不同粗细骨料组合下的混凝土性能研究.pdf

2 0 1 0 年 第 3期 (总 第 2 4 5 期 ) N u mb e r 3 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 3 0 1 9 不同粗细骨料组合下的混凝土性能研究 李文伟 ，郑丹 1 ,2 ，陈文耀 ( 1 中国长江三蛱集团公司，湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2 ；2 重庆交通大学 河海学院，重庆 4 0 0 0 7 4 ) 摘要： 选取了 l O 种不同性质的粗细骨料组合， 在相同的配合比条件下进行了混凝土强度、 变形及热学性能试验 ， 并对试验结果进行了 比较分析。 研究结果表明， 不同骨料组合下混凝土的性能有一定差异， 这种差异既和骨料的特性有关， 也和骨料与砂浆间的界面特性有关。 混凝土的弹性模量、 线膨胀系数和导温系数主要决定于粗骨料的性质， 而粗、 细骨料的强度对混凝土强度影响不大。 关键词： 混凝土；粗骨料；细骨料；强度；弹性性能 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标 志码 ： A 文章编 号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 6 3 0 4 Res e a r c h on t he c onc r e t e pr op er t i e s wi t h diffe r en t c o ar s e and f i n e a ggr e ga t e s LfW e n - wc i , ZHENG Da n CHE N We n- y a o ( 1 C h i n a T h r e e Go r g e s P r o j e c t C o r p o r a t i o n ， Yi c h a n g 4 3 3 0 0 2 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f R i v e r a n d Oc e an E n g ine e r i n g ， C h o n g q i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 7 4 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： E x p e r i me n t s o f c o n c r e t e wi t h 1 0 d i ffe r e n t c o a r s e a n d fi n e a g g r e g a t e s a r e ma d e i n t h i s p a p e r Co n c r e t e s t r e n g t h， d e f o r ma t i o n a n d t h e r - ma l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e a r e me a s u r e d a t t h e s a me mi x pr o p o rti o nEx p e rime nt a l r e s u l t s are a n a l y z e d bo t h wi t l l me c h an i c a l an d s t a t i s t i c a l wa y I t i s s h o wn that c o n c r e t e p r o p e r t i e s i s i nfl u e n c e d b y pr o p e rti e s o fc o a r s e an d f i ne a g g r e g a t e s ， a l s o t h e i n t e r f a c e b e t we e n a g g r e g a t e s and c e me n t p a s t - c d T h e e l a s t i c mo d u l u s ， l i n e ar e x p a n s i o n c o e f fi c i e n t and the r ma l d i f f u s i v i ty o fc o n c r e t e ma inl y d e p e n d s o n c o a r s e a g g r e g a t e ， h o we v e r ， a g g r e g a t e s t r en g t h h a s a l mo s t n o i n fl u e n c e t o n o rm a l c o n c r e t e s t r en g t h Ke yw o r ds ： c o nc r e t e； c o ars e a g g r e g a t e； fi ne a g g r e g a t e ； s t r e n g t h； e l ast i cp r o p e r t i e s 0 引言 混凝土中骨料约占总体积的6 0 8 0 ， 因此其粒径、 形状、 表面结构、 级配和矿物成分等， 都在不同程度上会影响界面过 渡区的特性， 进而对混凝土的特性产生一定影响。杨再富 等通过试验研究了碎石、 钢、 砂浆、 页岩陶粒和加气混凝土粗骨 料对不同强度基体的混凝土抗压、 抗折强度的影响， 研究表明 粗骨料强度对混凝土强度有一定的影响。A l e x a n d e r (s 进行了不 同骨料混凝土的干缩、 徐变试验研究， 认为骨料对混凝土拌合 物的用水量、 弹性模量以及界面过渡区都有影响， 从而导致混 凝土的变形性能的不同。 但从 已有研究成果看 ， 国内外对于不 同粗 、 细骨料组合 情况下， 骨料对混凝土特性影响研究较少。本文通过试验和 理论分析， 讨论了不同粗细骨料混凝土强度 、 变形和热学性 能的变化规律， 可为大体积混凝土的原材料选择和配合比设 计提供参考。 1 试验设计与结果 选取了 6 种不同的骨料 ， 成型混凝土进行了不同粗细骨料 组合下混凝土的特性试验研究 ， 其中骨料( 母岩) 的性质如表 1 所示 。 试验中选用了 1 0 种不同的粗、 细骨料组合， 采用 2种水胶 比( 0 4 O和 0 5 0 ) ， 粉煤灰掺量为 3 0 ， 减水剂( J M n c) 掺量为 0 6 ， 分别进行混凝土力学性能、 变形性能和热学性能试验。在 试验中控制拌合物坍落度 3 5 c m， 含气量( 5 0 0 5 ) ， 试验结 果分别如表 2 5和图 1 8 所示。 表 1 母岩基本力学、 热学性质 收稿 日期 ：2 0 0 9 一 l l - 2 4 基金项目：中国博士后科学基金资助项目( 2 0 0 8 0 4 4 0 9 7 9 ) 6 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 强度 试验 结果 表 2 混凝土强度试验结果( 0 4 O水胶比 ) 注： 混合玄武岩微晶玄武岩：杏仁玄武岩 = 5 0 ： 5 0 。 表 3 混凝 土强度试验结果( 水胶 比 O 5 O) 微晶微晶微晶混玄混玄混玄节理角砾白云杏仁 微晶白云灰岩混玄白云灰岩混玄混玄白云杏仁 图 1 不同骨料混凝土抗压 强度柱状图( 水胶 比 O 4 0】 微晶微晶微晶混玄混玄混玄节理角砾白云杏仁 微晶白云灰岩混玄白云灰岩混玄混玄白云杏仁 图 2 不同骨料混凝土劈拉强度柱状 图( 水胶比 O 4 0】 由试验结果可知： ( 1 ) 不同粗细骨料组合下 ， 混凝土的强度有所不同。在相同 6 4 4 O 强 2 O O 粗骨科 细骨科 4 宝 z 敞 1 0 粗骨科 细骨科 微晶微晶微晶混玄混玄混玄节理角砾白云杏仁 微晶白云灰岩混玄白云灰岩混玄混玄白云杏仁 图 3 不 同骨料混凝土抗压 强度柱状图( 水胶 比 o 5 0) 微晶微晶微晶混玄混玄混玄节理角砾白云杏仁 微晶自云灰岩混玄白云灰岩混玄混玄白云杏仁 图 4 不同骨料混凝土劈拉强度柱状图( 水胶 比 O 5 O) 龄期下， 混凝土的抗压强度最大和最小值之间差别大约为 1 5 ， 劈拉强度最大和最小值之间差别大约为 2 5 。相同粗骨料， 不 同细骨料组合下， 混凝土的强度也不同。 ( 2 ) 从混凝土的 l 8 0 d 抗压强度来看， 在 0 4 0水胶比下， 微 晶玄武岩粗细骨料混凝土最高， 混合玄武岩粗细骨料混凝土最低， 二者相差 9 MP a ； 在 0 5 0 水胶比下， 微晶玄武岩粗细骨料混凝土 最高， 杏仁玄武岩粗细骨料混凝土最低， 二者相差 9 4 MP a 。 ( 3 ) 从混凝土 1 8 O d的劈拉强度来看 ， 在 0 4 0水胶比下白 云岩粗细骨料混凝土最高， 混合玄武岩粗细骨料混凝土最低 ， 二者相差 1 3 9 MP a ； 在 0 5 0水胶 比下， 微晶玄武岩粗骨料 ， 白 云岩细骨料混凝土最高， 杏仁玄武岩粗细骨料混凝土最低， 二者 相差 O 8 5 MP a 。 1 2变形性 能结果 表 4 混凝土变形性 能试验结果( 0 4 O水胶比 ) 由试验结果可以看出： ( 1 ) 不同粗细骨料组合下， 混凝土的弹性模量和极限拉伸 变形有所不同。相同龄期下， 混凝土的抗压弹性模量最大和最 如 加 0科科 ： ， 。 0科科 憩 B d 髓霞辑欲 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 5 混凝土变形性能试验 结果( 0 5 O水胶 比 ) 1 5 50 4 0 3 O 瓣 2 0 1 0 0 粗骨科 细骨科微晶白云灰岩混玄白云灰岩混玄混玄白云杏仁 图 5 不同骨料混凝 土抗压弹性模量柱 状图( 水胶 比 0 4 0) 2 0 1 5 奏 o 辎 O 5 O 粗骨科微晶微晶微晶混玄混玄混玄节理角砾白云杏仁 细骨科微 晶白云灰岩混玄白云灰岩混玄混玄白云杏仁 图 6 不 同骨料混凝土抗压弹性模量柱状图( 水胶比 0 4 0】 5 0 40 日 山 3 0 徽 出 2 O 1 O 0 粗骨科微晶微晶微晶混玄混玄混玄节理角砾白云杏仁 细骨科微晶白云灰岩混玄白云灰岩混玄混玄白云杏仁 图 7 不同骨料混凝土极限拉伸变形柱状 图( 水胶比 0 5 0 ) 小值之间差别大约为 3 0 ， 极限拉伸变形最大和最小值之间差 别大约为 2 5 。 ( 2 ) 从混凝土 1 8 0 d抗压弹性模量来看， 在 0 4 0水胶比下 ， 白云岩粗细骨料最高， 角砾熔岩粗骨料 ， 混合玄武岩细骨料最 低， 二者相差 1 5 6 G P a ； 在 O 5 0水胶比下， 白云岩粗细骨料最 2 、 垂 醛 辎 O 粗骨科微 晶微晶微 晶混玄混玄混玄节理角砾白云杏仁 细骨科微晶白云灰岩混玄白云灰岩混玄混玄白云杏仁 图 8 不 同骨料混凝土极限拉伸变形柱状 图( 水胶 比 0 5 0) 高， 杏仁玄武岩粗细骨料混凝土最低， 二者相差 1 2 1 G P a 。 ( 3 ) 在相同粗骨料， 不同细骨料的组合下， 混凝土的抗压弹 性模量相差很小。9 0 d和 1 8 0 d的抗压弹模最大和最小值相差 不超过 5 ， 2 8 d的抗压弹模最大和最小值相差不超过 1 0 。 可 以认为 ， 混凝土的弹性模量主要 由粗骨料的性质决定， 细骨料 影响很小 。 ( 4 ) 尽管灰岩本身弹性模量较低， 但在相同粗骨料， 不同细 骨料的组合下， 灰岩细骨料的混凝土抗压弹性模量略高于其他 骨料。在相同的配合比情况下， 可以认为灰岩与水泥砂浆的界 面结合更加紧密， 弹性模量更高。 ( 5 ) 从混凝土 1 8 0 d极限拉伸变形来看， 在 0 4 0水胶比下， 白云岩粗细骨料最高 ， 杏仁玄武岩粗细骨料最低 ， 二者相差 0 4 2 x 1 0 ； 在 0 5 0水胶比下， 白云岩粗细骨料最高， 微晶玄武岩 粗细骨料混凝土最低， 二者相差 O 3 4 x 1 0 。 1 3 热学性能结果 不同粗细骨料的混凝土热学性能结果如表 6 所示。 表6 混凝土热学性质试验结果( 0 4 0 水胶比) 由表 6可以看出， 白云岩粗细骨料组合混凝土导温系数最 高， 有利于混凝土的热量传导； 质量热容最小， 在相同胶凝材料 用量条件下混凝土温升会相对较高； 线膨胀系数最大， 热膨胀 变形较大。 2 相 关性分析 以下对不同粗细骨料混凝土特性与骨料特性之间的关系进 行相关生分析。根据统计学原理， 相关系数 r 可以表示两组数据 之间的线性相关程度， 若 越接近 1 ， 则表示两组数据间线性关 系越密切； 若 越接近于 0 ， 表示两组数据间线性相关越弱。 ： 圣 ( 1 ) v Zx 2- ) 产( y ) z 式中： ， 广统计数据系列； n 样本大小。 以下分别计算了不同骨料组合下混凝土强度、 弹性模量以 65 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 7 混凝土强度与骨料特性相关性分析表 袭8 混凝土弹性模量和热学参数与骨料特性相关性分析表 及热学性能试验结果与粗、 细骨料相应参数之问的相关系数， 如表 7 所示。 由表 7和表 8 可以看出： ( 1 ) 混凝土的抗压强度和劈拉强度与粗、 细骨料的强度相 关系数很小，可以认为对于本试验范围内的普通混凝土而言， 骨料强度对混凝土的强度影响不大。 ( 2 ) 混凝土弹性模量和粗骨料弹性模量的相关系数为 0 8 9 0 9 2 ( W C = O 4 ) ， 0 7 7 - -4 ) 8 6 ( W C = 0 5 ) ； 混凝土弹性模量和细骨 料弹性模量相关系数为 0 5 左右。这说明混凝土的弹性模量主 要由粗骨料的特性决定 ， 这主要是由于粗骨料约占混凝土体积 的5 0 以上， 而细骨料所占体积百分比较小。 ( 3 ) 在水灰比较低时， 混凝土和粗骨料弹性模量的相关性 更加明显 ， 这是因为水灰比较低时 ， 砂浆以及砂浆与骨料之间 的界面过渡区与骨料的弹性模量相差较小， 对混凝土弹性模量 的影响更小。 ( 4 ) 混凝土的热膨胀系数和导温系数和粗骨料特性的相关 系数约为 0 9 ， 与细骨料特性的相关系数约为 0 8 ； 但质量热容 和粗、 细骨料特性无明显的相关特征。 一 ( 1 ) 混凝土骨料特性会对混凝土的性能产生影响。这种差 异既和骨料本身的性质有关， 也和骨料和砂浆之间的界面性质 有关。 ( 2 ) 对于水胶比为 0 4和 0 5 左右的普通混凝土而言， 混凝 土的强度和骨料强度没有直接关系， 因此在选择料源时应综合 考虑混凝土的各项性能而不是骨料的强度。 ( 3 ) 混凝土的弹性模量、 热膨胀系数和导温系数主要决定 于占混凝土体积百分比 较大的粗骨料特性。 参考文献： l 】 J 梅塔， 蒙特罗混凝土： 微观结构、 性能和材HI M 覃维祖， 等译 北京： 中国电力出版社， 2 0 0 8 2 】A L E X A ND E R M G， MI N D E S S S Ag g r e g a t e s i n c o n c r e t e M T a y l o r F r a n c i s ， 2 0 0 5 【 3 】 杨再富 ， 钱觉时， 唇祖全， 等粗集料强度对混凝土抗压强度影响的 试验研究明 混凝土， 2 0 0 4 ( 1 2 ) ： 2 3 2 5 4 】4 杨再富粗集料对混凝土强度影响的试验研究与数值模拟【 D 】 重庆 大学， 2 0 0 5 5 5 AL E X A N D E R M G， D AV I S D E I n f l u e n c e o f a g g r e g a t e s o n t h e c o mp r e s - s i v e s t r e n g t h a n d e a s t i c mo d u l u s o f c o n c r e t e J C i v i l E n g i n e e r i n S o u t h A f r i c a 。 1 9 9 2 ， 3 4 ( 5 ) ： 1 6 1 1 7 0 作者简介： 3 结 论 单位 地址： 本试验进行了不同粗、 细骨料组合下的混凝土强度、 变形 及热 学性能试验。 通过试验和分 析可以 得出以 下结论： 墨 皇 重! 上接第 6 2页 泡沫纤维芯材做成后， 可在芯材两面加上磷酸镁水泥或碱 矿渣水泥薄板起增强作用作为外墙。这样也可以改善现行外墙 外保温由于黏结剂等原因导致的保温性能不稳定的问题。 4 小 结 通过对农作物秸秆资源的成分分析，结合我国现阶段国 情， 最终确定利用植物纤维开发出三明治结构纤维水泥基泡沫 保温材料 ， 该材料具有节能效果明显 ， 并且成功利用了农村的 秸秆资源， 为新农村建设建材短缺问题， 开辟了新的研究道路， 为建筑节能提供基础条件。 参考文献 ： 1 高学芹 浅谈外墙保温技术与特点 J 】 山西建筑， 2 0 0 9 ， 3 5 09 ) ： 2 4 3 2 4 4 【 2 】 朱盈豹 浅谈外墙保温节能优势与不足【J _四川建材， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 3 ) ： 1 4 【 3 3 王宁 植物纤维保温材料的特点及应用范围【 J 】 河南建材， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 6 6 李文伟( 1 9 6 5 一 ) ， 男， 教授级高工 ， 主要从事混凝土材料 性能研究。 湖北宜昌西坝建设路 1 号 三峡集 团公司科技环保部 ( 4 4 3 0 0 2 ) 1 3 5 9 4 0 o 4 6 8 9 l 2一l 3 4 周明杰， 王娜娜， 赵晓燕， 等 泡沫混凝土的研究与应用最新进展 J 】 混凝土， 2 0 0 9 ( 4 ) ： t 0 4 1 0 7 f 5 】S I N G H S M A l k a l i r e s i s t a n c e of s o m e v e g e t a b ! e s fi b re s a n d t h e i r a d h e s i o n w i t h p o r t l a n d c e m c m J R e s e a r c h and I n d u s t r y ， 1 9 8 5 ( 1 5 ) ： 1 2 1 1 2 6 【 6 】王立久， 姜欢轻质水泥基稻草纤维泡沫墙体材料的研究阴 新型建 筑材料， 2 0 0 8 ( 7 ) ： I - 3 7 】 姜欢 植物纤维生产水泥基泡沫保温墙体材料的研究 D 】 大连： 大连 理工大学， 2 0 0 8 ： 2 1 2 6 作者简介 ： 单位地址： 联系电话： 王立久( 1 9 4 5 一 ) ， 男， 教授， 博士生导师。 大连市甘井子区凌工路 2 号 大连理工大学建筑材料研究 所( 1 1 6 0 2 4 ) l 3 0 8 41 7 7 5 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m