公路路面基层技术讲座 - 湖北省公路学会

混凝土组成材料骨料篇,本章前言,骨料相对而言比较便宜而且不会与水发生复杂的化学反应，因此传统观念上人们把它作为混凝土的惰性填充料。然而，由于人们日益认识到骨料对混凝土和易性、尺寸稳定性、耐久性、强度以及经济性方面的重要作用。因此我们必须象重视水泥那样重视骨料。,如果不能用足够包裹骨料的最少量的浆体和最大量的骨料组成具有工程所需要的良好施工性能的拌和物，是不可能得到耐久的混凝土的。,我们必须充分认识到：,我们应该重视骨料的品质,我国混凝土质量比西方国家的差，主要原因在于骨料的质量；骨料质量首先不是强度，重要的是使用级配和粒形良好的骨料可以得到最小用水量的拌和物。,授课提纲,骨料的定义与分类骨料的加工制备骨料的作用级配与粒径分布粒形与表面织构有害物质吸水性和表面潮湿状态强度与弹性模量用于高性能混凝土的骨料,5.002.501.250.6300.3150.160,10080.063.050.040.031.525.020.016.010.05.0,骨料（aggregate）的定义与分类,碎石,卵石,天然砂,人工砂,混合砂,粗骨料,细骨料,mm,mm,普通混凝土用砂、石质量标准及检验方法标准JGJ52-2006,骨料的加工制备,骨料的制备,需要提示注意的是破碎设备可能决定着颗粒的粒形。对于石灰石等层状沉积岩，鄂式破碎机和反击式破碎机就容易产生扁平颗粒。当前推荐的破碎工艺是由鄂式破碎机反击式破碎机锥磨组成的加工设备与工艺系统。,不同工艺加工出碎石质量的对比,骨料的作用, 骨架作用，传递应力 抑制收缩，防止开裂,为什么把砂石称为骨料？,在传统观念中把砂石叫做骨料的原因是认为骨料起强度作用而作为混凝土的骨架，这是一种误解。骨料的骨架作用主要是稳定混凝土的体积而不是强度。纯的水泥浆体硬化后收缩过大，无法用于结构，必须有骨料对水泥浆体的收缩起约束作用，而且骨料在混凝土中必须占据大部分体积。,决定混凝土强度的不是骨料,对混凝土的强度其决定作用的是混凝土的水灰比（水胶比），所以目前用强度很低的轻骨料（陶粒）已能配制出C50的泵送混凝土。,骨料对混凝土收缩的影响,骨料的级配与粒径分布,骨料的级配应该比较好，只有这样，细颗粒才能填充粗颗粒之间的空隙，这有利于减少骨料骨架中的空隙率。这些空隙又被胶凝材料浆体填充。 骨料级配良好的重要考察指标是空隙率和混凝土的和易性。（因为有时虽然骨料空隙率较低，由于其颗粒粒径相差较大，混凝土混合物容易产生离析现象，导致施工困难。）,粗骨料的分仓上料,为保证粗骨料的良好级配，降低空隙率，目前越来越多的重要工程和商品混凝土搅拌站采用5-10mm和10-20mm分别计量上料。原因是即使采石场做到了级配，运到现场也没有了级配，因此要求一律采用分单粒级进料分级封闭储存，级配后分级上料。,砂的筛分析实验,砂的粗细程度是指不同粒径的砂混合在一起后的总体平均粗细程度。通常有粗砂、中砂、细砂之分。砂的颗粒级配和粗细程度用筛分析的方法进行测定。用级配区表示砂的颗粒级配，用细度模数表示砂的粗细。,砂的筛分析方法是用一套孔径为9.50mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、及600m、300m、150m的标准方孔筛，将质量为500g的干砂试样由粗到细依次过筛，然后称得余留在各个筛上的砂子质量（g），计算分计筛余百分率ai（各号筛的筛余量与试样总量之比）、累计筛余百分率Ai（该号筛的筛余百分率加上该号筛以上各筛余百分率之和）。分计筛余与累计筛余的关系见表5.1。根据下列公式计算砂的细度模数(Mx)：,砂的粗细程度细度模数Mx,砂的粗细程度，指不同粒径的颗粒混在一起的平均粗细程度。,3.7-3.1 粗 砂3.0-2.3 中 砂2.2-1.6 细 砂,细度模数,筛分曲线超过3区往左上偏时，表示砂过细，拌制混凝土时需要的水泥浆量多，易使混凝土强度降低，收缩增大；超过1区往右下偏时，表示砂过粗，配制的混凝土，其拌合物的和易性不易控制，而且内摩擦大，不易振倒成型。一般认为，处于2区级配的砂，其粗细适中，级配较好，是配制混凝土的最理想的级配区。,例4-1某干砂500g的筛分结果如下表所列。试计算该砂的细度模数并评定其级配,石的最大粒径（Dmax）,混凝土粗骨料的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，同时不得大于钢筋间最小净距的3/4； 对于混凝土实心板，骨料的最大粒径不宜超过板厚的1/2，且不得超过50mm； 对于泵送混凝土，骨料最大粒径与输送管内径之比，碎石不宜大于1:3，卵石不宜大于1:2.5。为避免混凝土难以流入模板和钢筋之间的空隙，最大粒径不得超过保护层厚度的30%为宜。,骨料粒径大于保护层厚度造成的缺陷,粗骨料的粒径效应,Dm增大，削弱了粗集料与水泥浆体的黏结，增大了内部结构的不连续性；粗骨料对水泥硬化体收缩起约束作用，由于二者弹性模量不同，因而混凝土内部产生拉应力， Dm增大，拉应力增大； Dm增大，界面过渡区的氢氧化钙晶体的定向排列程度增大。,水胶比越低，粗骨料粒径对渗透性和强度的影响越大；抗渗性和强度随最大粒径的减小而提高，但弹性模量有所下降，收缩增大。,骨料粒径对混凝土渗透性的影响,骨料粒径与混凝土抗冻性的关系,石子粒径和混凝土强度的关系,关于理想级配分布,为使混凝土尽量达到最密实状态（即骨料颗粒之间的空隙最少），颗粒体系（胶凝材料+骨料）的理想级配曲线应遵循Fuller和Thompson建议的公式： P=100(d/Dmax)1/2 另一方面，满足上式的所有固体颗粒堆积最紧密,与水搅拌时系统流动性会降低，影响工作性和浇注。特别适合低流动性混凝土拌和物,具有颗粒紧密堆积的特点。,随着混凝土工作性由干硬性变化到高流动性和骨料由球形天然骨料变化到角形碎石，Bolomey建议引入参数A修正理想级配曲线。公式为： P=A+（100-A）(d/Dmax)1/2 流态混凝土天然骨料A为12 ，人工骨料A为14。如果考虑胶凝材料含量C（=C/C+骨料用量），则纯骨料理想级配曲线公式为：P= A+（100-A）(d/Dmax)1/2-C100/100-C 也可以由此公式初步确定细骨料比例。,粒 形,骨料的粒形与级配同样重要。我国标准对粒形的要求太低，例如普通混凝土用砂、石质量标准及检验方法标准JGJ52-2006中允许粗骨料针片状含量上限为25%，这对我国骨料加工质量非常不利。,粗骨料针片状颗粒的定义,碎石或卵石的针状颗粒（即颗粒的长度大于该颗粒的平均粒径2.4倍）和片状颗粒（即颗粒的厚度小于该颗粒的平均粒径0.4倍）其含量过多既降低混凝土的泵送性能和强度，又影响混凝土的耐久性。,骨料形状,棱角状 浑圆状 针状 片状,C30，含量15%；C30，含量25%,国外有用球度描述骨料的粒形。其定义是表面积与体积之比。球形或浑圆的颗粒，其球度较低；而针状和片状颗粒的球度就高。细长或者刀形颗粒应该尽可能避免或者限制不超过骨料总质量的15%。这不仅对粗骨料重要。而且对机制砂也同样重要。,骨料的颗粒形状,在欧美扁平、片状骨料以及非常不规则的骨料一般不超过20%，而我国有时高达80%骨料粒形不好对混凝土和易性、强度和耐久性都产生不良影响。且直接导致水泥用量增多。,表面织构,卵石表面光滑少棱角，空隙率和表面积均较小，拌制混凝土时所需的水泥浆量较少，混凝土拌和物和易性较好。碎石表面粗糙，富有棱角，集料的空隙率和总表面积较大；与卵石混凝土比较，碎石具有棱角，表面粗糙，混凝土拌合物集料间的摩擦力较大，对混凝土的流动阻滞性较强，因此所需包裹集料表面和填充空隙的水泥浆较多。如果要求流动性相同，用卵石时用水量可少些，所配制混凝土的强度不一定低。但制备高强度混凝土时，使用更好的碎石，这主要是因为碎石界面粘结和机械咬合力强。,骨料中有害杂质,骨料中的泥及其中的硫化物、硫酸盐、有机物，云母、轻物质等，会粘附在骨料表面，影响水泥石与骨料之间的胶结能力；或形成薄弱部分，或增大收缩，或腐蚀混凝土，对混凝土的质量产生很大的影响。 因此标准对砂和石中的泥、有害杂质含量进行限制。,GB/T14684-2001建筑用砂规定砂中有害物质含量的限制：,砂中有害物质含量,砂中含泥量和泥块含量,粗骨料有害物质：卵石和碎石中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、煤块和炉渣等杂物。其有害物质应符合,碱骨料反应：水泥中的碱性氧化物（Na2O、K2O）与骨料中的活性成分反应，生成碱硅酸凝胶体，它会吸水肿胀产生膨胀。使用含碱量小于0.6的水泥，或掺加能抑制碱骨料反应的掺合料。 一般来说有两类碱骨料反应：一类是碱-硅反应：碱性物质与含硅酸盐类物质的骨料（如蛋白石和硅酸石灰石等）发生化学反应；另一类是碱-碳反应：碱性物质与含有碳酸盐类物质的骨料（如白云石等）发生化学反应。碱骨料反应的结果是吸水后在水泥骨料表面发生膨胀性断裂，从而导致混凝土结构开裂。比起由于钢筋锈蚀而导致的病害和开裂，碱骨料反应的过程很慢。,海砂含盐要警惕！,【案例4-1】砂质量不合格导致混凝土凝结异常概况 某工厂的钢筋混凝土条形基础，使用强度设计等级C30的混凝土，混凝土浇筑后，第二天检查发现部分硬化结块，部分呈疏松状，未完全硬化，轻轻敲击纷纷落下，混凝土基本无强度，工程被迫停工，从混凝土的形态上可以看出有部分砂粒表面无水泥浆，大部分砂粒间水泥浆较少。,分析 经调查，混凝土用砂含泥量超过标准一倍以上，导致泥粉总面积大幅度增加，需要更多的水泥浆包裹它们。同时，泥粉本身强度低，降低了混凝土的强度。其次，砂子细度模数小，砂率偏高，在质量相同情况下，表面积大大增加，需要更多的水泥浆包裹，而此工程混凝土配合比并没有充分考虑者以上情况，水泥用量偏低，砂粒表面没有被包裹层或包裹层太薄，这影响了混凝土的凝结和强度，第三，由于现场砂粒细、含泥量大，砂团不易分散，按常规搅拌时间，不能充分使水泥浆完全包裹砂粒。导致混凝土拌和物不均匀。,【案例 4-2】骨料含有害杂质引发事故概况某厂一座四层钢筋混凝土框架结构厂房，梁、柱为现浇混凝土。该厂房于1988年1月开工，工期为10个月，交付使用后一个月就在梁、柱等多处出现爆裂。半年后混凝土柱基、大梁根部等处混凝土也陆续出现爆裂，严重的导致大梁折断。,分析使用含有害杂质的工业废渣做骨料。取裂缝处碎片进行X射线分析，发现其中晶体多为方镁石,并含有少量生石灰石，裂缝是由于方镁石、生石灰石水化膨胀造成。调查发现该厂为节省资金，使用含有MgO和CaO的工业废渣代替部分混凝土骨料，导致了事故的发生。,【案例4-3】爱尔兰砌块厂混凝土不凝结分析：骨料中含有混凝土质量0.11%的硫化铅或0.15%的硫化锌。对于水泥的水化而言，他们是相当有效的缓凝剂，因而在养护3天后没有产生任何强度,吸水性和表面潮湿状态,当所有可渗透孔都充满水而表面没有水膜时称为饱和面干状态（SSD）。吸水能力的定义是骨料从烘干到饱和面干状态所需要的水分总量。有效吸水量的定义则是是骨料从气干到饱和面干状态的所需的水量。 骨料吸水能力的测定较为方便，它还可以粗略的作为空隙率和强度的量度。,饱和面干试模和试验,砂子含水的三种状态,人工砂,天然砂,砂子含水率的测定,将砂子烘至绝干，称重m1， 浸水饱和后处理至饱和面干，再称重m2，得到饱和面干的含水率为：将该饱和面干砂样装入改良的李氏比重瓶中测出排水体积v1和保面干密度称取一定量实际含水的砂子，装入上述比重瓶，测出体积v2。V2- v1之差即施工中需调整用水量的值（正则需减水，负则需增水）,我国标准规定以绝干状态作为混凝土配合比设计的基础。这是因为坚固的骨料其饱和面干吸水率不超过2，而且在工程施工中必须经常测定骨料的含水率，以及时调整混凝土组成材料的实际用量比例，从而保证混凝土的质量。日本是以饱和面干状态为混凝土配合比设计的基础。,饱和面干骨料中所含的水不参与水化和混凝土微结构的形成，也不参与混凝土的拌和，是属于骨料本身的一部分，只会在混凝土硬化后自由水减少后才能出来对界面起养护作用。,湿砂的湿胀现象,湿砂会有湿胀现象因为水分产生的表面张力将颗粒推开，这取决于骨料的含水量和粒级。,由于绝大多数骨料是在潮湿状态下被送到拌站的如果依照体积来配料，配合量就会有相当大的波动。因此在验收材料和配制混凝土按应该按照质量进行验收和配料。,骨料的渗透性,由于忽略对界面的研究，造成很多认识上的误区。 例如：骨料与水泥浆体渗透系数的影响： 多数大理岩、暗色岩、闪长岩、玄武岩，以及密实的花岗岩渗透系数在1101012 cm/sec左右，有些品种的花岗岩、石灰岩、砂岩和燧石要大两个数量级。一些岩石孔隙率不到10，而渗透性却比水泥浆大得多的原因，是因为骨料中的毛细孔孔径通常要大得多。多数成熟水泥浆的毛细孔径为10100nm，而骨料的毛细孔平均要大于10m。,摘自P. K. Mehta. Concrete: Structures, Properties and Materials.,骨料的渗透系数与相对应水化水泥浆体的渗透系数,摘自P. K. Mehta. Concrete: Structures, Properties and Materials.,混凝土的渗透性 在理论上，在水泥浆里掺用低渗透性的骨料颗粒会降低体系（尤其是当水泥浆的水灰比大、龄期短，毛细孔孔隙率大）的渗透性，因为骨料颗粒会切断水泥浆基体内的流动通道。与水泥净浆相比，水灰比和成熟度相同的砂浆或混凝土渗透系数应该比较小。但实际上试验数据表明并非如此。水泥浆或砂浆里掺入骨料增大了渗透性。事实上，骨料的粒径越大，渗透系数越大。,摘自P. K. Mehta. Concrete: Structures, Properties and Materials.,强度与弹性模量,一、强 度为了保证混凝土的强度，骨料必须致密并具有足够的强度。 碎石的强度可用抗压强度和压碎指标值表示，卵石的强度只用压碎指标值表示。 岩石立方强度试验，是用母岩制成555 立方体，或直径与高度均为5的圆柱体试样，浸泡水中4，待吸水饱和后进行抗压试验。石子抗压强度与设计要求的混凝土强度等级之比，不应低于1.5的观点已经不再适用。,压碎指标是将一定重量气干状态下10-20的石子装入一定规格的金属圆桶内，在试验机上施加荷载到200，卸荷后称取试样质量（0），再用孔径为2.36的筛子筛除被压碎的细粒，称取试样的筛余量（m1），用下式计算压碎指标：式中a-压碎指标值，%；0-试样质量，g；m1-压碎试验后试样的筛余量，g。压碎指标值越小，骨料的强度越高。,各种岩石抗压强度（美国）,多数岩石的强度在100-300MPa之间，同种岩石的强度相差很大，值得重视。,骨料对混凝土强度的影响,骨料强度对普通强度混凝土的影响很小，因为骨料的强度比混凝土中水泥石基体和界面过渡区的强度要高出数倍。换句话说，破坏是由其他两相决定，绝大多数天然骨料的强度得不到利用。然而，除了强度，骨料的其他特性，如粒径、形状、表面结构、级配和矿物组成都在不同程度上影响着混凝土的强度。,例如，骨料品种不同,亲水性不同,拌和的混凝土强度也不同。为了使水泥浆能很好地包裹骨料表面,除水灰比外骨料还应有良好的亲水性。亲水性能很好的骨料易被浸湿并形成水化物,增强了粘结力,提高了混凝土强度。相反,如果骨料表面憎水不易湿润,将影响生成物与骨料共生条件,粘结力差,混凝土强度会降低。,骨料特性对混凝土的影响常可以追溯到水胶比和对过渡区的变化。 例如：矿物成分一定且级配良好的粗骨料，其最大粒径变化时对混凝土强度带来两种相反的效果。水泥用量和混凝土和易性相同，用较大粒径的骨料比用较小粒径的骨料配制的混凝土所需拌和水量少；相反，粒径大的骨料使界面过渡区有更多的裂缝，以至于更加薄弱。,骨料最大粒径的增大对高强混凝土和中等强度的混凝土28天抗压强度影响更大些。这是因为水胶比比较低时界面过渡区减小的孔隙率开始对界面过渡区强度起重要作用。再者，界面过渡区特性对抗折强度的影响更显著，水胶比一定时，减少粗骨料最大粒径会提高混凝土拉-压比。,用构造粗糙或经破碎的骨料，较之使用矿物成分相似、光滑的骨料或天然风化的骨料配制混凝土，在早期表现出较高一些的强度（特别是抗拉强度）。骨料和水泥 水化产物间具有较高的物理粘结强度是主要原因。在后期，骨料与水泥基体之间的化学反应开始起作用，此时骨料界面结构对强度的作用可能减少。,值得注意的是：在显微镜下观察可以发现表面光滑的风化砾石具有足够的粗糙度和表面积。而且在水泥用量一定的条件下，为了使混凝土拌合物达到要求的工作度，使用粗糙结构骨料需要的拌和用水量更大。因而，对强度进行全面衡量，由骨料和水泥基体之间较好的物理粘结所带来的强度优势也可能丧失。,骨料矿物成分的不同对混凝土强度也有影响。在配合比相同条件下，以钙质骨料替代硅质骨料可以提高强度。例如，用石灰石替代砂岩，可以显著提高混凝土56天强度，这可能是由于石灰石骨料在后期具有更高的表面粘结强度。,二、骨料弹性模量对混凝土弹性模量与界面的影响,骨料的弹性模量相差很大，花岗岩、暗色岩、玄武岩的弹性模量在70-140GPa之间；砂岩、石灰石岩和砾石的弹性模量在21-49GPa之间；轻骨料的弹性模量在14-21GPa之间；水泥基体的弹性模量在7-28GPa之间。粗骨料的弹性模量越高、用量越大，混凝土的弹性模量就越高，这主要体现在高强混凝土中。在中低等强度混凝土中使用高弹性模量石子对界面不利。,对于可能处于干湿交替、冻融循环下的混凝土，粗、细骨料中的含泥量应分别低于0.7%和1%，粗、细骨料中的水溶性氯化物折合氯离子含量均不应超过骨料质量的0.02%。如使用环境的季节或日夜温差剧烈，应选用线性系数较小的粗骨料，以提高混凝土的抗裂。,砂子的坚固性，是指砂在自然风化和其它外界物理化学因素作用下抵抗破裂的能力。通常天然砂以硫酸钠溶液干湿循环5次后的质量损失来表示；人工砂采用压碎指标法进行试验。,处于冻融循环下的重要工程混凝土，宜进行骨料的坚固性试验，坚固性试验的失重率小于5%(细料)和8%(粗骨料)。,根据有关规定，在桥梁上游米以及下游米的水域属于禁止挖砂的区域。如果在桥梁附近进行挖砂，会对桥梁造成一定的危害作用。挖砂将改变河床自然坡度及水流形态，导致河床随水流由高向低处不断下切。河床下切对大桥带来的直接影响是：桥墩基础周围的砂土被淘涮，导致桥基越来越浅，下切的河床与桥墩周边的水泥保护层之间形成空洞，防护层失掉支撑。如果遭遇洪水或其他事故，桥梁的稳固性将大大减弱。,河砂的乱采乱挖与人工砂的利用,2002年6月，从日晚至日中午，西安市持续降雨。日下午时许开始，灞河河水暴涨，陇海铁路线西安市灞桥段铁路桥桥墩被洪水冲击松动。此后，陇海线灞桥铁路桥第号桥墩、第号桥墩、第号、号和号桥墩相继发生塌陷，造成约多米的铁路桥完全垮塌断裂，余乘客滞留西安。桥梁使用时间长、河道挖砂加剧河床下切及洪水水势浩大，是陇海铁路灞河桥被洪水冲垮的重要原因。 按照国家规定，在桥梁等建筑物上下游500米内不得进行挖砂等作业。铁路部门认为，这样的距离，对于一般的小河、小桥，可以保证安全系数。对于灞河这样的大河、大桥，安全系数远远不够。,据记者了解，在垮桥下方有30多个砂站，每个砂站日存砂可达600多立方米，往往一天下来，有超过1万方砂石被挖砂人从距离陇海线不远的灞河铁路大桥屹立的灞河水中掏走。,盲目无度的非法采砂导致河床下陷，使位于晋江上游西溪上的漳（平）泉（州）线跨河铁路桥的桥墩基础严重裸露，直接威胁着铁路桥列车运行的安全,由于优质天然砂资源的枯竭，人工砂开始进入建筑市场，由于砂市行业整体技术水平低，整体上看人工砂质量不好，严重影响混凝土的性能和质量。,高性能混凝土的原材料,高性能混凝土（HPC）需要怎样的骨料,集料对混凝土的性能有重要的影响： 除了作为经济的填充料之外，通常还为混凝土带来了良好的和易性、体积稳定性、耐磨性和耐久性，可以影响混凝土的力学性能和物理性能。,从HPC角度考虑骨料的选择应注意以下几方面：, 具有足够高的强度和硬度。