粗骨料顆粒級(jí)配對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

　　摘要：分析了粗骨料的最大粒徑、顆粒級(jí)配對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，并從理論上分析了其表面特征和顆粒形狀、強(qiáng)度對(duì)混凝土性能的影響。經(jīng)分析得知，粗集料各方面的性能對(duì)混凝土的性能有較大的影響，其中以最大粒徑和顆粒級(jí)配對(duì)混凝土性能的影響最為顯著，高性能混凝土對(duì)粗集料的各方面性能均有較高的要求。

　　關(guān)鍵詞：粗骨料 連續(xù)級(jí)配 間斷級(jí)配

　　粒徑在5mm以上的巖石顆粒稱(chēng)為粗骨料，即石子。粗骨料是混凝土的主要組成材料，其特征和性能直接影響和決定著混凝土的性能。粗骨料在混凝土中約占70%，是混凝土的主要組成成分。本文就粗骨料的物理性質(zhì)對(duì)混凝土性能的影響分析如下。

　　1 最大粒徑

　　石子的粒徑越大，其比表面積相應(yīng)減小，因此所需的水泥漿量相應(yīng)減少，在一定的和易性和水泥用量的條件下，則能減少用水量而提高混凝土強(qiáng)度，從這個(gè)意義上說(shuō)，石子的粒徑應(yīng)盡量選用大一些的^[1]。但并不是粒徑越大越好，一是粒徑越大，顆粒內(nèi)部缺陷存在的機(jī)率越大;二是粒徑越大，顆粒在混凝土拌合中下沉速度越快，造成混凝土內(nèi)顆粒分布不均勻，進(jìn)而使硬化后的混凝土強(qiáng)度降低，特別是流動(dòng)性較大的泵送混凝土更加明顯。在普通混凝土中，碎石的最大粒徑是根據(jù)構(gòu)件的截面尺寸和鋼筋間距來(lái)確定，粒徑的大小對(duì)強(qiáng)度影響不大。對(duì)此，我們做了實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 C20級(jí)混凝土實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　當(dāng)混凝土水膠比較小(一般為不大于014)時(shí)，碎石的最大粒徑對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響就很顯著，國(guó) 外一般認(rèn)為其最大粒徑不宜超過(guò)10mm，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定為不超過(guò)3115mm，通常取20～ 25mm^[3] 。對(duì)此，我們也做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。從表2中可見(jiàn)，碎石的最大粒徑對(duì)高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度有較大影響。因此，對(duì)于高性能混凝土，所用石子的最大粒徑要有限制。美國(guó)Mehta和加拿大Atcin認(rèn)為^[2]，對(duì)大多數(shù)巖石來(lái)說(shuō)，如果把最大粒徑減小到10～15mm，通?？梢韵橇系膬?nèi)在缺陷?；炷翉?qiáng)度為60～100MPa時(shí)，石子最大粒徑可以選為不大于20mm，強(qiáng)度超過(guò)100MPa時(shí)，石子最大粒徑不能超過(guò)12mm。日本建議超高強(qiáng)混凝土石子的最大粒徑在10mm以下。但也不是說(shuō)粒徑越小越好，粒徑太小，使得石子的比表面積增加，空隙率增大，勢(shì)必要增加水泥用量，提高成本，否則會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度。同時(shí)，粒徑越小加工時(shí)粘附在石子表面上的粉塵越多，給施工沖洗帶來(lái)困難，一旦沖洗不干凈，則會(huì)大大削弱骨料界面的粘結(jié)力，進(jìn)而降低混凝土的強(qiáng)度。

表2 C50級(jí)混凝土實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　2 顆粒級(jí)配

　　級(jí)配對(duì)混凝土的和易性、經(jīng)濟(jì)性有很大影響，直接影響到混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B、耐久性。較好的骨料級(jí)配應(yīng)當(dāng)是:空隙率小，以減少水泥用量并保證密實(shí)度;總表面積小，以減少濕潤(rùn)骨料表面的需水量;有少量的細(xì)顆粒以滿(mǎn)足和易性的要求。石子的級(jí)配有兩種^[1]：即連續(xù)級(jí)配和間斷級(jí)配。關(guān)于級(jí)配對(duì)混凝土的影響，我們做了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，連續(xù)級(jí)配和間斷級(jí)配均對(duì)混凝土的性能有較大的影響。因此，在不具備連續(xù)級(jí)配的碎石時(shí)，可以采用間斷級(jí)配。顆粒級(jí)配越好，空隙率越小。可由公式P=(1-ρ0Πρ1)×100%計(jì)算，其中P為空隙率，ρ0為試樣的松散(或緊密)密度，ρ1為試樣密度。一般碎石的空隙率控制在44%以?xún)?nèi)為宜。

　　3 表面特征和顆粒形狀

　　碎石的表面特征主要是指骨料表面的粗糙程度及形成的空隙特征等。一般情況下，卵石表面光滑，少棱角，空隙與表面積較小，拌制混凝土?xí)r用水泥量較少，和易性較好，但與水泥漿的粘結(jié)力較差;碎石顆粒粗糙有棱角，空隙率和總表面積大，與卵石混凝土比較，碎石混凝土所需水泥漿較多，但與水泥漿的粘結(jié)力較強(qiáng)。圖1也充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。所以在同樣條件下，碎石混凝土強(qiáng)度高，故配制高強(qiáng)混凝土宜用碎石。

　　碎石的顆粒形狀以接近球形或立方體形為優(yōu)，以針狀、片狀顆粒為差。當(dāng)含有較多的針、片狀顆粒時(shí)，將增加空隙率，降低混凝土拌合物的和易性，骨料界面粘結(jié)力下降，并且針、片狀顆粒受力時(shí)容易折斷，進(jìn)而影響混凝土強(qiáng)度?！稑?biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，碎石或卵石中針、片狀顆粒含量應(yīng)符合表4的要求。

　　表4 針、片狀粗骨料顆粒含量

圖1 骨料品種對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

　　4 強(qiáng)度

　　天然石子有很高的強(qiáng)度，即使是經(jīng)強(qiáng)烈風(fēng)化的低強(qiáng)度花崗巖，其巖石抗壓強(qiáng)度也可達(dá)80～100MPa;粗?；◢弾r巖石強(qiáng)度可達(dá)120～140MPa；非常堅(jiān)硬的粗?；◢弾r強(qiáng)度可達(dá)180～200MPa^[2]。要求巖石的抗壓強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度之比不應(yīng)小于115。因此，在普通混凝土中，碎石的強(qiáng)度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響不大，但對(duì)高強(qiáng)混凝土則大不相同。高強(qiáng)混凝土的水膠比較小，水泥砂漿構(gòu)成的水泥強(qiáng)度較高，所以要求碎石的強(qiáng)度也要相應(yīng)提高。在工程中，一般衡量粗骨料強(qiáng)度大都采用壓碎指標(biāo)。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60級(jí)以上時(shí)應(yīng)進(jìn)行巖石抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)，其他情況下如有懷疑或認(rèn)為有必要時(shí)也可進(jìn)行巖石的抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)。碎石的壓碎指標(biāo)應(yīng)符合表5規(guī)定。

表5 粗骨料的壓碎指標(biāo)值

　　綜上所述，碎石的最大粒徑對(duì)普通混凝土的性能影響不大;對(duì)高性能混凝土有顯著影響，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定為不超過(guò)3115mm，通常取20～25mm。顆粒級(jí)配對(duì)混凝土的性能有很大影響，粗骨料級(jí)配后的空隙率應(yīng)不大于44%。表面特征以表面粗糙為好，顆粒形狀以接近球形或立方體形為優(yōu)。其強(qiáng)度對(duì)普通混凝土性能幾乎無(wú)影響，高性能混凝土對(duì)此有較高要求。

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