隙率

表(2) 不同级配碎石混合后紧密堆积密度和空隙率

表(3) 不同级配碎石混合后紧密堆积密度和空隙率

表(4) 不同级配碎石混合后紧密堆积密度和空隙率

根据级配试验结果,用不同比例的骨料搭配,分别进行C30混凝土试配试验,得出混凝土的拌合工作性能和抗压强度结果,研究骨料级配对混凝土各性能的影响。

表(5) 不同级配碎石混合对混凝土性能的影响

通过上述数据可知,用两种或三种以上的骨料进行不同比例的混合搭配,可得出骨料的最小空隙率,从而得到骨料的最优级配,满足实际生产中混凝土骨料的理想连续级配状态。从表(5)数据上看,配制泵送混凝土粗骨料的理想级配是用①：③：②的三级配,无论从混凝土和易性还是硬化后强度都是最好的。

3 颗粒形状及表面特征

一般认为拌制混凝土较为理想的粗骨料颗粒形状为趋近于球体或较规则多面体,针片状的粗骨料会增大堆积骨料的空隙率和总比表面积,这样就容易影响混凝土流动性能,同时针片状骨料在混凝土拌制过程中容易定向排列,进一步导致混凝土的强度降低[3]。

为便于观察针片状粗骨料对混凝土性能的影响,现选用C40混凝土配合比进行试配试验,配合比及材料规格如表(6)所示：

表(6) C40混凝土配合比

在混凝土试配中,只改变粗骨料的针片状含量,其它数据基本不变,选择0%、8%、16%、24%四种针片状粗骨料含量情况,观察针片状粗骨料含量变化对混凝土性能的影响,其试验结果如表(7)所示：

表(7) 不同针、片状含量粗骨料的混凝土性能

如表(7)试验结果可知,随着针片状粗骨料含量的增加,混凝土和易性会随之降低,并且坍落度损失也相应会增大,同时,针片状粗骨料对混凝土的28天抗压强度影响较大,但对早期强度的影响相对小些,试验表明粗骨料针片状含量在8%以内较为理想,对混凝土和易性和强度影响都很小[4]。

混凝土的表面特征即表现为骨料表面的粗糙程度,碎石的表面粗糙,需水量较大,但在混凝土中与砂浆的粘结力大,而卵石或砾石表面光滑,需水量小,拌制混凝土的流动性能更好,但在混凝土中与砂浆的粘结力小,表(8)中试验过程充分地体现了两种粗骨料配制的混凝土的性能：

表(8) 粗骨料的表面特征对混凝土性能的影响

从工作性能上来看,由于卵石的表面比碎石表面光滑,需水量小,所以用卵石配制混凝土比用碎石配制更加优越,更利于施工,但从混凝土抗压强度上来看,用卵石配制的混凝土强度比用碎石配制的混凝土强度要低一些,混凝土强度等级越高差别越明显,这也是因为卵石表面光滑影响了它与水泥砂浆的胶结力,导致混凝土抗压强度偏低,一般认为C40以上的混凝土用碎石比用卵石强度更有保障。

4 强度

在普通混凝土中,水胶比比较高,砂浆的强度以及砂浆与粗骨料界面间的粘结强度都比较低,是混凝土的薄弱区,混凝土断裂处基本上集中在这个区域,因此粗骨料本身的强度对混凝土强度没有太大的影响；而在高强混凝土中,水胶比较低,砂浆的强度以及砂浆与粗骨料界面间的粘结强度都较高,混凝土断裂处往往贯穿粗骨料中间,粗骨料本身的强度就直接影响到到了混凝土的强度。

选择以下四种岩石,检测得其饱和单轴抗压强度如表(9)所示：

表(9) 几种岩石的饱和单轴抗压强度

设计C20、C30、C40 、C50、C60、C70 、C80 等7组混凝土配合比,分别用上述四种母岩制作成5～25mm连续级配的粗骨料配制混凝土,7天、28天强度数据情况如表(10)和表(11)所示：

表(10)不同岩石混凝土7天抗压强度

表(11)不同岩石混凝土28天抗压强度

通过对比不同强度等级的混凝土7天、28天抗压强度可以发现：

(1)由于普通混凝土水胶比较高,混凝土强度的薄弱区为水泥砂浆与粗骨料的界面处而不在于粗骨料本身的强度,粗骨料强度对C40以下等级的混凝土影响很小；

(2)高强度等级混凝土由于水胶比较低,水泥砂浆强度很高,粗骨料本身的强度就成了混凝土强度的制约因素,因此配制高强度等级的混凝土以玄武岩作为粗骨料会有较高的强度保障；

(3)虽然石灰岩本身抗压强度较低,但用石灰岩粗骨料配制的C50以下混凝土强度能与其它岩石的基本持平甚至更高,这是因为石灰岩有部分活性,能与水泥反应增强水泥砂浆与粗骨料之间的粘结力,因此在配制普通强度等级的混凝土或是中高强混凝土时能得到较高的强度,相对于另外三种母岩的粗骨料有一定的优势,但由于石灰岩本身强度不高,在高强度等级的混凝土中一般不予选用；

5 结论

(1)粗骨料的最大粒径越大,比表面积越小,需要包裹的水泥浆料就越少,用来改善混凝土和易性能的砂浆量就相对更多,但粗骨料粒径越大,在混凝土拌合物中的下沉速度就越快,会影响混凝土的均匀性从而影响混凝土的和易性及强度等性能,我国现行规定不大于31.5mm,通常取20～25mm[5],对于高强混凝土来说,一般对粗骨料的最大粒径就会有所限制,对于大多数岩石来说把最大粒径控制在10～15mm时,通常可以消除粗骨料的内部缺陷,混凝土强度为60～100Mpa时,粗骨料最大粒径不宜大于20mm,当混凝土强度为100Mpa以上时,粗骨料最大粒径不宜大于12mm[6]。

(2)粗骨料的颗粒级配对混凝土的性能影响极大,应根据骨料性能情况力求选择最佳的粗骨料级配来配制混凝土,使混凝土的和易性、强度的性能达到最理想的状态。

(3)粗骨料的针片状含量过高会影响混凝土的流动性能以及强度,应控制针片状含量在8%以内,才能使其影响力最小。

(4)粗骨料表面越光滑,比表面积越小,对混凝土流动性能更加有利,但光滑度会影响水泥砂浆与粗骨料之间的粘结力,因此通常在C40以上强度等级的混凝土不宜使用卵石等表面过于光滑的粗骨料,而宜采用碎石来配制。

(5)水胶比越小,水泥砂浆的强度越高,混凝土强度的制约因素会随水胶比的降低而逐渐由水泥砂浆以及水泥砂浆和粗骨料的界面胶结强度转移到粗骨料本身的强度上,因此粗骨料的本身强度对普通混凝土的强度性能影响不大而对高强混凝土的强度影响极大。