（材料学专业论文）粗集料对混凝土抗压强度影响的研究.pdf

重庆大学硕： 二论文中文籀要 摘要 集料是混凝土的攫要组成部分，在混凝土的整个体积中，集料至少要占四分 之三，所隘巢瓣在混凝中占有缀重溪麓趣位。长期以来，人们更多缱遥遥琵箨究 水泥石来研究混凝土的性能，但随着现代建筑的高功能化，混凝上强度等其他性 麓要求遣不戮兹接亵，翻重予瘩混石瓣疆究绪莱已经无法簿群高强混凝| _ ；| 奄些 性能，人们便开始注懑集料的因素。 集褥俸为混凝分教褶，在普逶混凝主中，其对滋凝强凌贡献；4 c 安r i 基体大， 但是，在高强混凝土中，集料性能对混凝土强度影响较大。巢料对混凝土强度的 影嫡楚一个懋嚣未决麓难嚣，许多学者一囊致力予这方覆懿磷究，荠鼗 霉一定戆 成果。 辫蠹岁 有关集瓣x | 滋凝强度彩昀戆系缓瑗究绩鬃攫少，因此本论文掇邋过 试验束分析糨集料强度、集料体积率、最大粒径、形貌、集料。基体粘结强度等因 素对滗凝强度约影确，特舅蹬究现有粗集姆、轻集精穗硷金集料豹差异对滤凝 土强度的影响。研究鬃料强度对混凝土强度的影响，目的是考察集料和基体两齐h 动态发展的羲异对漫凝土强痰的影螭，劳考察集料在瀑凝中豹增强作用。 试验研究结果表明：粗袋料强度对混凝土强度影响较大，只有当集料与媾体 两搬强度和刚度相互题配的憾况下，才就有效她铡用袋料强度米提高混凝土强度； 研究集料强度对混凝土强度的影响应与集料弹性模量的影响相联系；集料在混凝 土中的增强作用随混凝强度等级不同丙有所差别，普通集料在商强混凝土中无 增强作用，在中强混凝土中也没有明显增强作用，而在低强瀹凝土中增强作用明 显；濒凝中存在一个最佳集料体积率和最大粒径，遮一最健值根据混凝土强度 等级而有所麓异；集料粒形以及表面特征对混凝土强度有较大的影响，影响程度 随混凝土强度等级差搏而不同：集料缀配对混凝土强度的影响随混凝强度等级 不同而差剐较大。 本文研究结果对于混凝土作为特殊复合材料的理论是一种补充，也在一定程 度i 为混凝i 配合眈设计科学纯和礁确性疆供了依据。 关键诵；糖集瓣，匹配关系，强度，纂体福，分散褶 重庆人学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a g g r e g a t e sa r ei m p o r t a n tc o m p o s i t i o n o f c o n c r e t e ，i ta c c o u n t f o r3 4i nt h ev o l u m e o fc o n c r e t e ，a c c o r d i n g l y , t h e r ea r es o s i g n i f i c a n t l y ，f o r m e r l y , w e o f t e ns t u d i e d c o n c r e t et h r o u g hc e m e n tm o r t a r ，b u t p e r f o r m a n c e o fc o n c r e t ei m p r o v e c o n t i n u a l l yw i t h t h em o d e r nb u i l d i n gf u n c t i o ne n h a n c e , t h o s er e s e a r c ht h a t e m p h a s i z e do nc e m e n t m o r t a rc a l ln o tt h r o wl i g h to np e c u l i a r i t yo f h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，s oa g g r e g a t e s b e g a nt ob ep a y a t t e n t i o nt o a g g r e g a t e s c o u l db e r e g a r d a ss c a t t e r e d e l e m e n ti n c o n c r e t e ，a n d i t s c o n t r i b u t i o nt oc o m p r e s s i v es t r e n g t ho f o r d i n a r yc o n c r e t ew a sl e s st h a nt h a to f m o r t a r ， b u te f f e c to f a g g r e g a t e si nh i g hs t r e n g t hc o n c r e t ea r ea n y m o r e t h ee f f e c to f a g g r e g a t e o nc o n c r e t es t i l lb eap e n d i n gd i f f i c u l t y ，t h e r e f o r e ，n u m e r o u sr e s e a r c h e r s t u d y i t c o n s t a n t l y ，a n d h a v em a d es o m ea c h i e v e m e n t s t h e r ea r er a r e l ys y s t e m a t i c a ls e a r c hr e s u l t sa b o u te f f e c to f a g g r e g a t e so nc o n c r e t e i nt h ew o r l d t h i sp a p e rw i l l s t u d yt h ee f f e c to fa g g r e g a t es t r e n g t h ，v o l u m ep e r c e n t ， a g g r e g a t em a x d i a m e t e r ，s h a p e ，c o h e r e n ts t r e n g t ho fa g g r e g a t ea n d m o r t a ro nc o n c r e t e t h r o u g he x p e r i m e n t s t u d yd i s t i n c t i o no fo r d i n a r yc o a r s ea g g r e g a t e s ，l i g h ta g g r e g a t e s a n dm e t a la g g r e g a t e si np a r t i c u l a r l yw h i c ha f f e c ts t r e n g t ho fc o n c r e t e t h i ss t u d yw a s i n t e n t i o nt o e x p l o r et h ee f f e c t o ft h et o we l e m e n t sw h o s em o b i l ed i s t i n c t i o no n c o n c r e t es t r e n g t h ，a n ds t u d yt h ee n h a n c e m e n to f s t r e n g t ho f c o n c r e t e b ya g g r e g a t e s t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a t ，e f f e c to fs t r e n g t ho fa g g r e g a t e so nc o n c r e t ew a s q u i t ea l i t t l em o r e o n l ya f t e rs t r e n g t ha n dh a r d n e s so f a g g r e g a t e sm a t c h i n g t ot h o s eo f s u c c e s s i v e e l e m e n t ，c a ni ti n c r e a s ec o n c r e t es t r e n g t he f f e c t i v e l y e f f e c to fs t r e n g t ho f a g g r e g a t e so ns t r e n g t ho f c o n c r e t es h o u l db ea c c o m p a n i e dw i t ht h a to fe l a s t i cm o d u l u s o f a g g r e g a t e s e n h a n c e m e n to fs t r e n g t hb ya g g r e g a t e sw a sd i f f e r e n tw i t hv a r yc o n c r e t e r a t e n a m e l y ，o r d i n a r ya g g r e g a t e sh a v en oe f f e c to fs t r e n g t h e n h a n c e m e n to nh i g h s t r e n g t hc o n c r e t e ，a n dh a r d l yh a v eo b v i o u se f f e c to nm i d d l es t r e n g t hc o n c r e t e , b u th a v e o b v i o u se f f e c to nl o ws t r e n g t hc o n c r e t e t h e r ei sa no p t i m a la g g r e g a t e sd o s a g ea n d m a x - d i a m e t e ri nc o n c r e t ea n dw h i c h c h a n g e d w i t l 】c o n c r e t er a t e t h es h a p ea n df e a t u r e o f a g g r e g a t e sc a na f f e c tt h es t r e n g t ho fc o n c r e t ec o n s t a n t l y , w h i c he f f e c tv a r i e dw i t h t h er a t eo f c o n c r e t e t h ee f f e c to f g r a d eo nc o n c r e t ev a r i e dg r e a t l yw i t hc o n c r e t er a t e 重庆大学硕士学位论文 英文攘要 t h es t u d yr e s u l tt a i lb et a k ea sak i n do fr e p l e n i s ho fc o n c r e t ea sas p e c i a l m u l t i - m a t e r i a l a n da l s oc a r lo “矗a c c u r a t ea n ds c i e n t i f i cr e f e r e n c ei nc o n c r e t em i x p r o p o r 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 ，m a t c h i n g - r e l a t i o n ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h ， s u c c e s s i v e e l e m e n t ，s e a a c r e d e l e m e n t n 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 用于混凝土的粗集料种类艇其特征 混疆土怒释多穗复合橱瓣，缀分帮终誊蘑懿不懑黯其密戏力学牲8 影璃翡广 度和深度也不同。许多研究稽将其视为水泥石和集料以及它们之间的界面所构成 戆复合薅鹣，冀毪麓逮褒凌予上述三个结橱摹元”。褥当长时鬻戳寒，a 襄一壹 将研究重点放在水泥的水化、混凝土外加剂和矿物掺合料方磷，以期望更大糕度 逮稳藤溪凝强凄”“，蠢葱褪了蘩精女终麟。夔骜漫凝i j 二程静大受诧帮趣轰 层化，仅仅通过改善水泥石的强度已不能满足混凝土强度的鼹求，于是人们慢慢 ； 戆注重予磷究集辩翡器蘑s 爨霆集瓣藏是指混凝主孛蕊剽搜壤充桴鞍，一竣蹇 粒径5 m m 以上的称为粗集料，5 m m 以下的称为细集料。本文着重研究粗集料对 遏凝懿影臻，赁戳f 嚣嚣獾簿集辩滁畜蒋潮溪鬻，一般均搔趣集料。 1 1 + 1 粗集料的分淡 溪凝躲嶷饕，技其组成、寒源、鞋囊鞠溪途浓说是菱辩攫夫熬，翻此，其 分类方法也很多。按矿物成分可分为无机集料和有机集料两大类；擒来源或制备 条俘测哥分为数一f 嚣释：天然集秘窥人造集辩，天然筷料又胃分为天然轻集糕爨 天然蓬集料，人造棠料也可分为人造轻集料和人造懿榘料。常用的天然集料主要 有石灰石、花爨岩、辉绿岩、玄武裘_ ：襁河卵石等。 1 1 2 天然糨集料的特征 袋斟翦许多特性完全取决于母炭的性顼，诸如矿物组成、岩掴、比重、硬度、 强度，物理和化学稳窿性、孔绪构等。但勇一方面，集耨磁懿有一麓母岩衙没有 豹外部特征：颗粒形状和大小，表巍结构等。对新摊混凝土釉硬化混凝土的性能 产生蓬要影嫡辩集料特征有强度、黪状、缀配、表磷构造、弹性模繁氍最大耱弪 以及辑含有的有害成分等。 8 ) 集3 | | ；率豁疆庶 熊料强度般描的是其抗压强度，表示方法一般有两种：母岩强度和压碎指 藤蘧。蹲岩强度是臻5 5 5 c m 3 酌立方体豢石菰压强度，或蹙0 5 c m 5 c m 黪瑟 柱体冶石强度。压稚指标值措的是，定颗粒大小的祭料在规定的嘲筒中受到规 定黪压力爱，按震宠戆方法求出酶压褡颓藕震量占受压集辩慧餍虽瀚匿势数。 b 1 集料的形状 豢耩形状翦表示方法一黢势霹凌，# 颥髓辩速黎热菸裙对鬣凌袋建度。爨凄 在很大程度上取决于母岩的强度和耐磨性及颗粒所爨的磨损程度。糨集料形状的 另一耱表示方法是它鹣零度，虿定义为颡鞍发茬穰与它戆体积逡匏避装。球壤与 重庆夫学硕士学位论文 母岩的层理和解理有关，当颡粒用人工方法破碎时，也受破静设备的垄式影响。 集料形状主要有如下袋1 1 所示的几种。 表1 1 集料颗粒形状的分类“1 ( b s 8 1 2 ：帮1 部分：1 9 7 5 ) 分类形状描述例子 翻鼯宪全隶爨损或完全由摩擦影浅海卵石或海爨嚣 不规则形自然的不规则或部分摩擦形成有很明显棱边其它卵石或挖掘的燧4 i 多角瑟在耀糙平纛弱攒凝甄兰形成蠢攫甥竣援边各秘# l 醛熬袭旗，废攀萼 片状集料的厚度比其它两个尺度耍小得多层状岩石 纲袈拔避露为多角耪秘，箕疑寝太大超过镪嚣令尺度 针片状长度人大超过宽度，且宽度大大超过厚度 然料的空隙率和集料的形状有关，一般情况下集料形状愈不规则，棱角愈多， 空黢窭愈夫。继长戆鞠片装戆袋籽单袋髂积熬表嚣积较大，不缎影嚷袋鹳空豫攀， 增加水泥用量，降低混凝土拌合物的和易性，而且，当它们在一个平面定向，且 在f 嚣骞承或空骧形成对，逐会对混凝土戆强菠秘耐久牲袁不裂影响，甄以鬃瓣 质最标准都限制了细长和片状颗粒的含量。 e ) 集辩躲级配 浆料的级配是指榘料大小颗粒相互搭配的数量比例。级配用试样在各号筛上 麴累计筛余甄分数表示。集斟的级配鸯连续级配和间断级配礴静，网一一粒级中最 大粒径与最小粒径之比为2 ，符合这种情况的就叫连续级配；从连续级配中去除 一个域几个中间粒级就是阈暾级配。一般来说，良好的级配应当是：1 ) 集料空 隙率癸小，以节约水泥量；2 ) 集料总表面积要小，以节约润湿集料的需水蹩； 3 ) 要有适当的细颗粒，以满足混凝土拌合物的工伶性。 d ) 集料的表面椅造 集料的表面构造指其表丽粗糙程度、孔隙状况和棱角大小等。一般表面糨糙 多孑l 盼集料空隙率大，另外，租糙多孔集瓣与水泥浆糖结力大，有莉于提高混凝 土强度。目前还没有公认的测量集料表面构造的方法。 曲集辩的最大粒径 集料的最大粒径指的是繁料粒径分布的尺寸上限，通常采用一个名义上的最 大尺寸，都兔许5 袋精留在筛子酌尺寸。集瓣粒径越太，单位羹蕉集瓣表舞 积越小，用水量就越少，达到规定的和易性的条件下可以降低水灰比，提高溉凝 强麓。僵楚粒径过大，会减少集籽基体弱糖结露袄，还可篷在集瓣内黎辩有 2 重庆大学硕+ 学位论文 大的缺陷，也会造成混凝土强度下降。 n 集料的弹性模量 粗集料的弹性模量与岩石强度、压碎指标值是相互关联的。一般而苦，弹性 模量高的集料配制的混凝土弹性模量也高，而且用于混凝土的集料弹性模量一般 都高于混凝土的弹性模量。 1 2 粗集料在混凝土中的作用 集料是混凝土的重要组成部分，在混凝土的整个体积中，集料至少要占四分 之三，所以集料在混凝土中占有很重要的地位。吴中伟1 院：j ：很早就提出中心 质假说，他将混凝土中的集料等尺寸较大的增强相称为大中心质，并指出这些中 心质有一效应圈。虽然他更多从化学、物理化学等角度强调大中心质对混凝土性 能的影响，但可见混凝土中集料的作用是非常重要的。 最初，人们把集料看作是一种惰性材料，借助于水泥浆粘合成一个整体，实 际上，集料并不真是惰性的，它的物理化学性质都会影响混凝土的性能。同前， 固内外关于粗集料在混凝土中所起的作用大致可归纳为以下几点。 1 2 1 集料作为刚性骨架对混凝土强度的影响 在混凝土的各组成成分中，普通粗集料的强度一般来说都比水泥砂浆高，高 达1 0 0 m p a 或甚至更高，其弹性模量2 8 1 0 4 m p a 也比砂浆的弹性模量5 0 2 0 0 m p a 高，在混凝土中起着刚性骨架作用，提高了混凝土的强度和变形模量1 。 而多孔轻集料则能降低混凝土的容重并改善其热性能。 集料的种类和特征影响混凝土的强度，例如软弱集料不能用以产生高强度的 混凝土，配制高强混凝土必须使用强度和弹性模量高的集料，但是强度和弹性模 量太高，又会造成混凝土内部产生内应力，引起混凝土强度下降。当混凝土中砂 浆层较厚时，由于砂浆强度相对较低，在荷载作用下比集料易于破坏，所以混凝 土强度偏低，此时，集料的用量制约混凝土的强度。集料的粒径、级配和形状等 都会对混凝土的强度造成影响“”。 混凝土中加入集料，使得混凝土基体与集料界面问形成一个结合带，当水泥 石和集料的强度都很高且集料表面清洁利于粘结时，结合带强度就高，在一定程 度上能提高混凝土强度，而在普通混凝土中，一般结合带都比较弱，有时反而成 为混凝土的薄弱环节，会降低混凝土的强度并削弱其耐久性。实践研究表明，在 许多情况下，水泥石与集料的结合处是混凝土结构中最薄弱的环节。 另外，高强集料构成的刚性骨架可以提高混凝土的密度和变形模量，从而减 少荷载作用下的变形，使得混凝土比单纯的水泥浆具有更高的体积稳定性和更好 的耐久一陆。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 _ 2 2 集料对混凝土裂缝引发和阻挡作用 大量的研究资料表明，混凝土受压破坏的实质和过程是由于混凝土内部缺陷 特别是微裂纹的不断扩展引发造成的结果。混凝士中的粗集料既能引发裂缝又能 阻挡裂缝的扩展。 混凝土承受荷载之前就已经存在微裂缝，只是尚未扩展，在混凝土硬化过程 中，水泥石则会收缩l m m m 2m m m 左右，而集料尺寸一般刁i 会变化，因此集 料对水泥石有一个约束作用，在粗集料的约束作用下，混凝土中产生拉应力可能 会引发裂缝的发生。另一方面，当裂缝扩展到集料并要通过集料时，由于集料比 较密实，裂缝难以贯通，裂缝要绕过集料必须吸收更多的能量，因此集料对裂缝 发展又起到阻挡作用。 1 1 2 3 集料与水化产物之间反应的作用 集料与水泥石实际上没有相互作用，但当改变各种集料的混合空隙度，而造 成混凝土体积填充率改变时，以及集料与水泥石表面特性和粘结力发生变化时， 它们也会发生相应的影响，从而对混凝土性能造成影响。 因为两相界面一般是混凝土中的薄弱环节，混凝土的整体性、渗透性和耐久 性往往取决于集料与基体的界面的特性，因此，集料表面构造的改善能提高混凝 土的强度和耐久性”。当水灰比不变时，加入集料，替代部分水泥，降低混凝 士中水泥用量，能够提高混凝土对各种侵蚀作用的抵抗力。 1 3 国内外研究现状及存在的问题 集料作为混凝土分散相，在普通混凝土中，其对混凝土强度贡献不如基体大， 但是，在高强混凝土中，集料性能对混凝土强度影响较大。集料对混凝十强度的 影响是一个悬而未决的难题，许多学者一直致力于这方面的研究，并取得一定的 成果。 1 3 1 粗集料对混凝土强度影响的国内外现状 国内外有关粗集料对混凝土强度影响的研究结果相对缺乏系统性。具体研究 结果分类归纳如下： 1 ) 粗集料强度对混凝土强度的影响 作为混凝土两种主要构成材料的胶凝材料和集料，当胶凝材料的作用已发挥 至极限时，集料的作用就显得比较重要了，从配制高强混凝土对粗集料有比较严 格的要求就可以说明这一点。+ 般认为粗集料抗压强度应选择为混凝土设计强度 的2 倍左右，至少应在1 5 倍以上。对于普通混凝土这是比较容易达到的，而对 于高强混凝土，特别是抗压强度超过8 0 m p a 的超高强混凝土，很多粗集料就难以 满足了。内维尔认为混凝土的抗压强度不能超过它所用的主要集料抗压强度太多， 4 重庆火学硕十学位论文 1 绪论 并指出集料对混凝土强度的影响可能不仅由于集料的力学强度，而且在相当程度 上取决于其吸水和粘结特性”1 。 陈肇元研究认为，对于高强混凝土来说，集料的性能对混凝土抗伍强度及弹 性模量起到决定性的作用。如果集料的强度不足，其他提高混凝土强度的手段， 如增加水泥用量、减小水灰比都将起不到多少效果“”。吴中伟也认为，对于强 度等级在c 5 0 c 8 0 左右的混凝土来说，粗集料本身的强度并不是最重要的“5 1 。 但也有人提出，对于强度低于4 0 m p a 的普通混凝土，粗集料的性能一般不会 限制混凝土的强度，因为在此范围内，混凝土中最薄弱环节是硬化的水泥浆及其 与粗集料之间的过渡区，而升i 是粗集料本身。对于抗压强度大于4 0 m p a 尤其是大 于8 0 m p a 的超高强混凝土，其水灰比特别低( o 2 o 3 ) ，已硬化的水泥浆及其过 渡区已不再是限制强度的薄弱环节了。此时，粗集料自身的强度及其矿物特征制 约混凝土的强度。高强混凝土的粗集料应选用密实坚硬的岩石，采用优质石灰石 和辉绿岩比花岗石更有利于混凝土强度，集料强度越高，越有利于混凝士强度提 高1 。 戴朝阳的试验研究则认为，无论高强混凝土或是普通混凝土，集料种类不同， 其力学性能就相差很大，但集料对高强混凝土和普通混凝土抗压强度影响明显不 一样，集料对高强混凝土强度的影响更大，而对普通混凝土强度则影晌不大1 。 陈兵进一步研究了石英岩( 强度2 1 0 m p a ) 、花岗岩( 1 5 0 伸a ) 、石灰石( 9 8 m p a ) 、 大理石( 9 5 m p a ) 四种集料对不同强度等级( 8 0m p a 、5 0m p a 、3 0m p a ) 混凝土 的强度的影响。认为集料对混凝土力学性能的影响在高强混凝土中更加显著“”。 国外学者也针对集料对混凝士强度的影响作了许多有意义的研究。h b e s h r 等研究了四种粗集料即石灰石、白云岩、石英岩和钢渣对高强混凝土抗压强度的 影响。结果显示钢渣和石灰石混凝土的抗压强度分别是最高的和最低的“”。而 为了更全面地研究集料在混凝土中的作用，t ，o z t u r a n 和c c e c e l l 试验研究了粗集 料种类对配制不同强度等级的混凝土的抗压强度的影响。结果显示，在高强混凝 土中，玄武岩混凝土强度最高，而卵石混凝土强度最低。而普通强度混凝土中， 玄武岩和卵石配制的混凝土具有相同的抗压强度，石灰石混凝土的强度较高“”。 p c a i t c i n 和p k m e h t a 试验研究了四种粗集料对高强混凝土抗压强度和弹性性能 的影响，结果发现辉绿岩和石灰石混凝土的强度和弹性模量比花岗石和河卵石混 凝土的高很多，他们认为粗集料的矿物组成不同可能是造成这种差异的原因”。 在超高强的金属或冶金渣集料研究方面，严安等采用冶金集料簧换部分普通 集料进行增强试验，结果表明，混凝土的强度随冶金集料置换率增加而提高”“。 2 ) 粗集料弹性模量对混凝土强度影响 关于粗集料弹性模量对混凝土强度影响的研究成果由于各种原因一直很少， 重庆丈学硕七学位论文1 络论 但大家普遍认为，糨爨料的弹性模量媛接影响着混凝土的强度帮弹健模量，粲科 弹性模量越高，制得的混凝土强度也越高。而k a p l a n 更提出在影响混凝土抗压强 度的糯集释的性能中，集料弹性模蟹所占比例较大，达到3 4 1 2 l 。僵也有入诀 为集料弹性横量太高并不是好事，集料与水溺浆基体的弹性模量差异太大，容易 造成榘秘基体闻产生应力集中丽经混凝主在较低蓊载下发生破坏。 f p z h o u 等”4 1 研究了粗集料对高性能混凝：i 2 ( h p c ) 雕j 弹性模量和抗压强度的 影确，结采鬣示弹惶穰量校赢釉稷低躲精集辩，其混凝土强发都不楚太高，软弱 集料的混凝土强度下降很大，而坚硬的钢集料混凝士强度也有一定程度的降低。 毽提密集瓣私蒺体蘸藕弹性援筮之闽存在一个稽互豫调性阕麓。 轴粗集料粒径对混凝土强度影响 褪集籽懿竣大粒径对撬凝往能瓣影酾怒令复杂瓣翅题，毽磅究久员对l 怼趣 题研究却很爿i 够“”。 艘试蠢集秘对裂缝兹扩鼹有疆褥 ；溺，菠臣隧集辩穆经兹缮大，漫凝叛 裂韧度提高，有利于强度的提高；但是，随着集料粒径进。步增大，集料与水泥 浆基 奉爨瑟豹裙始裂缝也莲纛璞鸯g ，镬褥集籽与基体瓣糙缝鸯联减弱，囊辩熟飒 械啮合作用也有所下降，从而造成混凝土强殿下降阮”。 黛料款最大粒经蹩影昀惑性能混凝强壤鲍重要骥素之一，集料粒径对磐通 混凝土影响不大，而对高强混凝土影响显著，比如吴中伟、廉慧珍就认为，混凝 承黢比缀大时，石予最大粒经对混凝土强度几乎无影晚，当承荻比降至0 4 时， 集料粒径对瀹凝土的强度影响较大。用小粒径石子时，水泥浆体和单个石子界面 的过发层周长鞠厚度都小，难以形成大的缺陷，有利于界面强度的提高“”。但 也有人认为集料最大粒径无论对高强滟凝土述是普通混凝土都有较大的影响“n 。 a m 。内维尔曾建议混凝士强度在6 0 1 0 0 m p a 范围内时，混凝土的集料墩大 粒径不宜大予2 0 m m ，当混凝土强度超过1 0 0 m p a 时，褪集料的最大粒径应限制 在1 2 r a m 以下”1 。而与此相反，中国水利水电科学研究院采用最大粮径4 0 m m 的 石子能配箭出强度为8 6 1 m p a 的高强泵送混凝土，甚至石予粒径达8 0 r a m 时龟能 配制出7 5 2 m p a 的高强混凝土，并已在工程上应用雌7 2 ”。 懑尼嚼德斯和j 弗朗西渐扬认为，一方黼，集料袋大粒径越大，释和锯需要 水泥浆越少，当工作性及水泥用量一定时，混凝土强度随着集料尺寸增大而增加； 勇一方面，随着集料尺寸增大，集稀眈表面积减少了，糖结强度下降，瑟盈较大 集料对水泥浆变化阻力大，易于引起水泥浆中的附加内应力，导致混凝土强度降 低，这释律绢仅在富淀凝中曼明显”1 。 是历斌认为，在一定水泥用量和砂率的情况下，混凝 ：的强度存在集料最大 粒径效应，稳藩赉糇簇料装僚浸太羧经为2 0 r a m 哳1 。瑟k e r uw 毪等瘸声发麓援 6 重庆入学硕士学位论文1 绪论 术研究集料尺寸分布对混凝士力学往能的影响。试验结果表确混凝抗压强度随 着集料最大粒径的提简而增大，但粒径超过1 5 r a m 后混凝土强度又缓慢下降”。 4 ) 褪集辩一基倦秸结强度对混凝土强度的影嘲 混凝土的强度取决于三个方面的强度，即集料强度、水泥石强度、集料 基俸癸谣藕臻强度，谣赛面酶粘结强菠又篷赫兰令方蕊，辞獠集精每承淹磊的糖 结强度、细集料与水泥石的粘结强度和水泥水化产物之间的粘结强度。所有这些 影响溜凝强漫的霞豢中，精集精与承淀石静秸结强菠是起决定 乍周黥因素”h 。 吴中伟等也指出，对于某些集判，当水泥用羹增加或水胶比降低到一定程度后， 涅凝主强度不荐提高，“这显然不是混凝弱强度已完全开发”，毽不是石子鳆 强度不够，而是因为界面粘结强度达到了极限“”。内维尔认为集料同水泥浆的 箍结，其形残瓣帮分琢因是繁精表嚣豹粗羲发筵承泥浆与集套 稳互曝会蜉1 。 马一平2 1 研究了提高普通混凝土中水泥石一集料界面粘缩强度的途径，其结 果衰鞠：在东淀中掺热超缨矿渣龄，甄涅浅浇处理大理石集辩，集辩表露涂以琏 烷偶联荆或丁苯胶乳，以低水灰比浆体包裹集料，均可使水混石集料界面粘结强 度褥以大旗爱提毫，劳对提交糙绩强菠蕊祝璎 乍了讨论。 喻乐华”应用界面理论分析混凝土强度与各类粗细集料界面的关系，讨论 了混凝强凄粒最薄弱环节凝集糕豹界甏送的影l 彝因素。 瀚外对遮方面的研究不多，t t l l i na k 鲫枣1 n 等认为，集料的种类和尺寸效应 在混凝土粒爨翅过渡隧域结构澎成以及破坏过程中是攫重要的。他们研究了袋料 的表街、尺寸与基体水灰比对界面过渡区粘缡强度的影响。试验结果温示，水灰 比较低时，爨辩的性质( 高弹模、光滑表面构造和尺寸) 对界丽过渡匿缺陷和混 凝土破坏过程的影响燕很显著的盱”。 在粗集料基体糙结强度对混凝土影响的定量研究方掰，杜庆搪的试验结 果显示集辩破碎面越多越好，集科表褥的粗糙度越大，则藕缩力越大，卵石躺光 滑表聪破祷成毫无规则的表面时，界黼粘结强度提高3 倍”。 5 ) 粗集科缀配对混凝土强度的影响 长期以柬，人们在集料级配对混凝土强度影响的问题上做了大氦的试验和研 究，先后提舞了许多缀配理论和缀配模型，毽这些囊论葙模蘩帮没有较好的酱遍 性。 有研究淡$ 表明，级配蠢好髂集籽有较大的难积密凄，舔时氇具有较夺静空 隙率。当粗石子占总石子的7 0 时，堆积密度最大，空隙率最低，混凝土强度也 最商2 懿。 当榘料级配不好时，即没有或很少中间颗粒时，混凝土禽有过多而且不易密 实懿移浆，逡成混凝连郝均匀性差，强褒交异栏大。嚣虽还会造成潼凝搀合 重坎大学硕：t 学位论文 物流动侄差，离祈严疆，容翁在内部形成蜂窝孔洞等缺陷，从而直按降低了渝凝 土的强度”“。孙风潮圭| _ | 认为，当集料的最大粒径相同且水狄比不变时，在保持 同榉稠度情况下，由于蠲东懿减少，密实度掇高，间断缀配浞凝i 的抗压强度可 提高8 1 9 ，在提高混凝土抗压强度的同时，间断级配混凝土可以减少水泥阁量 7 1 0 k g m 3 ，约3 5 左右”“。 6 ) 粗集料形貌对混凝土强度的影响 糇榘籽懿颓粒j 乞 葶形状秘表露特薤( 鼙形虢) 对耨捧滠凝土帮硬仡后静溉凝 土的力学性质都有很大关系。比较理想的粗集料颗粒形状是接近于球体或正多面 体。偿集精懿影狡帮淡瑟特鬣在湿凝强疫辩长中静全帮终麓还不十分清楚转1 。 研究普遍认为含针片状颗粒多的粗集料，其空隙率和比袭面积增大，表谳吸 隶塞罐麓，瘁疆力增大，潼凝窝爨瞧降蘸。荔且混凝受力时针冀获颗粒容易 断裂，另外，在混凝土成型过程中，针片状颗粒易于成定向排列而造成混凝土强 度跨 蓬。然嚣，癸毫搭静硬究帮发褒滋凝中针冀状羰粒含蘩增热，会整送滋凝 十内部结构破坏的发生口”。 燹历斌等也磅究了象鞋靛影、赞片凌含爨对毫强嚣装镱漉凝王传牲帮力学 性能的影响，认为混凝土中存在最健针片状含量值，在这个德附近，混凝土强度 最高，超出彝少于这个范围郝会降低混凝强震。健提出在该文条件下混凝强 度最高时的针片状含犍为1 2 t 2 6 。但郭玉起和甄广常的试验结果却认为针片状 集料含量不应太于5 3 9 1 。杜庆檐厦浓指出，集料的发蘑形皴影响c a ( o h ) ：懿厚 度，集料表面越光滑，c “o h ) 2 厚度越厚，这也是造成卵石混凝土强度低于碎石 混凝强度的原因之+ ”。 7 ) 粗集辩用量对混凝土强度的影响 在常见的混凝土集料含量范围内，精确的集料体积只是决定混凝土强度的非 主要因素。一般来说，水灰比恒定时，较贫的混凝土可以达到较高的强度，悉尼 明德斯认为这是因为总含水量较少，从而浆体含量也较少，所以与富混凝土相比 总孔隙率有所降低酶聪霞“”。 a l a i nd e n i s 等介绍了有限数量粗集料对混凝土工作性能的影响的试验成果， 结采髓示，2 0 m p a 的基俸中，藕集科含量、糍径是影响最显箸静参数“”。表瞬 了混凝土工作性能取决于集料含量，所以粗繁料含量少的细粒混凝土并不象像普 遥酶纲粒混凝，羹抗匿强度并不是隧碎石孺基静增翔焉挺赢。 邢峰等h 则通过正交实验研究认为，在普通混凝土中，粗集料的体积含量 增大时，力学眭毵菲匀矮健壤瓣，溪凝强度下降，需当温凝蒺体强度撵裔厝， 其强度随集料的体积禽量增加而提高，尤其愚在高强混凝土中，集料的数量效应 i 零鬃篝。毽通过试验褥鲞了凝集瓣含量与最丈藏径对混凝主强度影潮兹数学穰 重庆人学硕+ 学位论文1 绪论 型： ，、i，、i1 只一f m = c ( d 十b 巴j 畋+ c - ( 珐。一5 j 。j 其中，f 。为混凝土强度；f m 为砂浆强度；d 。为集料绶大稳径；v 。为集 料体积含量：a ，b 为粗集料与砂浆物性有关的参数，a 0 ；d 为粗集料物性参数； c 为鞭骨科对抗匿强发与精静耱最大粒径对藏压强度彩弼之魄。 在水泥石与集料粘结良好的条件下，集料颗粒相距越近，水泥石越薄，其所 受的压应力越大，承滗石静横商应交越小，越不容易出蕊焉部破坏。 张立新的试验研究结果显示，集料对混凝土裂纹扩展有阻裂作用，集料减少， 阻碍作滔降 蕊。健谈为混凝j 二强度随集籽体戳率j 饕蕊嚣提离，鬃稳体积率为6 0 时，混凝土强度最大，增加或降低集料体积宰都会使混凝土强度下降“”。戴朝 阳数试验结菜帮表囊，集辩 零辍率对菠强琵凝获压疆疫静影藕爨对酱逶漫凝 抗压强度的影响大，在高强混凝土中，集料体积率从6 0 增加到8 0 时，混凝土 强瘦下洚2 1 。8 ：瑟鼹普通混凝瑟毒，集糕俸积率从5 0 攒热到7 0 时，溪凝 土强度仅f 降8 5 1 6 1 。 l 。3 。2 研究存在的潮题 髓然，上述结论怒非常有价值的，是进一步深入研究的基础。但我们注意到， 这些磺究缝暴大多不怒 鬻系绫，缎多结论浆霉孛程度m 上理论铱撂莠不够充分，艘 律研究也不是很完全。人们并未给出为什么离强混凝土的粗熊料最大粒径应进行 限到? 耀集越最大越径的确定是否与祭料弹髅摸量、强度以及集料体积率甚至集 料基体界面粘结强度等因素有关? 又如大部分研究潸认为疆配制高强混凝土必 须采煳高强集料，面有部分磺究者发现高强集嗣对混凝土强艘的提高没有明鼹作 用。不少研究结果针对集料的母岩类型进行研究，然后确定该母岩粪型的集料是 否可以用予赢强混凝土，但不同地区同类母岩性能差异很大，不将其他性能综合 起来考虑，研究结果意义不大。此外，由于在所有演凝土的缀成材料中，集料的 要求枣h 对比较宽松，实际应用中对集料性质的评价与控制指标比较空洞，而影响 集料在混凝土中作用效果的因素又襁多，因此有关的研究难鼹很大。 很多研究结果显示，集料在混凝土中的增强作用述与集料的表面状态有关， 闵为集料的表面状态影响混凝士的工作往能，继而影响滢凝_ 强度，甚至还与集 料的化学组成、矿物成分有关，因为可能影响水泥水化产物在集料基体界面的生 成情况，餐怒集科本努对混凝土静增强作髑帮研究不够。由于鑫前对精集籽评价 和控制指标都比较空洞，特别是影响粗集料在混凝土中作用的因素很多，要通过 系统游试验束分析$ 赣集籽魏侮影稿滋凝酶强度， = = 作量是替鬻巨大豹。 9 重庆火学硕士学位论文1 绪论 1 4 论文研究的目的及意义 以前，人们更多的通过研究水泥石来研究混凝土的性能，但是随着现代建筑 的高功能化，溜凝强度等其他性能疆求也不断的鼹高，德藏于永溉石的研究结 果已经无法解释高强混凝土的些性能，人们便开始注意集料的因素。研究集料 对潺凝强痰、交形、耐久後、赣往、硬凄、体积稳定孛耋、抗渗性簸的彩确镄臻 多了。然而，从已有的报道糟，国内外有关集料对混凝土强度影响的系统研究结 采校少，函魏本论文孝菝透过试验来分掰襁集料强度、粒径、集秘 基体稿结强泼等 因素对混凝土强度的影日向，特别研究现有粗集料、轻集料和冶金集料的差异对混 凝谶度嚣影糖。 1 4 。l 论文研究的嚣的 目前，人们知遵粗集料在混凝土中并不只是起填充作用，还影响混凝土的性 蘸，最涎羞漫凝强震涎握裔，集蛰彩糖程黢越显蔫。但这仅仅是一个定性的变 化趋封，目前还没有提出较深刻的影响规律。 磷究豹嚣豹在予绘各耱强发等级混凝凝嶷辩豹选用提供臻导，堪可能搜集 料物尽所能满足混凝l 强度要求，并指导高强混凝土及轻集料高强混凝土的配制。 提高滋凝份为特臻媳嚣甥复合材料姻援律燃豹认识，通过动态瞧骈究，对漫凝 土其它早期性能的研究，如早期开裂问题的研究提供参考，还可以一定程度。t 为 潺凝配合如设计科学化积涨确性提供依据。研究结果还将为育钢箴约寐条件下 粗集料的动态影响提供参考。 1 4 。2 论文研究的意义 绝大部分的研究始果显示，粗集料应选用密实坚硬的岩石，弼优质石灰石和 耀绿岩，集料强度越搿，越有利于混凝土强度：粗集料的最大糙径应限定在2 0 r a m 以下，当强度超过l o o m p a 时，粗集料的最大粒径应在1 2 m m 以下。这表明随混 凝土强度提高，粗集料的强度和粒径对混凝土强度已肖比较明显的影响了。但是 必须注意到，这些结论是基予数量不太多的试验结果得出的，缺乏理论依据，而 且部分研究者还发现强度高的粗集料对混凝土强度掇筒并没有明显作用“”，甚 至z h o u 等采糟高强静钢集料爱而降低了混凝抗压灏度“”。闵诧随滗凝圭强度 提高以及性能的改善，非常有必要重新认识混凝土中粗集料的作用。 鲡莱觚两箱复合零孝籽角度，可将灌凝主褫为由襁集辩分敬耜或称为增强裢与 水泥砂浆基体相两相复合的非均质材料，此时，研究粗集料的作用将有非常大的 辫学价篷，霞为潺凝主是 嚣特殊静秘穗复合耢辩，表现在稀穰之闻静性麓差异 随龄期发生非常大的变化。基体的强度和刚度从零丌始增加，到一定龄期后接近 集瓣分鼗裙，对于轻熊耨漫凝，基体瓣强痰耪剐凄在一定龄麓还将怒过集籽分 重庆大学硕士学位论文1 绪论 散相。对于高强混凝土，特别是超高强混凝土这种变化将远比普通混凝土为明显。 此外，对于普通混凝土，粗集料强度、刚度都远高于基体相，因此可起到增强相 作用，但对于高强混凝土和采用轻集料制备的混凝土，这种情况将发生很大的变 化，这时集料是否还能很好起到增强相的作用或所起的增强作用如何就有必要进 行研究了。尤其是这种差异随时间的变化对混凝土性能，特别是对混凝土的早期 性能影响是比较大的，研究两相之问差异随时问变化对混凝土性能可能产生的影 响是非常重要的。 随若基体强度提高，集料增强作用相应降低，研究这种作用机理，对于提高 混凝土强度、选择合适的集料、给出配制参数、降低高强混凝土的成本，以及对 于有关高强混凝土一些经验公式的获得都有非常重要的意义。根据粗集料在混凝 土中的受力特征来看，粗集料要起到增强效果，必然应有比较高的弹性模量，只 有这样在同样变形情况下才能传递更高的应力或荷载，反过来高弹性模量的粗集 料在同样变形量的情况下将受到更高的应力，因此要使得粗集料在混凝土中起到 增强作用，粗集料的强度也就应越高。那么是否粗集料强度、弹性模量越高，就 越有利于混凝土强度呢? z h o u 等采用球状钢集料来代替天然粗集料时，混凝土强 度反而下降“”。出现这种情况与高弹性模量的粗集料受力时会在粗集料周罔所 产生的应力集中有关，应力集中程度除与粗集料基体弹性模量差异有关，可能主 要还与粗集料粒径有关，钢集料与水泥浆体的弹性模量相差十倍左右，虽然在目 前混凝土可以达到的强度范围内不会产生粗集料断裂，但会在粗集料的周围广叫i 非常大的应力集中，使得基体在比较低的荷载下就会破坏，因此这种情况下只有 降低粗集料的尺寸才能使得钢集料发挥作用。r i c h a r d 等“”也采用钢集料但得到 抗压强度达到8 1 0 m p a 的活性粉术混凝土，虽然r i c h a r d 等采用特殊热压工艺， 但也要归结到是因为采用的钢集料粒径小于o 8 m m ，只是他们并未说明为什么采 用如此小粒径的集料。研究混凝土中两相强度和弹性模量如何匹配，特别是随龄 期变化的匹配，是一个很有意义的科学问题。 由于粗集料和基体的差异，粗集料在早期的混凝土中不仅有骨架作用，还可 能因为基体的收缩会产生应力集中，这种应力集中虽然不会使混凝土破坏，但可 能产生一些缺陷而影响混凝士的抗压强度。任何一种混凝土，在早期都不可避免 存在粗集料与基体的差异，对于高强混凝土或轻集料混凝土，这种差异可能影晌 的龄期更长。但是，这种差异对混凝土性能有什么样的影响? 随龄期变化这种影 响又是如何发生变化的? 在荷载作用下，甚至在早期混凝土自重作用下，这种影 响又是如何变化的? 从混凝土目前在结构材料中的重要地位和应用前景，这些问 题是应该进行研究的。以往有关的研究结果都是局限于某一龄期或某几个龄期， 可比性很差，而且试验结果相对较少。因此通过研究粗集料随龄期的动态影响将 重庆天学硕士学位论文 能更为清楚认识稻菜籽在混凝士中的作用。混凝土作为使用鬃最大、使用范闰最 广的种结构材料，其力学性能尤其抗压强度是最熏要的指标，困此研究姐集料 对混凝抗压强度动态影确鬣值得避行研究鲍，氇是箍容易餍开的。 l ，5 论文研究的内容 本文研究粗集料的强度、体积率、最大粒径、形貌、级配以及集料一基 锌藉缩强度对澹凝主澈凄静影演。 第一部分是研究集料强度对混凝土强度的影响，目的是考察集料和基体两 稠动态发展豹差弄对滋凝强度戆影旗，繇究集瓣与蓥体熬嚣琵关系，荠考察 集料柱混凝士中的增强作用