粗骨料级配对普通和高强度等级机制砂混凝土性能的影响

 

摘要：粗骨料对混凝土的工作性能、力学性能和耐久性具有很大影响，选择粗骨料级配非常重要。本文将三种粒度粗骨料按不同比例进行混合，研究了粗骨料级配对普通和高强度等级机制砂混凝土的性能影响。结果表明：三级配粗骨料制备的普通强度等级混凝土的强度最高；对高强度等级混凝土而言，两级配粗骨料制备的混凝土强度最高。粗骨料比表面积对普通强度等级混凝土性能影响较大，而粗骨料堆积空隙率对高强度等级混凝土性能影响较大。

0 引言

　　混凝土是一种非均质体材料，可认为由骨料、水泥浆体、孔隙和界面过度区构成。骨料体积分数约为60~75%，其中粗骨料约占40%左右，因此，粗骨料性质对混凝土的工作性能、力学性能及耐久性具有重大影响。对普通混凝土而言，界面过渡区是最薄弱的区域，因此，水灰比是决定其强度等性能的关键因素，骨料对混凝土性能的影响较小。由于高强度等级混凝土的水灰比很低，水泥浆体和界面过渡区力学性能得到了显著改善，骨料性质对混凝土性能的影响较大。本文研究了骨料级配对普通和高强度等级混凝土工作性能、力学及耐久性能的影响，并探讨了其作用机理。

1 试验原料与方法

1.1 原材料

水泥：海螺牌PⅡ 42.5硅酸盐水泥。

粉煤灰：二级低钙粉煤灰，45μm 筛余25.8%，烧失量6.7%。

集料：选用级配良好的石灰石质机制砂（最大粒径5mm，细度模数1.95），石子选用3~8mm、8~15mm 及15~25mm 三种石灰石质碎石。骨料级配见表1 所示。

减水剂：江苏博特PCA（Ⅰ）型聚羧酸高效减水剂，减水率30%。

1.2 试验方法

　　采用立升重方法测定了各级配下粗骨料的堆积空隙率，并采用文献[6]的方法测试了粗骨料的表面积。

试验制备了C30、C60 强度等级的混凝土，配合比见表1。

　　按照ASTMC305 方法，先将胶凝材料、机制砂、粗骨料搅拌均匀，再加入减水剂和水拌合均匀。参照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测定混凝土的坍落度；采用GMT筛析稳定性试验表征了自密实混凝土的抗离析性能，采用3个等尺寸的小圆柱，每个圆柱体高200mm，直径100mm，竖向重叠放置构成一个大圆柱体。在无振捣情况下灌入混凝土拌合物浆体，静放20min后，将大圆柱拆分成上、中、下3 个小圆柱，分别取出大圆柱上部和下部混凝土浆体并通过4号筛筛洗，将余留筛上的粗骨料干燥、称重，计算出该混凝土拌合物的离析程度：

式中：S为离析程度（%）；Md 为圆柱体上部筛余骨料称重；Mu 为圆柱体下部筛余骨料称重。

　　将新拌混凝土成型为150×150×150mm 的立方体试块，在20±1℃水中养护一定龄期后，按照GB/T50107-2010测定混凝土各龄期的抗压强度。试样养护28d后，钻取Φ50×40mm的圆柱体，测定其真空吸水率（GB/T 50082-2009）。采用GB/T 50082-2009 规定的方法测定混凝土的氯离子扩散系数。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土工作性能

　　表2表明，粗骨料级配对不同强度等级混凝土工作性能的影响规律不尽相同。由三级配粗骨料制备的C30混凝土（C30-4）的坍落度最大，其抗离析性能也较好。相比之下，三级配粗骨料制备的C60混凝土坍落度最小，而C60-2混凝土（3~8mm骨料占20%，15~25mm骨料占80%）的坍落度最大，C60混凝土的抗离析性能均好于C30混凝土。

2.2 力学性能

　　虽然混凝土的配合比完全相同，由于粗骨料级配不同，混凝土各龄期强度存在一定差异。就C30混凝土而言，采用小粒径骨料制备的C30-1混凝土的各龄期强度均较低，其7d、28d、90d 抗压强度分别为23.9MPa、31.5MPa 和37.3MPa。相比之下，C30-2 和C30-3混凝土的各龄期强度有一定程度的增加。虽然C30-4混凝土的7d强度较低（仅为23.5MPa），但其28d和90d 强度高达36.9MPa 和42.1MPa，较C30-1分别提高了17%和13%，说明三级配粗骨料配制的混凝土具有较高的后期强度。

　　粗骨料级配对C60混凝土早期强度的影响与其对C30混凝土强度影响规律一致，即大粒径粗骨料所占比例较高时，混凝土的早期强度较高。采用三级配粗骨料制备的C60-4 混凝土各龄期强度较低，而采用3~8mm 和15~25mm 配制的C60-2混凝土的7d、28d 和90d强度最高，分别为46.6MPa、67.9MPa 和70.4MPa，说明高强度等级混凝土的最佳粗骨料级配与普通强度等级混凝土的最佳粗骨料级配不同，合理的粗骨料级配可在一定程度上提高混凝土的强度。

2.2 耐久性能

　　混凝土的耐久性与其连通空隙含量密切相关，本文测定了养护28d后C30和C60混凝土的真空吸水率和氯离子扩散系数，以表征混凝土的耐久性，其结果如表3所示。小粒径粗骨料含量较高的混凝土（例如：C30-1和C60-1）真空吸水率和氯离子扩散系数较大，其他混凝土的真空吸水率和氯离子扩散系数没有显著差别。与C30混凝土相比，C60混凝土的真空吸水率和氯离子扩散系数均较低，说明高强度等级混凝土结构较为密实，耐久性指标也较高。

3 讨论

　　粗骨料对混凝土性能的影响主要分为两方面：①粗骨料的堆积状态（堆积密度等），主要影响骨料在混凝土分布的均匀性、新拌混凝土的稳定性及混凝土的力学性能。在一定条件下，可以简单认为粗骨料的初始堆积密度越高，混凝土的各龄期强度越高。②相同骨料体积下，粗骨料级配决定了其比表面积，进而决定了界面过渡区的数量，而界面过渡区对混凝土的强度和耐久性具有显著影响。

　　为阐明粗骨料级配对混凝土性能的影响机理，测定各级配下，粗骨料的堆积空隙率和比表面积，探讨了两者与混凝土强度间的关系。表3表明，C30-1和C60-1采用粒径较小的两级粗骨料，其堆积空隙率较高，粗骨料比表面积较大；C30-3和C60-3采用较粗的两级粗骨料，其堆积空隙率也较高，但其比表面积较小；C30-2和C60-2采用最小和最大的两级粗骨料，其堆积空隙率较低，比表面积较小；而C30-4和C60-4采用三级粗骨料，其堆积空隙率也较低，但其比表面积较大。

　　当粗骨料比表面积相差不大时（C30-2与C30-3），粗骨料堆积空隙率越小，混凝土早期和后期强度越高。例如，C60-2混凝土粗骨料堆积空隙率最低，其早期和后期强度影均较高，但粗骨料堆积空隙率对C30混凝土强度的较小。当粗骨料堆积空隙率相差不大时（C60-2 与C60-4），粗骨料比表面积对C60混凝土强度影响不显著，而当粗骨料堆积空隙率较低，且粗骨料比表面积较小时（例如C30-4），混凝土的后期强度才较高。

　　综上所述，粗骨料级配对不同强度等级混凝土的影响机制不尽相同。对普通强度等级混凝土（C30）而言，粗骨料堆积空隙率和比表面积均对混凝土的强度有影响，但比表面积影响更大一些，特别是对混凝土的早期强度。其原因在于：普通强度等级混凝土最薄弱环节是其界面过渡区，粗骨料比表面积直接决定了界面过渡区的数量，从而影响混凝土的强度。由于高强度等级混凝土的胶凝材料用量较大且水胶比较低，水泥浆体和界面过渡区的性质得到了显著改善，导致粗骨料比表面积对高强度等级混凝土性能影响较小。此时混凝土的强度（特别是后期强度）等性能主要受粗骨料堆积空隙率的影响。因此，在配制不同强度等级混凝土时应选择合适的粗骨料级配。

4 结论

①粗骨料级配对不同强度等级混凝土性能的影响机制不同。粗骨料比表面积对普通强度等级混凝土性能影响较大，而粗骨料堆积空隙率对高强度等级混凝土性能影响较大。

②配制普通强度等级混凝土时，适宜采用三级配的粗骨料（连续），而两级配粗骨料（非连续）制备的高强度等级混凝土性能最佳。