粗骨料对混凝土性能影响的研究现状.pdf

王新杰等： 粗骨料对混凝土性能影响的研究现状 3 1 D OI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 0 1 0 1 1 粗骨料对混凝土性能影 响的研 究现状 王新杰， 徐巍 ， 封金财 ( 常州大学土木工程系 江苏常州2 1 3 1 6 4) 【 摘要】 基于国内外学者的研究成果， 归纳和总结了粗骨料的化学成分、 强度、 吸水率、 颗粒形状和表面特 征、 最大粒径和颗粒级配、 用量对混凝土性能影响的基本规律， 为提高混凝土的性能提供了参考依据。 【 关键词】 混凝土性能 ； 粗骨料； 化学成分； 形貌； 级配 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 4 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 3 1 0 3 混凝土是将砂 、 石、 胶凝材料和水按一定比例混合在一 起而形成的一种多相复合材料， 作为建筑材料中用量最多 的原料， 其国内每年消耗量约达 1 31 41 0 8 m 。虽然在 混凝土中骨料的总体积含量达 7 0 以上， 但大部分学者的 研究重点主要集中在外加剂、 矿物掺合料以及配合 比等对 混凝土性能的影响， 而把骨料仅当作一种惰性填充料， 忽略 了其对混凝土性能的影响。我国幅员辽阔， 粗骨料的种类 繁多， 其化学成分和力学性能等均存在着较大差异 ， 因此由 不同骨料制备的混凝土性能差别也较大， 特别是在进行高 强高性能混凝土设计时， 粗骨料 的性能成为主要考虑因素 之一L 2 】 。文中将通过对国内外学者的研究成果进行整理、 分析， 探讨粗骨料对混凝土性能影响的基本规律与存在的 一 些 问题 。 1 粗骨料对混凝土性能的影响 粗骨料作为混凝土中含量最多的组分， 其在混凝土内 起着刚性骨架的作用。通常混凝土承受压力荷载时， 主要 是通过内部粗骨料问进行力传递， 当发生破坏时主要变现 为砂浆与粗骨料胶结面处先出现微裂缝， 之后裂缝随着荷 载增加而逐渐变大， 最后混凝土发生破坏， 可见采用优质的 粗骨料对提升混凝土的性能意义重大。 1 1 粗骨料化学成分对混凝土性能的影响 国内外的学者一直认为粗骨料是一种惰性填充材料， 实际上粗骨料并不是没有活性 ， 粗骨料的种类不同， 其所含 的化学成分也不相同， 当与水泥等矿物掺合料接触后会发 生化学反应， 这对混凝土性能都将产生较大的影响 。杨 桂权 通过“ 砂浆棒快速法” 发现碱性骨料中某些成分能与 水泥发生化学反应， 使砂浆的体积发生膨胀 ， 7 d时的膨胀率 达到 0 2 8 ， 1 4 d时甚至能达到 0 3 5 ， 远超过规范中 1 4 d 时小于 0 2 的要求。T u r a n d z t u r a n 通过试验发现粗骨料 为石灰岩时， 混凝土2 8 d时的抗压抗拉强度比由玄武岩或砾 石所制成的混凝土高 1 0 一 2 0 左右 ， 这是因为在石灰岩 表面含有能与水泥发生化学反应， 其生成物水化碳铝酸钙 等物质能使骨料与砂浆界面胶结强度提高。P C A i t c i n 等研究发现花岗岩与硅质砾石、 辉绿岩碎石和石灰岩碎石 的强度相差不大， 但由于花岗岩内含有浊沸石， 致使由其配 制的混凝土在2 8 d和5 6 d的抗压强度只有其它碎石作粗骨 料配制混凝土抗压强度的 8 4 。可见粗骨料本身的化学成 分对混凝土的性能有较大影响， 骨料中碱性成分可以使混 凝土的强度减小， 而另外一些化学成分可以使混凝土的强 度增加。因此， 在选择骨料时要尽量避免选用碱性骨料， 如 果不能避免也要采取措施， 减小骨料中的碱性成分对混凝 土强度的影响 。 1 2 粗骨料的强度对混凝土强度的影响 粗骨料自身的强度对混凝土的力学性能影响较大 ， 尤 其是对于水灰比低于 0 4的高强混凝土， 制约其抗压强度大 小的已不是由硬化后水泥砂浆和骨料间的界面胶结强度 ， 而是骨料 自身的强度。吴科如等 通过试验研究石英岩、 花岗岩、 石灰石 、 大理石四种不同强度粗骨料对水灰 比为 0 2 6 、 0 4 4 、 0 5 5混凝土强度的影响， 结果发现对于水灰 比 为0 5 5的普通混凝土， 骨料种类对混凝土的抗压强度影响 较小， 但对于水灰比为 0 2 6和 0 4 4的高强混凝土 ， 其抗压 强度随粗骨料强度的提高而逐渐变大， 在 HB e s h r 以水 灰比为 0 3 5 、 粗骨料分别为钙质石灰岩、 白云灰岩、 石英岩 和钢渣所制成的混凝土性能研究中也得到了相同的结论。 由国内外学者 的研究 成果 可知 ， 粗 骨料强 度对 混 凝土 抗压强度的影响程度随着水灰比的减小而逐渐增大。这是 因为在未受荷时， 普通混凝土由于水灰 比较大 ， 水泥砂浆和 骨料问的界面过渡区强度较低， 存在的初始微裂缝较多， 在 荷载作用下， 这些微裂缝逐渐扩展直至粗骨料和砂浆沿着 界面过渡区的裂缝相互联通发生破坏。而对于高强度混凝 土， 由于水胶 比较小， 水泥砂浆和骨料之间的界面过渡区微 裂缝相对较少 ， 荷载主要由粗骨料相互传递 ， 混凝土内部微 裂缝部分虽能沿着界面过渡区发展但不能相互连通。因此 骨料强度对普通混凝土的影响较小， 而对于高强混凝土 ， 其 强度随着粗骨料强度的增大而逐渐增大。 1 3 粗骨料吸水率对混凝土性能的影响 不同种类的粗骨料， 其吸水率也会有一定程度的差别， 骨料吸水率对新拌混凝土的流动性和硬化后的力学性能都 有着很大的影响。陈习云 通过试验发现， 级配基本相同 的碎石， 吸水率在 1 9 之内时， 对混凝土流动性和强度影 响较小， 当碎石吸水率3 0时， 混凝土初期坍落度明显减 小。A i t e n I 和 Wa s s e r m a n R _ l 等人的试验结果表明， 吸水 率大的骨料 ， 可以提高混凝土的强度， 其他学者的研究成果 也证实了混凝土的强度随着骨料吸水率的增加而逐渐增 3 2 低温建筑技术 2 0 1 5年第 1期 ( 总第 1 9 9期 ) 大。这一方面是由于在水灰 比不变的情况下， 粗骨料吸水 率的增加， 相当于减小了骨料周围的水灰比， 增加了骨料和 砂浆之间的粘结性能， 提高混凝土的强度等级； 另一方面， 由于骨料吸收的水不会扩散到混凝土表面， 这些水在后期 可以对混凝土 内部起到养护作用 ， 进而能提高混凝土的 强度 。 1 4 粗骨料颗粒形状对混凝土性能的影响 粗骨料的颗粒形状作为骨料一个重要物理性能， 对混 凝土的性能影响也较为突出。由于针片状碎石在混凝土内 是滑动移动的， 摩擦阻力大 ， 致使混凝土的坍落度和扩展度 都变小， 影响混凝土的可泵性和施工。陈习云 等人的研 究结果表明， 新拌混凝土的坍落度随碎石中针片状含量的 增加而变小， 继而导致混凝土的和易性变差， 一般可以认为 碎石针片状含量控制在 8 以内， 对混凝土和易性和强度 的影响都不是太大， 所以在实际施工中， 为了增强混凝土的 流动性必须尽量控制针片状碎石的含量。 粗骨料按照形状可分为圆形、 不规则形和有棱角形， 有 研究指出混凝土粗骨料骨料形状为接近球形或较规则的多 面体时其强度最高 l 。但邢心魁 等人利用 P F C 2 D模拟 总结分析得出非圆形粗骨料与砂浆基质的接触面积较圆形 骨料大， 其混凝土破坏所需 的应变能、 边界能和摩擦能更 大， 混凝土的强度进而得 以提高。于本田 等通过灰色关 联分析方法发现混凝土的抗氯离子渗透性与粗骨料的针片 状颗粒含量关联度最大， 通过降低针片状颗粒含量 ， 提高破 碎面所占比例可使混凝土获得较高的抗压强度和抗氯离子 渗透性。可见， 混凝土中针片状粗骨料的含量较多时会降 低其强度和耐久性， 但关于哪种骨料形状混凝土的强度最 高， 现有的研究成果中还有矛盾之处， 有待进一步研究。 1 5 粗骨料表面特征对混凝土性能的影响 粗骨料按照表面粗糙程度不同可分为碎石和卵石， 碎 石因为表面比卵石粗糙， 所以它与砂浆的界面粘结力更强， 由表面粗糙度大的碎石所制成的混凝土强度将更高。何宇 航 等人的超声 一回弹综合法试验发现泵送碎石混凝土的 强度大于卵石混凝土的强度。陈习云 和 G A p p a R a o l 等人 的研究结果 也表 明粗 骨 料表 面越光 洁 ， 颗 粒形 状越 圆 滑， 混凝土的流动性越好， 但抗压强度降低。这是因为碎卵 石表面光滑， 与混凝土界面粘结力小， 而碎石表面粗糙， 有 棱角， 可以与水泥浆体更好的粘结， 提高了骨料与水泥浆体 之问的粘结强度， 有利于增强混凝土的整体抗压强度。 1 6 粗骨料最大粒径和级配对混凝土性能的影响 骨料的粒径大小对混凝土的工作性能和经济效益都有 一 定的影响， 当骨料体积一定粒径较大时， 因骨料总比表面 积减小 ， 覆盖骨料表面所需的水泥砂浆也将会变少， 能节约 生 产混 凝 土 的成 本 。吴 历 斌 通 过对 骨 料 最 大 粒 径 为 3 1 5 、 2 5 、 2 0 、 1 6 ram的混凝土性能进行对 比研究， 发现在砂 率和水泥用量一定时， 最大粒径为 2 0 m m的高强混凝土在 7 d和 2 8 d时抗压强度最大。戴朝阳 等人通过试验研究 发现， 无论是高强混凝土还是普通混凝土， 其抗压强度都随 粗 骨料粒径 的增 大 而 变 大 ， 当粗 集 料最 大粒 径 超 过 2 0 mm 后， 抗压强度略有下降。同样， 在混凝土抗拉强度方面也有 相同的结论。李树山 等人的研究指出， 粗骨料粒径越大， 致使包裹骨料的水泥砂浆用量越小， 骨料 间起润滑流动作 用的砂浆变多， 从而导致新拌混凝土的坍落度变大。总之， 混凝土的抗压和抗拉强度都是随骨料粒径的大小先升后 降， 在最大粒径为2 0 m m时取得最优值 ， 而混凝土的流动性 一 直都是随粗骨料粒径的增大而逐渐变大。因此， 从混凝 土性能角度出发 ， 骨料粒径不宜过大， 因为骨料粒径的增大 会削弱粗骨料与水泥浆体的黏结， 同时混凝土内部存在缺 陷的概率也会变大。 粗骨料的级配作为另一个重要性能指标 ， 对混凝土的 和易性、 强度、 弹性模量都有一定的影响。研究资料表 明， 集料级配对混凝土性能， 尤其是高强高性能混凝土的性能 的影响是非常显著的。在其他条件相同的情况下， 级配 良 好的集料具有较大的堆积密度， 由其所制备的混凝土抗压 强度和抗拉强度都会随之变高 0 。但在连续级配和间断 级配的选择上还有一定的分歧 ， 莫林辉 认为连续级配对 改善混凝土的性能更为有益， 而孙凤阁 在其试验中认为 间断级配更好。所以， 在实际工程中， 要尽量选用级配较好 的骨料， 但具体是采用连续级 配还是间断级配， 应根据实验 室试 配的结果进行选用 。 1 7粗骨料用量对 混凝 土性 能的影响 粗骨料与水泥相比， 性能稳定 ， 价格便宜， 所 以从经济 角度考虑应该尽可能多的使用粗骨料 ， 但是对于混凝土性 能而言粗骨料存在着一个最佳掺量。已有研究表明粗骨料 对水泥浆体的徐变起着一个约束作用 ， 当普通混凝土骨料 含量在 5 0 一8 0 ( 以体积计) 时， 混凝土的徐变随骨料的 增加而减小 J 。谢丽通过试验研究发现， 混凝土的收缩随 着粗骨料含量的增加而逐渐减小。 2 刘吴在对 自密实混凝 土的粗骨料与砂浆体积比( ) 进行研究后指出 自密实 混凝土的抗压强度与劈拉强度均随 的增加而降低 ， 且混凝土的劈拉强度受 v , 的影响更为显著 J 。Mo - h a m m e d S e d d i k Me d d a h等人的研究结果表明增大骨料含量 能提高混凝土的抗压强度， 但当骨料含量增加到某一数值 后 ， 混凝土的强度开始降低 J 。从上述研究成果可知。 随着 粗骨料用量的增加， 混凝土的抗压强度逐渐增大， 但其存在 着一个最佳掺量 ， 与普通混凝土不同的是 自密实混凝土的 抗压强度和劈裂抗拉强度会随着骨料含量的增加而逐渐减 小， 可见在种类不同的混凝土中粗骨料的用量要求也会 不同。 2结语 为改善混凝土的性能， 提高混凝土的强度应尽量避免 选用含碱性和针片状含量高的骨料， 粗骨料最大粒径的提 高能增大混凝土的流动性且在 2 0 ra m左右时是提高其强度 的最优选择， 粗骨料强度的提高对高性能混凝土的作用效 果更明显 ， 适当选择吸水率大的骨料能改善混凝土的内部 结构 ， 碎石比卵石对提高混凝土的强度更有利， 在一定范围 内提高粗骨料的用量能降低混凝土的徐变和收缩。 由于试验材料和试验方法不同以及试验条件有限， 粗 王新杰等 ： 粗骨料对混凝 土性能影响的研究现状 3 3 骨料对混凝土性能的影响研究还不够完善， 已有的成果中 也还有未达成一致的部分， 如粗骨料的弹性模量对混凝土 性能的影响研究还较少 ， 对提高混凝土的强度该选择何种 形状何种级配的粗骨料也还没达成一致共识， 在今后的研 究中这些都有待进一步探讨。 参考文献 1 胡波， 柳炳康， 王成刚 再生混凝土基本力学性能研究 J 合 肥工业大学学报 ， 2 0 1 4 ， ( 1 ) ： 8 7 9 0 2 杨文科 混凝土重要的原材料 一粗骨料 J 商品混凝土， 2 0 1 2 ， ( 8 ) ： 6 8 7 0 ， 4 0 3 吴忠伟， 廉慧珍高性能混凝土 M 北京： 中国铁道出版社。 1 9 9 9 4 G i a ec i o G ， e t a1 H i s h s t r e n g t h c o n c re t e s i n c o r p o r a t i n g d i ff e r e n t C O a l e a g g r e g a t e s J A C I M a t e ri a l s J o u rn al， 1 9 9 2 ， 8 9 ( 3 ) ： 2 4 2 2 4 6 5 G i a c c i o G，Z e r b i n o I L F a i l u r e M e c h a n i s m o f C o n c r e t eC o m b i n e d E ff e c t s o f C o a r s e A g g r e g a t e s and S t r e n gt h L e v e l J A d ， r ant e d C e m e n t B a s e d M a t e r i a l s ， 1 9 9 8， 7( 2 )： 4 1 4 8 6 杨桂权， 王怀义 粉煤灰在抑制集料碱活性方面的试验研究 及应用 J 粉煤灰， 2 0 1 2 ( 6 ) ： 9 ， 1 4 7 T u r a n d z t u r a n ， C e n g i z h a n C e q e n E ff e c t o f c o a r s e a g g r e g a t e t y p e o n m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c re t e w i t h d i ff e r e n t s t r e n gt h s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ，1 9 9 7， 2 7 ( 2 ) ： 1 6 51 7 0 8 P t C A i t c i n ， K M e h t a E ff ect o f c o a r $ e a g g r e g a t e c h a r a c - t e fi s fi e s o n m ec h ani c a l p r o p e r t i e s o f h i g h s t r e n gt h c o n c r e t e J AC I Ma t e ri a l s J o u ma l 。1 9 9 0 ， 8 7 ( 2) ： 1 0 31 0 7 9 K e R u Wu ， B i n g C h e n ， W uY a o ， D o n g Z h a n g E ff e c t of c 0 a r B e a g g r e g a t e t y pe o n me c h a n i c a l p rop e r t i e s o f h i g h - p e rf o r ma n c e c o n - c r e t e J C e m e n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 1 0 ) ： 1 4 2 1 1 4 2 5 1 0 H B e s h r ， 丸A A l m u s a l l a m， M M a s l e h u d d i n E ff e c t ofe o s r s e a g g r e g a t e q u ali o n t h e mech a n i c a l p r o p e r t i e s o f h i g h s t r e n gth c o n c r e t e J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri al s ，2 0 o 3 ，1 7 ( 2) ： 9 71 0 3 1 1 陈习云， 胡习范， 胡习锋 ， 等 粗骨料对混凝土性能的影响 J 商品混凝土， 2 0 1 0 ， ( 5 ) ： 3 9 4 3 1 2 A i i n PC， M e h ta P K E ff e c t ofc o a a g g r e g a t e c h a r a c t e ri s t i c s o n m ech a n i c a l p ro p e r t i e s o f h i g h -s t r e n gt h c o n c r e t e J A C I M a t e ri a l s J o u r n al， 1 9 9 0 。 8 7( 2 ) ： 1 0 3一l o 7 1 3 Wa s s e r m a n R ， B e n t u r A I n t e r a c ti o n s i n l i g h t w e i g h t a g g r e g a te c o n c r e t e s a n d t h e i r i n f l u e n c e o n t h e c o n c r e t e s tr e n gt h J c e m e n t C o n c ret e C o m p o s i t e s ， 1 9 9 6， 1 8 ( 1 ) ： 6 77 6 1 4 王立久， 刘莎， 董晶亮 粗骨料对混凝土性能的影响 J 建 材技术与应用 ， 2 0 1 2， ( 1 O ) ： 91 3 1 5 邢心魁， 刘晶， 孙冠晓， 等 粗骨料形状对混凝土力学性质的 影响 J 混凝土， 2 0 1 4 ， ( 2 ) ： 6 1 - 6 3 1 6 于本田。 王起才， 周立霞， 张粉芹 矿物掺合料与水胶比对混 凝土耐久性的影响研究 J 硅酸盐通报， 2 0 1 2 ， ( 2 ) ： 3 9 1 3 9 5 f l 7 1 8 1 9 2 O 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 何宇航， 高振兰 混凝土粗骨料对混凝土强度的影响 J 低 温建 筑技术 ， 2 0 1 4。 ( 1 ) ： 2 O一 2 2 GAp p a Ra oB k Ra g h u P r a s a d I n f l u e n c e o f t h e reU Is h n e s s o f a g g r e g a t e s u rf a c e o n t h e i n t e rf a c e b o n d s t r e n gt h J C e m e n t a n d C o n c r e t e R ese a r c h ，2 0 0 2， 3 2 ( 2 ) ： 2 5 32 5 7 吴历斌 集料对高性能混凝土力学性能的影响研究 D 上 海： 同济大学， 2 0 o 1 戴朝 阳， 陆洪 建 ， 陈兵 集料 与混 凝 土力 学性 能 关 系研 究 J 江西建材， 2 0 0 0 ， ( 1 ) ： 1 3 1 7 李树山， 高丹盈 粗骨料粒径对卵石混凝土抗压强度影响的 试验研究 J 混凝土， 2 0 1 3 。 ( 2 ) ： 5 9 6 4 成振林， 王小东 粗骨料对混凝土性能的影响 j 混凝土与 水泥制品，2 0 1 2， ( 6 ) ： 2 2 2 4 刘代， 董长振 粗集料的技术指标对水泥混凝土性能的影响 J 山西建筑， 2 0 1 2 ， 3 8 ( 6 ) ： 1 2 4 1 2 5 莫林辉 浅 析粗集 料粒径级 配对水泥混凝 土抗弯拉 强度 的 影响 J 湖南交通科技， 2 0 0 1 ， 2 7 ( 4 ) ： 1 4 1 6 孙风阁施工中如何处理混凝土粗骨料的级配问题 J 东 北水利水电， 1 9 8 9 ， ( 5 ) ： 4 _ 4 4 6 王新杰， 吴胜兴 影响混凝土徐变因素的分析 J 江西科 学 ， 2 0 0 7 ， 2 5 ( 5 ) ： 6 1 6 6 1 9 谢丽 混凝土早期自收缩的影响因素及预测模型研究 D 南京 ： 河海大学 ， 2 0 0 7 刘吴 粗骨料对 自 密实混凝土性能影响的试验研究 J 商 品混凝土 ， 2 0 0 8 ， ( 1 ) ： 1 51 8 Mo h a mme d S e d d i k Me d d a h，S ali m Z i t o u n i ，e t a1Eff ect o f C O il t e n t an d p a r ti c l e s i z e d i s t r i b u t i o n o f c o a l e a g g r e g a t e o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n gt h o f c o n c r e t e J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i al s ， 2 0 1 0， 2 4 ( 4 )： 5 0 5 5 1 2 【 收稿日期】 2 0 1 4 一l 1 0 3 作者简介 王新杰( 1 9 7 8 一) ， 男， 安徽省濉溪人， 博士， 讲师， 研究方 向： 混凝土结构 的基本性能和耐久性。