粗骨料对混凝土性能的影响

粗骨料对混凝土性能的影响郭福安201306225摘要:混凝土是目前最大宗的建筑材料，而粗骨料作为混凝土的重要组成材料之一,其性能将对混凝土性能产生不可忽略的影响。该文通过对国内外相关研究成果的整理、分析,概括总结粗骨料对混凝土性能影响的研究现状,并提出了存在的问题,为进一步改善混凝土性能提供参考和依据并为HPC配合比的优化设计奠定基础。关键词:粗骨料;混凝土;化学成分;形貌;级配;性能影响引言混凝土是目前最大宗的建筑材料［1］，它是一种多相复合材料，其强度取决于水泥石、粗骨料以及粗骨料与水泥石之间的界面强度。粗骨料是混凝土的骨架，据统计，粗骨料可占混凝土体积的50%～70%，它会影响新拌混凝土的流变性以及硬化混凝土的力学性能和耐久性［2］。近年来，由于天然砂资源短缺，人们加强了对细骨料的研究，使机制砂的生产与使用得到迅速发展［3］，但是对于粗骨料仍然没有给予足够的重视。现在随着混凝土工程的超高层化和大型化，高强混凝土的使用越来越广泛，而在高强混凝土中，粗骨料相对来说才是薄弱环节［4－6］，粗骨料本身的特征，如种类、颗粒形状及大小、表面特征和级配，无论是对新拌混凝土还是硬化后混凝土的性能都有着重要的影响。因此，有必要全面深入地探讨粗骨料的物理化学特性对混凝土性能的影响。1粗骨料在混凝土中的作用粗骨料是混凝土的重要组成部分，原来人们认为粗骨料是一种惰性材料，通过水泥浆的粘结作用与水泥砂浆构成混凝土。实际上粗骨料并不是没有活性的，它的物理化学性质都会对混凝土的性能产生影响［7］美国著名混凝土专家Metha曾指出:“将粗骨料作为一种惰性填充材料应画上一个问号”。我们可以将国内外学者对粗骨料在混凝土中所起的作用的研究成果归纳为以下几点。1.1粗骨料的刚性骨架作用在普通混凝土配合比设计中，一般认为粗骨料抗压强度应为混凝土设计强度的2倍左右，不得低于设计强度的1.5倍［8］，粗骨料的强度和弹性模量通常要比水泥石高，其耐久性和体积稳定性也是混凝土各组分中最好的，而且粗骨料体积超过混凝土体积的一半，因此粗骨料在混凝土中起着刚性骨架的作用。在混凝土承受压荷载时，其内部由粗骨料传递应力，当混凝土在外荷载作用下发生破坏时，裂缝很难贯穿粗骨料而是绕过粗骨料在骨料周围出现，这样在一定的条件下，混凝土破坏时可能会吸收更高的能量，从而提高混凝土的强度。粗骨料的这种作用不仅可以提高混凝土的强度，而且还可提高混凝土的弹模，减小荷载作用下的变形，改善混凝土的变形性，使得混凝土比水泥砂浆的体积稳定性和耐久性更好［9］。1.2粗骨料对混凝土裂缝的引发及阻挡作用研究表明，混凝土受压破坏的实质是混凝土内部已有的结构缺陷(尤其是微裂纹)在荷载作用下不断扩展的结果［10］。由此可以看出，粗骨料对混凝土中裂缝的引发作用。混凝土配合比中粗骨料的含量不合理、混凝土施工工艺的局限性以及混凝土的收缩和徐变，会使混凝土内部在承受荷载前就出现了微裂纹、气泡以及粗骨料下的水囊，这些缺陷会使混凝土在未达到其强度前破坏。粗骨料可以限制混凝土的收缩，使其收缩值与水泥砂浆相比小很多，这样就会导致混凝土内部产生内应力，从而引发微裂缝。内应力的大小与分布与混凝土和粗骨料本身的弹模有关，也与粗骨料的粒径有关［11－13］。当混凝土受力后，微裂缝扩展到粗骨料时，很难通过比混凝土基体密实的粗骨料，因此裂缝通常要绕过粗骨料，这样裂缝的扩展过程就可能会吸收更多的能量，这就是粗骨料对裂缝的阻挡作用。1.3粗骨料与水泥砂浆之间的作用混凝土中的粗骨料与水泥砂浆基体之间存在界面过渡区，研究表明，许多情况下基体与粗骨料的结合处是混凝土结构中的薄弱环节，只有粗骨料表面易于和砂浆基体粘结，界面过渡区的强度才可能高。混凝土的许多性能往往与界面过渡区的性能有关，粗骨料混合空隙度的改变会改变混凝土的体积填充率，这样会影响界面过渡区的数量，从而影响混凝土的性能。较好的粗骨料表面构造也提高混凝土的强度和耐久性［14］。2粗骨料对混凝土性能的影响2.1粗骨料种类的影响骨料种类不同，骨料的材质、强度、弹模、化学成分以及吸水率等就可能不同，我们可以从这些方面考虑骨料对混凝土性能的影响。骨料本身的强度、变形性以及吸水率与混凝土的性能息息相关;骨料中的化学成分可能会与水泥胶砂发生反应，对混凝土产生有利或不利的影响。2.1.1粗骨料的强度、弹模对混凝土性能的影响粗骨料对高强混凝土有较大影响，在高强混凝土中，水灰比通常低于0.4［15］，这时由于砂浆以及砂浆与粗骨料界面的强度已经很高，因此制约混凝土强度的是粗骨料本身的强度与其矿物特征［16］。在普通混凝土中，水灰比较高，砂浆的强度及砂浆与粗骨料的界面强度较低，它们是混凝土的薄弱区，制约着混凝土强度，而不是粗骨料。贾艳东［17］用不同方法研究了碎石和卵石混凝土的断裂韧度和断裂能。结果表明，提高粗骨料强度可以有效提高混凝土的断裂能。渡区结构。BasheerL等［33］研究了这方面的问题，表明增大混凝土中粒径20mm的粗骨料的含量，混凝土的坍落度增大，抗压强度降低。戴朝阳等［34］发现混凝土抗压强度随粗骨料最大粒径的增大而增大，当粗骨料最大粒径＞20mm时，抗压强度略有下降，总体来说，骨料粒径对高强混凝土的影响较显著。杨再富［35］通过试验研究得出混凝土中存在粒径效应，这种效应对中高强混凝土的影响较明显。孙永山认为粗骨料最大粒径对普通混凝土和高强混凝土都有较大影响。总之，粗骨料的粒径大小对混凝土的影响很复杂，对于粗骨料的粒径效应有必要进一步研究。骨料的颗粒级配是配制混凝土的关键，骨料颗粒级配不良的混凝土，施工过程中必然是浆、骨、水分离析，浇注成型艰巨，最后导致混凝土成品“蜂窝、狗洞、麻面”，进而降低混凝土强度，影响耐久性。级配良好的粗骨料孔隙率小，堆积密度大，配制的混凝土质量较好［37］。2.4粗骨料用量的影响粗骨料的体积稳定性及强度都要优于砂浆，并且粗骨料的价格比水泥低，因此，适当增加粗骨料用量可以减小混凝土的收缩徐变，提高混凝土的耐久性，同时还可降低混凝土的成本。但是，粗骨料的用量也不能太高，否则混凝土中浆体过少，影响混凝土的和易性及界面粘结强度，降低混凝土的强度及耐久性。因此，混凝土中粗骨料的用量对混凝土性能的影响引起了研究者的极大关注。邢锋等通过对高性能混凝土中粗骨料的数量效应研究，指出混凝土中的粗骨料在一定体积用量范围内，随着粗骨料体积用量的增加，混凝土的强度也随之增加，StockAF等的研究表明，当粗骨料体积用量为30%～40%时，混凝土的性能最差。3结语粗骨料在混凝土中起到骨架及引发并阻止裂缝的作用，它本身的种类、表面状态、最大粒径及级配、用量等都会影响到混凝土的性能。通常来讲，粗骨料是制约高强混凝土强度的因素，对于普通混凝土，单纯提高粗骨料强度并不能提高混凝土强度。骨料的最大粒径不宜太小，那样会影响混凝土的工作性;但也不宜太大，否则会影响混凝土强度。级配良好的粗骨料比表面积小，紧密密度大，孔隙率小，同一水灰比的情况下配制出的混凝土工作性及耐久性好，强度高，而且还可节约水泥用量，有良好的经济效益。粗骨料在混凝土中起着刚性骨架的作用，因此配制混凝土时必须要有一定数量的粗骨料，骨料的用量也不易太高，否则会影响混凝土的工作性及界面性能，进而影响混凝土的强度及耐久性。但是，由于混凝土本身是一种宏观材料，加之粗骨料来源及性能的不确定性，实际研究中针对粗骨料某些性能对混凝土性能的影响并未取得一致结果，例如粗骨料粒径、粗骨料用量的影响，综合国内外的研究过程，几乎全是在大量的试验研究基础上得到定性的结果，而要从科学的角度定量研究粗集料对混凝土性能的影响，除了要进行大量的试验研究，还必须借助数值模拟技术。参考文献:［1］赵宵龙，张仁瑜．建筑节材－建设节约型社会的重头戏［EB/OL］．(2006－02－08)［2］王振双．架构混凝土基础理论研究［D］．大连:大连理工大学，2012．［3］岳海军，李北星，周明凯，等．水泥混凝土用机制砂的级配探讨与试验［J］．混凝土，2012(3):91－94．［4］张立新，吕伟民，陈兵，等．骨料性状对高强混凝土断裂和声发射特性的影响［J］．同济大学学报，2001，29(5):547－550．［5］AitcinPC，MehtaPK．Effectofcoarseaggregatecharacteristicsonmechanicalpropertiesofhigh－strengthconcrete［J］．ACIMaterialsJournal，1990，87(2):103－107．［6］WuKR，ChenB，YaoW，etal．Effectofcoarseaggregatetypeonmechanicalpropertiesofhigh－performanceconcrete［J］．CementandConcreteResearch，2001，31(10):1421－1425．［7］GiaccioG，ZerbinoR．FailureMechanismofConcrete－CombinedEffectsofCoarseAggregatesandStrengthLevel［J］．AdvancedCementBasedMaterials，1998，7(2):41－48．［8］GB/T14685—2010，建设用卵石、碎石［S］．［9］田冬梅．混凝土架构设计理论的研究［D］．大连:大连理工大学，2006．［10］冯乃谦，邢锋．高性能混凝土技术［M］．北京:原子能出版社，2000．［12］吴历斌，颜志勇，江莞．高强高性能混凝土中的集料研究［J］．四川建筑科学研究，2002，28(3):55－58．［13］张立新，陈兵，吕伟民．集料对混凝土断裂性能影响的研究［J］．四川建筑科学研究，2000，26(3):55－57．［14］周梅，朱涵，汪振双．钢纤维增强自燃煤矸石轻集料混凝土试验研究［J］．建筑材料学报，2008，11(6):715－720．［15］ACIcommittee363．State－of－the－artreportonhighstrengthconcrete［A］．Highstrengthconcreteseminarcoursemanual［C］．SCM(87)－ACI，1987．［16］YuanCZ，GuoWJ．Bondbetweenmarbleandcementpaste［J］．CementandConcreteResearch，1987，17:544－552．［17］贾艳东．不同粗骨料及强度等级混凝土的断裂性能及其实验方法研究［D］．大连:大连理工大学，2003．［18］BaalbakiW，BenmokraneBC，AitcinPC．Influenceofcoarseaggregateonelasticpropertiesofhighperformanceconcrete［J］．ACIMaterialsJournal，1991，88(5):499－503．［19］Turandzturan，Cengizhan，Ceqen．Effectofcoarseaggregatetypeonmechanicalpropertiesofconcreteswithdifferentstrengths［J］．CementandConcreteResearch，1997，27(2):165－170．［21］BeshrH，AlmusallamAA，MaslehuddinM．Effectofcoarseaggregatequalityonthemechanicalpropertiesofhighstrengthconcrete［J］．ConstructionandBuildingMaterials，2003，17:97－103．［22］GiaccioG，RoccoC，VioliniD，etal．HSCincorporatingdifferentcoarseaggregates［J］．ACIMaterialsJournal，1992，89(3):242－246．［23］杨再富．粗骨料对混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