（材料学专业论文）骨料嵌锁型路面混凝土制备工艺与性能研究.pdf

分类号 u d c 题 英 题 学校代码 学 rlirj i r r l lfl1l ! ijfi l l lfii1 11f 彻 y 18 8 01 f 7 i l l | 1 4 1 1 j i l l 1 0 4 9 7 武多凄理歹大署 学位论文 研究生姓名奎塞胜 一姓名 选里国 职称 硒究员学位墟 指导教师。 4 3 0 0 7 0 申请学位级别亟学科专业名称挝料堂 论文提交日期2 q ! ! 生垒旦论文答辩日期2 q ! ! 生5 目 学位授予单位武这理互太堂学位授予日期 答辩委员会主席评阅人 2 0 11 年5 月 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：钴阻导师( 签名膨f 刁日期训i 、厂 武汉理 大学硕十学位论文 摘要 粗骨料在混凝土中起到骨架增强作用，骨料体积分数的增加可以改善混凝土 体积稳定性、降低水化热、增加抗渗性能并降低混凝土材料成本。针对常规混凝 土中浆体富余系数过大的现象及考虑到粗骨料在混凝土中的重要作用，本文采用 抛填集料方法制备了一种骨料嵌锁型路面混凝土。研究了粗骨料体积置换率对抛 填骨料路面混凝土力学性能和耐久性能的影响；研究了抛填集料混凝土的成型方 式、拌合方式及抛填粗骨料性状对混凝土强度性能的影响。根据粗骨料的堆叠率 提出了骨料嵌锁型路面混凝土的最佳体积置换率的计算方法。研究取得了如下创 新性成果： ( 1 ) 路面混凝土中最佳的粗集料体积置换率约为1 0 ，在普通路面混凝土 中抛填粗集料对各龄期抗压强度提高明显，前期抗折强度低于普通路面混凝土， 后期抗折强度接近或大于普通路面混凝土。抛填粗集料后混凝土的弹性模量增 加、冲击韧性较好、耐磨性能得到改善。 ( 2 ) 在体积置换率为1 0 ，采用振动台振动时中抛及二次拌合方式对混凝 土的强度发展最有利。采用振动棒振动时，得出上抛及二次拌合对混凝土的强度 发展最有利。从长龄期来看，抛填集料方式对路面混凝土长期强度性能无影响， 在各种抛填方式中采用中抛及二次拌合方式较好。 ( 3 ) 抛填集料最佳的含水状态为饱和面干，最佳的粒径为等于或略大于基 准路面混凝土中的粗集料。 ( 4 ) 随粗集料积置换率的增加，混凝土的干燥收缩率降低明显、氯离子渗 透系数降低，耐久性较好。 ( 5 ) 根据粗集料堆叠率，通过模型和经验值提出了骨料嵌锁型路面混凝土 的配合比设计公式，并得到了较好的验证。 关键词：粗骨料，抛填骨料，体积置换率，骨料嵌锁混凝土，二次拌合 武汉理下大学硕十学位论文 a b s t r a c t c o a r s ea g g r e g a t e sp l a ys k e l e t o ne n h a n c e m e n ti n t h ec o n c r e t e t oi n c r e a s e a g g r e g a t ev o l u m ef r a c t i o nc a ni m p r o v et h ev o l u m es t a b i l i t yo fc o n c r e t e , r e d u c eh e a t o fh y d r a t i o n ，a n dr e d u c et h ep e r m e a b i l i t y , r e d u c et h ec o s t so fm a t e r i a l s t a k i n gi n t o t h es u r p l u sc o e f f i c i e n to fc o n c r e t ep a s t ei st o ol a r g ea n dt h ei m p o r t a n tr o l eo fc o a r s e a g g r e g a t e ，w ep r e p a r e d c o a r s e a g g r e g a t ei n t e r l o c k i n gp a v e m e n t c o n c r e t e b y s c a t t e r i n g - f i l l i n g s t o n e p r o c e s s t h e c o a r s e a g g r e g a t er e p l a c i n gr a t i o o nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd u r a b i l i t yo fp a v e m e n tc o n c r e t ew e r es t u d i e d ；t h ec o n c r e t e f o r m i n gm e t h o d ，m i x i n gm e t h o d ，t h ep e r f o r m a n c eo fs c a t t e r e dc o a r s ea g g r e g a t eo n c o n c r e t es t r e n g t ha n do t h e rp r o p e r t i e sw e r es t u d i e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h es t a c k i n g r a t eo fc o a r s ea g g r e g a t e ，w eg i v eaf o r m u l at oc a l c u l a t et h eo p t i m u mv o l u m ef r i c t i o n o fc o a r s ea g g r e g a t ei nc o n c r e t e i n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t sm a d ea r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eo p t i m u mr e p l a c e m e n tr a t i oo fs c a t t e r i n gs t o n ei sa b o u t10 i np a v e m e n t c o n c r e t e w i t l lf i l l i n go fc o a r s ea g g r e g a t ec a ni n c r e a s ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f c o n c r e t es i g n i f i c a n t l yi na n ya g e t h ef l e x u r a ls t r e n g t hi sl o w e rt h a nt h eo r d i n a r y p a v e m e n tc o n c r e t ei ne a r l ya g e t h ef l e x u r a ls t r e n g t hc a nc l o s et oo rg r e a t e rt h a nt h e f l e x u r a ls t r e n g t ho fo r d i n a r yp a v e m e n tc o n c r e t ei nl a t e ra g e t h ec o n c r e t ep r e p a r e db y s c a t t e r i n g f i l l i n gs t o n ep r o c e s sh a v eh ig h e re l a s t i cm o d u l u s ，b o t hi m p a c tt o u g h n e s s a n da b r a s i o nr e s i s t a n c ea r ei m p r o v e d ( 2 ) r e p l a c e m e n tr a t i oo f10 b yv o l u m e ，v i b r a t e db y t a b l ev i b r a t i o n ，i ti st h eb e s t w a y t os c a t t e rt h ec o a r s ea g g r e g a t et om i d d l eo ft h ec o n c r e t ea n dt h ec o n c r e t eh a v et h e b e s ts t r e n g t hi nt h el o n gt e r m f o l l o w e db yt h et w o - s t e pm i x i n g v i b r a t e db yv i b r a t i n g r o d ，i ti st h eb e s tw a y t os c a t t e rt h ec o a r s ea g g r e g a t et ot o po ft h ec o n c r e t ea n dt h e c o n c r e t eh a v et h eb e s ts t r e n g t hi nt h el o n gt e r m f o l l o w e db yt h et w o - s t e pm i x i n g t h ec o n c r e t ep r e p a r e db ys c a t t e r i n g f i l l i n gs t o n ep r o c e s sh a v en oi n f l u e n c eo nt h e s t r e n g t hi nt h el o n gt e r m t h ec o n c r e t ep r e p a r e db ys c a t t e r i n g - f i l l i n gs t o n eh a v et h e b e s ts t r e n g t hw h e nt h ec o a r s ea g g r e g a t ew a ss c a t t e r e dt ot h em i d d l eo ft h ec o n c r e t e f o l l o w e db yt h et w o - s t e pm i x i n g 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) t h eb e s tc o n d i t i o no fs c a t t e r i n ga g g r e g a t ei ss a t u r a t e ds u r f a c ea n dt h eb e s t s i z ei se q u a lt oo rs l i g h t l yl a r g e rt h a nt h ea g g r e g a t eo fr e f e r e n c ec o n c r e t e ( 4 ) w i t ht h ei n c r e a s eo ft h es c a t t e r i n g f i l l i n g s t o n er e p l a c i n gr a t i o ，t h ec o n c r e t e h a v el o w e rd r y i n gs h r i n k a g e c h l o r i d ei o np e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tw a sd e c r e a s e d s o ， t h ec o n c r e t eh a v eb e t t e rd u r a b i l i t y ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ec o a r s ea g g r e g a t es t a c k i n gr a t e ，t h r o u g ht h ep r o p o s e dm o d e l a n de m p i r i c a lv a l u e s ，w eg i v eac o n c r e t em i xp r o p o r t i o nf o r m u l af o ri n t e r l o c k i n g p a v e m e n tc o n c r e t ea n dt h ef o r m u l ag e t sa b e t t e rv a l i d a t i o n k e y w o r d s ：c o a r s ea g g r e g a t e ，s c a t t e r i n g f i l l i n gs t o n ep r o c e s s ，r e p l a c e m e n tr a t i o ， a g g r e g a t ei n t e r l o c k i n gc o n c r e t e ，t h et w o - s t e pm i x i n g 武汉理： ：人学硕+ 学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 水泥混凝土路面在我国的发展1 1 1 2 路面混凝土存在的问题2 1 1 3 抛填骨料路面混凝土技术的提出3 1 2 国内外研究现状及存在的问题5 1 2 1 粗集料对混凝土性能影响的研究现状5 1 2 2 粗集料与水泥石界面过渡区对混凝土性能的影响一9 1 2 3 拌合工艺对混凝土性能的影响9 1 3 研究目的及意义1 0 1 - 3 1 研究目的】0 1 3 2 研究意义10 1 4 主要研究内容1 1 1 4 1 抛填量对路面混凝土性能的影响1 1 1 4 2 抛填集料对路面混凝土微观结构的影响1l 1 4 3 抛填集料粒径和表面含水状态对路面混凝土性能的影响1 1 1 4 4 抛填方式对抛填集料混凝土性能的影响1 1 1 4 5 拌合工艺对混凝土性能的影响1 1 1 5 技术路线1 2 第二章试验材料、设备及试验方法13 2 1 试验材料13 2 1 1 水泥1 3 2 1 2 细集料13 2 1 3 粗集料13 2 1 4 水一1 4 2 2 试验设备及仪器1 4 2 3 试验方法15 v 武汉理上人学硕士学位论文 2 3 1 粗集料性能试验方法1 5 2 3 2 混凝土性能试验方法1 5 第三章粗集料体积置换率对路面混凝土力学性能的影响研究2 0 3 1 基准路面混凝土的配制2 0 3 2 粗集料体积置换率对路面混凝土抗压强度的影响2 1 3 3 粗集料体积置换率对路面混凝土抗折强度的影响2 2 3 4 粗集料体积置换率对路面混凝土弹性模量的影响2 3 3 5 粗集料体积置换率对路面混凝土冲击性能的影响2 5 3 6 粗集料体积置换率对路面混凝土耐磨性能的影响2 5 3 7 本章小结2 7 第四章抛填骨料路面混凝土强度的影响因素2 8 4 1 抛填方式对路面混凝土力学性能的影响2 8 4 1 1 抗压强度2 8 4 1 2 抗折强度2 9 4 2 振动方式对路面混凝土力学性能的影响3 0 4 2 1 抗压强度3 0 4 2 2 抗折强度3 0 4 3 拌合方式对路面混凝土力学性能的影响3 1 4 4 龄期对骨料嵌锁型路面混凝土力学性能的影响3 2 4 4 1 抗压强度3 3 4 4 2 抗折强度3 3 4 5 粗集料性能对骨料嵌锁型混凝土力学性能的影响3 4 4 5 1 粗集料粒级对路面混凝土抗压强度的影响3 4 4 5 2 粗集料粒级对路面混凝土抗折强度的影响3 5 4 5 3 粗集料含水状态对路面混凝土抗压强度的影响3 6 4 5 4 粗集料含水状态对路面混凝土抗折强度的影响3 7 4 6 本章小结3 7 第五章粗集料体积置换率对路面混凝土耐久性的影响3 8 5 1 粗集料体积置换率对路面混凝土收缩性能的影响3 8 5 2 粗集料体积置换率对路面混凝土渗透性的影响4 0 5 3 本章小结4 l 第六章粗集料嵌锁型路面混凝土强度增强机理4 2 6 1 混合料的堆积4 2 v 武汉理工大学硕士学位论文 6 1 1 粒状混合料虚拟堆积密度4 2 6 1 2 无相互作用的二元混合料4 2 6 1 3 完全相互作用的二元混合料4 4 6 2 粗集料的体积作用4 5 6 2 1 粗集料嵌锁型路面混凝土的体积分析4 7 6 2 2 粗集料在混凝土中的状态分析4 8 6 3 最大浆体层厚度的影响5 0 6 4 粗集料吸水降低水狄比5 l 6 5 粗集料对界面过渡区的增强作用5 2 6 6 本章小结5 3 第七章骨料嵌锁型路面混凝土配合比设计方法5 4 7 1 普通混凝土配合比设计方法5 5 7 2a c i 配合比设计方法5 6 7 3 骨料嵌锁型路面混凝土配合比设计方法5 6 7 4 本章小结5 8 第八章结论5 9 参考文献6 0 附；i 乏6 3 致谢6 4 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 水泥混凝土路面在我国的发展 我国水泥混凝土路面已有8 0 余年的发展历史，目前已经成为高等级路面的重 要结构形式之一。水泥混凝土路面由于具有强度高、体积稳定性好、耐久性优良、 日常养护工作量少、施工机械简单、抗水损害能力强、材料来源广泛以及便于夜 间行车等优点，在全国各等级公路中被广泛采用。 1 9 2 4 年，浙江奉化溪口镇铺筑了我国第一条波特兰水泥混凝土路面。新中 国成立后，原交通部对水泥混凝土路面给予了高度重视，水泥路面在城市道路中 得到了大规模应用，但在公路上使用并不多。进入2 0 世纪9 0 年代，我国迎来了高 速交通体系的大发展。在此期间，我国第一条水泥混凝土高速公路一安徽合宁高 速公路于1 9 9 1 年1 0 月4 日建成通车。2 0 0 7 年底，我国公路总旱程己达3 5 8 3 7 万k m ， 其中高速公路总里程达到5 3 9 万k m ，在全国铺装路面中，水泥混凝土路面总罩程 达至1 j 8 4 8 8 万k m ，在我国现有路面结构中继续占有重要地位。从1 9 9 0 年至1 j 2 0 0 7 年 的17 年间，我国水泥混凝土路面里程共增加了8 3 7 4 2 7 k m ，年平均增长率达 3 0 4 8 ，实现了建国以来最辉煌的飞跃。 争 口o 嘶 碰 寒 长 1 8 0 0 1 6 0 0 1 4 0 0 4 0 0 2 0 0 0 4 9 7 88 59 09 4 9 80 10 30 5 0 60 70 8 0 9 图1 11 9 7 8 年以来我国历年水泥产量 我国的水泥资源以及供应状况非常充裕，其产能的富余仍然十分可观，和沥 青混凝土路面相比，水泥混凝土路面的主要胶凝材料水泥无需进v i ，而且质量更 l 武汉理t 入学硕十学位论文 有保障，不会受国际金融期货市场的变化。我国巨大的水泥产能为发展水泥混凝 土路面提供了可靠的材料来源，大力发展水泥混凝土路面也将带动水泥产业的消 费与发展，通过两者之间的有效资源配置，可以形成两种行业共赢的局面，这对 我国经济的健康协调发展大有裨益。但相对而言，我国当前水泥混凝土路面在高 等级路面中逐渐被沥青混凝土取代，一些水泥混凝土路面也逐渐被“刷黑”或改 建为沥青混凝土路面。 1 1 2 路面混凝土存在的问题 混凝土是使用最广泛的建筑材料，现在世界上每年将产生5 5 亿立方米混凝 土，平均每人每年消耗一方混凝土，在许多国家混凝土的消耗量达到钢材的十倍 以上。混凝土具有优良的耐水性、容易成型各种形状和尺寸，同时它是最便宜和 最容易得到的建筑材料，所以混凝土已经成为人类社会生活不可缺少的重要组成 部分。 集料( 也称骨料) 占混凝土体积的6 0 , , - 8 0 。粗集料一般比较便宜而且在 混凝土中它不参与水泥复杂的水化学反应，因此，过去通常将之视为一种惰性填 充料。随着混凝土技术的不断深入研究与发展，混凝土材料与工程界越来越意识 到集料对混凝土的许多重要性能如强度、体积稳定性以及耐久性等都会产生相当 影响，甚至起着决定性的作用，同时集料在混凝土的成本构成与工作性中也扮演 重要角色【l 】。但人们研究最多的是水泥的水化、混凝土外加剂和矿物掺合料等， 而对粗集料在混凝土中的作用，特别是定量研究，实验结果比较少。 粗集料在不同等级混凝土中存在一个最佳用量问题。a f s t o c k 2 】等人发表了 有关集料体积对混凝土抗压强度作用的综合评述，大多数被引用的参考文献倾向 于这样一个事实：即至少在通常的混凝土范围内，当浆体含量增加时，强度就下 降。研究表明在给定的水泥浆体情况下，集料的体积率从o 到4 0 范围内混凝 土的抗压强度是下降的，但是当集料体积率从4 0 到8 0 范围内混凝土的抗压 强度是增加的。集料的体积率对混凝土的抗折强度与抗压强度的影响具有相似的 规律，虽然具体原因还不是很清楚，但是在所有水灰比下具有相同的规律。所以， 在一定条件下增加粗集料用量，可以降低混凝土的单方成本，减少混凝土的收缩 和徐变，提高混凝土的耐久性。特别是在高强混凝土中，浆体富余很大，完全可 以另外加入一定体积率的粗集料，以达到浆体的充分利用。但集料含量也不能太 高，否则会使浆体量相对降低，浆体不足以包裹粗集料，同时还会使混凝土的工 作性变差，力学性能等降低，从而影响混凝土的质量。 传统方法设计的混凝土中粗集料的体积分数较低，混凝土中浆体占据较大比 例，粗骨料之间呈现分散的、没有搭接或搭接嵌锁很少的空间分布，没用充分体 2 武汉理i ：大学硕十学位论文 现粗骨料重要作用。这样的混凝土在振捣过程中很容易产生离析、浮浆和泌水等 问题。特别是在高强度混凝土中，骨料含量更低，大量的浆体富余容易引起混凝 土工程普遍的早期开裂，甚至成为混凝土工程质量事故的隐患，同时也带来了水 泥的大量浪费。 表1 1国内外几个典型工程混凝土中粗集料体积分数【3 1 日娄奖磊海 锚基 9 6 52 6 5 。3 6 43 8 3 日本明石海 湾大桥 北京航华科 贸中心 西雅图双联 广场 杭州湾大桥 杭州湾大桥 青马大桥 主桥墩水 下部分 六层以下 承重柱 承重柱 墩身 主塔 主桥塔 1 1 3 7 9 8 8 1 0 7 0 1 0 1 6 1 0 2 8 9 8 0 2 6 5 0 2 6 2 0 2 7 2 0 2 6 3 0 2 6 3 0 2 6 5 0 4 2 9 3 7 7 3 9 3 3 8 6 3 9 1 3 7 4 2 ( 9 0 d ) 7 1 1 11 5 6 1 6 6 4 2 c 8 0 路面混凝土是一类强度比较低的混凝土，重交和特重交通的路面混凝土的抗 折强度标准为5 0 m p a ，相当于c 3 0 c 3 5 的混凝土，其坍落度要求通常不高于 5 0 m m ，是一类干硬性到塑性之间的混凝土。与流态混凝土和高强混凝土相比， 路面混凝土的浆体含量和砂浆量都很低，但是仍然存在较高的浆体富余，特别是 采用低标号水泥和水泥加矿物掺合料配制的路面混凝土的浆体富余比较大，由于 浆体的富余往往使得路面混凝土表面浮浆和泌水过多，导致路面混凝土的耐磨性 能不足，一些服役不久的水泥混凝土路面往往就出现了明显的麻面和露骨现象， 另外浆体过多也导致路面混凝土收缩特别是早期收缩严重，导致早期断板和表面 的收缩裂纹出现。为了解决路面混凝土浆体富余过多带来的病害，本文针对一种 抛填骨料路面混凝土进行了研究。 1 1 3 抛填骨料路面混凝土技术的提出 粗集料由于在混凝土中占主要部分，所以它的各种性能都将影响新拌混凝土 的各种性能。集料最大粒径直接影响着混凝土的工作性能、强度及生产成本。无 论是高强、中强还是低强混凝土，粗集料均存在粒径效应。集料的种类影响混凝 土的弹性模量，低强集料比高强集料具有更好的韧性。在高强混凝土中，水灰比 3 武汉理工大学硕士学位论文 低，水泥用量高，抗压强度受集料质量的影响，此时，承担载荷的不仅仅是水泥 浆体，裂缝常穿过集料内部，集料的种类在一定程度上限制了高强混凝土的强度。 一般认为粗集料抗压强度应为混凝土设计强度的2 倍左右，至少在1 5 倍以上。 对高强混凝土而言，仅仅增加水泥用量、减小水灰比，而集料的强度不高，则很 难实现高强。对于低强混凝土，粗集料的性能一般不会影响混凝土的强度。吴中 伟【4 】认为，对于c 5 0 c 8 0 的混凝土而言，粗集料本身的强度并不是最重要的。 粗集料体积分数强烈地影响新拌混凝土和硬化混凝土的性能，混凝土是由粗骨 料、砂浆和处于两者之间的界面过渡区所组成。所以，混凝土的性能与这三项有 着强烈的关系。集料占混凝土6 0 8 0 的体积，因此集料的性能对混凝土的耐 久性与混凝土材料的结构性能有重要影响。集料的级配对混凝土的和易性、力学 性能和经济性有着很大的影响，直接影响着混凝土的强度、抗渗性能和耐久性。 粗集料粒形对混凝土的工作性、需水量、泵送性能及强度都有很大影响。粗集料 在混凝土中主要有以下作用： ( 1 ) 强度骨架作用 一般来说，集料的强度比硬化水泥石的强度高。在硬化水泥石与集料较好粘 结的情况下，当混凝土受n 多 i - 力作用时，相当一部分应力由集料承担。在混凝土 中，集料起一个强度骨架作用 ( 2 ) 体积稳定作用 水泥等一些胶凝材料在水泥水化反应过程中通常会伴随着一些体积变化。在 干燥环境下，硬化水泥石中的各种水的失去也将伴随着一些体积变化。集料一般 是比较致密和稳定的组分，集料吸水率小，因此它的体积稳定性远比硬化水泥石 要好的多。集料的弹性模量通常较高，热膨胀系数较低，在受力或温度变化时产 生的变形也比硬化水泥石小。故混凝土中集料对混凝土的体积稳定性起到了相当 大的作用。 ( 3 ) 降低成本作用 在混凝土的各组成材料中，除水外，集料是最便宜的组份。它比水泥、矿 物外加剂便宜的多。混凝土中集料所占的体积越大，混凝土的成本也就越低。 ( 4 ) 控制混凝土温度变化作用 在混凝土的凝结硬化过程中，水泥及矿物掺合料与水的反应是一种放热反 应。当热量不能及时散发时，将使混凝土的温度升高，形成内外的温差，另外， 随着热量的散发，混凝土的温度降低。这种温度变化常常是引起混凝土开裂的一 个重要因素。然而，集料在混凝土硬化过程中几乎不参与化学反应，因而不释放 热量。所以，集料用量的增加可以降低混凝土水化放热量，混凝土的温度变化和 内外温差也就越小。 4 武汉理r 大学硕十学位论文 针对当前混凝土浆体富余现象及粗集料在混凝土的主要作用。为了最大化利 用粗集料，采用沈卫国教授提出的抛填骨料路面混凝土施工工艺，即在混凝土的 浇筑过程中分层散布一定体积分数的粗集料。通过抛填骨料的方法增加混凝土中 的粗集料用量，形成粗骨料嵌锁型混凝土，充分发挥粗骨料的强度骨架、体积稳 定、降低成本等作用。抛填骨料路面混凝土减少了混凝土的离析、浮浆泌水及收 缩开裂风险。同时可以起到提高水泥混凝土路面的工程质量，降低水泥混凝土路 面造价的作用。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 粗集料对混凝土性能影响的研究现状 ( 1 ) 粗集料最大粒径对混凝土性能的影响 集料所在公称粒级的上限称为粗集料最大粒径。当集料的最大粒径增大时， 集料的比表面积随之减小。因此，保证一定厚度润滑层所需的水泥浆和砂浆的数 量也相应减少，所以粗集料的最大粒径应在条件许可的情况下应选得稍大一些。 经验表明最佳的最大粒径取决于水泥用量。在水泥用量少的混凝土中，应采用粒 径稍大一些的粗集料。此外，集料最大粒径还受到结构形式、配筋疏密程度和施 工工艺等因素的限制。混凝土结构工程施工及验收规范( g b 5 0 2 0 4 2 0 0 2 ) 规定：混凝土中粗集料的最大粒径不得大于结构截面最小尺寸的1 4 ，不得大于 钢筋间最小净距的3 4 ，对于混凝土实心板允许采用粒径不大于板厚1 3 的集料， 但最大粒径不得大于4 0 m m 。 粗集料最大粒径对混凝土性能的影响是复杂的，而且相关研究不多。增加粗 集料最大粒径能够减少水泥和水的用量，以起到减少水化热，增加混凝土体积稳 定性，降低收缩。增加粗集料粒径在一定程度上还可以减少开裂的危险，因为减 少了水泥用量。然而，在增加粗集料粒径的同时也带来了一些问题，比如增加了 混凝土搅拌机的磨损，并且需要复杂的压实设备，使得混凝土的搅拌更加不均匀， 混凝土易发生严重的离析，造成保水性、粘聚性、耐久性降低。另外，因为混凝 土更加的不均匀和压实困难将导致应力集中，降低了混凝土的抗裂性能。增加粗 集料粒径可以降低用水量，同时由于砂用量的减少而增加了混凝土的容重。 a m i b r a g i m o v _ 【5 】得出在其它条件相同的情况下，粗集料最大粒径从4 0 m m 增加到 8 0 m m 时，每方混凝土可以节约水泥2 0 3 0 k g ，水灰比从0 4 0 增d h n o 6 8 ，抗压强 度增加9 ，劈拉强度降低1 0 。随着粗集料最大粒径的增大，在增加弹性模量 的同时，增加了混凝土的不均匀性，使得集料与硬化水泥浆体的粘结力降低。p e t e r 5 武汉理工大学硕士学位论文 g r a s s l 【6 】等人研究了粗集料尺寸和体积率对混凝土收缩及微观裂缝的影响，得出 随着粗集料粒径和体积率的增加，混凝土中微观裂缝的长度减少，平均裂缝宽度 与渗透性能增加。s k a 1 o r a i m i 【7 】等人在相同的配合比下，采用1 0 m m 和2 0 m m 最 大粒径的粗集料进行实验，得出在高强混凝土中最大粒径大的比最大粒径小的抗 压强度要低，最大粒径小的具有较高的抗折与劈拉强度。t f i l i na k c a o 垂l u i s 等人得 出在高强混凝土中混凝土的界面粘结决定混凝土的拉伸强度，随着集料粒径的增 大，拉伸强度降低。大粒径的集料和低的水灰比下，i t z 会在狭小的区域内产生 密度高的微观开裂。国外一般认为最大粒径不宜超过1 0 m m ，我国现行规范规定 不超过3 1 5 r a m 。内维尔【9 】建议混凝土强度在6 0 , - 1 0 0 m p a 时，混凝土的集料最大粒 径不宜大于2 0 m m ，当混凝土强度超过1 0 0 m p a 时，粗集料的最大粒径应限制在 1 2 r a m 以下。张武满，孙伟【1 0 】研究了粗集料对高性能混凝土早期自收缩的影响， 得出高性能混凝土的自收缩随着集料最大粒径的增加而减少。粗集料的性能和颗 粒尺寸分布与普通混凝土相比对高强混凝土抗压强度的影响更加显著。因此，粗 集料最大粒径应根据各种原材料的组成和设计的结构性能进行选择。 ( 2 ) 粗集料种类对混凝土性能的影响 a k l h c 】等人采用辉长岩、玄武岩、石英岩、石灰岩和砂岩五种粗集料和 相同的配合比研究了其对混凝土强度的影响。结果表明粗集料的强度和织构影响 混凝土的抗压强度、弯拉强度和耐磨性能。集料的强度与混凝土的强度以及抗压 与抗折强度之间都具有较高的相关关系。k e r u 1 2 】等人得出集料的种类对高强混 凝土具有重要的影响。在高强混凝土中，石英岩碎石具有较高的抗压与劈拉强度。 集料的种类强烈影响混凝土的开裂能，建议使用低脆性的集料来降低混凝土的脆 性。h b e s h r 1 3 】等人研究了钙质集料、白云石、石英岩和钢渣集料对高强混凝土 的抗压、抗折和弹性模量的影响。得出钢渣集料的混凝土具有最高的抗压强度， 白云石集料的混凝土具有最低的抗压强度。集料的种类影响混凝土的弹性模量， 低强集料比高强集料具有更好的韧性。在高强混凝土中，水灰比低，水泥用量高， 抗压强度受集料质量的影响，此时，承担载荷的不仅仅是水泥浆体，裂缝常穿过 集料内部，集料的性质，集料和浆体之间的界面过渡区的性质对混凝土强度影响 巨大，因此集料的种类在一定程度上限制了高强混凝土的强度。 ( 3 ) 粗集料强度对混凝土性能的影响 一般认为粗集料抗压强度应为混凝土设计强度的2 倍左右，至少在1 5 倍以 上。对高强混凝土而言，仅仅增加水泥用量、减少水灰比，而集料的强度不高， 则很难实现高强。对于中低强混凝土，粗集料的强度一般不会影响混凝土的强度， 因为粗集料本身的强度并不是最重要的。钱觉时【1 4 】等通过对4 种强度差异较大的 粗集料与三种不同抗压强度等级基体组合的混凝土的抗折强度实验得出以下结 6 武汉理工大学硕士学位论文 论：粗集料和基体协调性对混凝土抗折强度影响十分显著。在基体抗压强度一定 时，粗集料强度越高则越有利于提高混凝土的抗折强度，但这还取决于粗集料的 弹性模量。如果粗集料( 如钢集料) 的弹性模量过高，则在外力作用下会显著增 大基体中的应力集中，因此不利于混凝土的抗折强度；当粗集料强度比基体抗压 强度低时，则单纯通过增大基体抗压强度来提高混凝土抗折强度的效果不明显； 只有在两者相互协调的基础上，才能充分发挥粗集料和基体的作用。 ( 4 ) 粗集料体积分数对混凝土性能的影响 混凝土是由粗集料、砂浆和处于两者之间的界面过渡区所组成。所以，混凝 土的性能与这三项有着强烈的关系。集料占混凝土四分之三左右的体积，因此集 料的性能对混凝土的各种性能具有重要影响。比如集料的表面织构、颗粒大小、 形状、弹性模量、强度、级配和吸水率都可能影响混凝土的性能。粗骨料在混凝 土中存在一个最佳用量问题。在混凝土中，粗骨料是除水之外最便宜的组份，在 一定条件下，增加粗骨料用量，可以降低混凝土单方成本。同时水泥用量的相对 降低及粗骨料的骨架增强作用使得混凝土收缩减少，从而提高了混凝土的耐久 性。此外，由于粗骨料本身具有比砂浆更高的强度，在一定体积含量范围内还能 相应提高混凝土强度。但骨料含量也不能太高，否则会使砂浆、骨料界面粘结质 量降低，混凝土工作性降低，从而降低强度与抗渗、抗冻性能。m o h a m m e ds e d d i k m e d d a h 【1 5 等人得出在普通混凝土中增加粗集料最大粒径可以增加抗压强度，粗 集料含量强烈影响普通混凝土和高强混凝土的抗压强度。在普通混凝土中增加粗 集料用量可以增加抗压强度，在高强混凝土中，粗集料有一个最佳含量使得抗压 强度达到最大。m a t a s d e m 一】等人得出随集料体积率的增加，混凝土的弹性模 量、劈裂拉伸强度、有效应力强度因子、开裂能都增加。a f s t o c k 2 等人的研究 表明，粗集料体积率为2 0 时，混凝土的抗压、抗拉强度都比纯水泥砂浆低，当 该值达到3 0 4 0 时，抗压与抗折强度达到最低值，之后随着粗集料体积率的 增加而增加。 ( 5 ) 粗集料级配及形貌对混凝土性能的影响 集料的颗粒级配是指集料中大小不同的颗粒相互搭配的比例情况。级配较好 的集料，能够大幅度地减少孔隙率，降低水泥砂浆的用量，起到节约水泥，降低 成本的目的。而水泥用量的降低又可以减小混凝土的干缩，减少了开裂的风险， 这对大体积混凝土的浇筑是十分有利的。除此之外，良好的颗粒级配，还在用水 量相同的情况下，提高混凝土的和易性，具有显著的技术经济效果。随粗集料最 大粒径的减小，粗集料的比表面积增加，增加了水泥石与集料间的界面面积，混 凝土承受荷载时受力更为均匀，有利于混凝土强度的提高。但粗集料最大粒径过 小，又会影响新拌混凝土的和易性。集料的级配对混凝土的力学性能和经济性有 7 武汉理一j ：人学硕士学位论文 着很大的影响，直接影响着混凝土的强度、抗渗性能和耐久性，特别是拌制高强 混凝土时尤为重要。级配分为连续级配和间断级配。经典的连续级配理论有 w b f u l l a r t l 7 1 最大密度理论曲线。其表达式为： 厂- p ：，旦 ( 1 1 ) vd 式中，p - 通过某筛孔的百分数( ) ； d 筛孔的孔径( m m ) ； d 一集料的最大粒径。 在富勒理想级配曲线中，各级颗粒之间的组合都是逐级连续的，所以这类 级配叫做连续级配。他们认为只有连续级配才能使混凝土的强度最高， 密度最 大，水泥最省，所以又叫做最佳级配。可是实践应用的结果是按富勒理想曲线 虽然水泥用量经济，可是细粉料部分以下的细砂和水泥的数量往往不够，实际 应用时总要把它们适当提高。瑞士学者保罗米【1 8 】主张灰水比和集料的级配要同时 兼顾，提出了保罗米级配曲线， 其公式如下： 广- p ：1 0 + 9 0 ，旦 ( 1 - 2 ) vd 式中，p 通过某筛孔的百分数( ) ； d 筛孑l 的孔径( m m ) ； n 一集料的最大粒径。 1 9 3 3 年美国学者c a g w e y m o u t h 1 8 1 从理论上提出粒子干涉学说。认为凡具 有一定直径比的单位骨料组成混凝土时，其颗粒级配是以某一粒级的单位骨料的 平均相互间距恰好等于次一级颗粒的平均直径与外围水泥浆层厚之和，此时粒子 达到互不干涉。集料级配较好时具有较大的堆积密度和较小的空隙率，可以减少 水泥用量。其数学表达式为： j三 t = ( 挚) 3 - 1 d ，而t = d 1 + 2 c ( 1 3 ) 口口 式中，d 一较大一级颗粒的平均粒径； d ，一次一级颗粒的平均粒径； 巩一较大一级的集料的绝对体积： d 。一次一级集料的绝对体积； t 一某一级颗粒之间的间距。t = d ，+ 2 c 也就是颗粒间的平均间距应当等于 次一级集料颗粒的平均粒径加上包裹集料的水泥浆厚度的和时，即为理想的级 8 武汉理i ：人学硕士学位论文 配。当时颗粒干扰学说仍主张连续级配，可是已经开始摆脱只追求一条最佳级配 曲线的路线。 粗集料粒形对混凝土的工作性、需水量、泵送性能及强度都有很大影响。规 范上笼统地将集料分为碎石和卵石，以考虑不同粒形的集料对混凝土强度和工作 性的影响。粗集料的