嵌锁密实混凝土强度研究.pdf

2 0 1 1年 第 2期 (总 第 2 5 6 期 ) Nu mb e r 2 j n 2 0l 1 ( To t a l No 2 5 6) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HEORE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 0 2 0 1 2 嵌锁密实混凝土强度研究 田尔布 ，王逢朝 ，郑恢樵 。 ，刘奋醒 ( 1 三明学院 ，福建 三明 3 6 5 0 0 4；2 厦 门百城建设投资有限公 司，福建 厦门 3 6 1 0 0 9 ) 摘要 ： 普通混凝土强度主要由水泥与集料 的界面强度决 定 ， 而粗集料级配组成对混凝 土强度影响在配合 比设计 中常被忽略。 根据马晶 教授振动填 充试验结果 ， 选取具有嵌锁结构粗集料 ， 利用均匀设计 法安排混凝土强度试验 ， 计算分析试验结果。 通过试验结果分析可知 ， 均 匀设计安排试验可 以大量减少试验工作量 ； 嵌锁密实混凝土强度与水灰 比呈线性减小关系 ， 与集浆 比基本呈线性减小关 系， 抗压强度与砂 率呈线性增大关系， 而抗弯拉与砂率呈线性减小关系； 且影响因子大小为： 水灰比 砂率 集浆比； 嵌锁密实结构级配粗集料的混凝土， 集 料之间存在一定咬合力 ， 其能够减缓裂缝继续 向试件内部发展 。 关键词 ： 水泥混凝土 ；粗集料 ；级配组成 ；强度 ；均匀设计 ；嵌锁密实结构 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 4 0 0 3 Re s e ar c h on s t r e ng t h o f i n t er l oc k i ng- s t r uc t ur e den s e c e m e n t c on cr e t e TI AN Er - bu ， WAN G F e n g- c h a o ， ZHENG Hu i q i a o ， L I U Fe n - xi n g ( 1 S a n mi n gU n i v e r s i t y ， S a n mi n g 3 6 5 0 0 4， C h i n a ； 2 X i a me nBa i c h e n gC o n s t r u c t i o n a n dI n v e s t me n t C o ， L t d ， Xi a me n3 6 1 0 0 9 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： Co mm o n c o n c r e t e s t r e n g t h ma i nly b y t h e i n t e r f a c e o f c e m e n t an d a g g r e g a t e s t r e n g t h o f t h e d e c i s i o n， b u t the i mp a c t o f c o a r s e a g g r e g a t e g r a d a t i o n o n t h e s t r e n g t h o fc o n c r e t e mi x d e s i g n i s o f t e n o v e rlo o k e d Ac c o r d i n g t o t h e fil l e d v i b r a t i o n t e s t r e s ul t s o fP r o f e s s o r M a Bi a o， s e l e c t t h e c o a r s e a g g r e g a t e wi t h the i n t e r l o c k i n g s t r u c t u r e， a r r a n g e the u ni f o r m d e s i g n me t h o d o f c o n c r e t e s tr e n g t h t e s t ， c a l c u l a t e a n d a n aly s e r e s u l t s Th r o u g h t h e t e s t r e s ul t s an a l y s i s ， the u n i f o r m d e s i gn e x p e r i m e n t c a n s i gn i fic an t l y r e d u c e t h e wo r k l o a d； c o n c r e t e s t r e n g t h d e c r e a s e s l i n e a r l y wi th t h e wa t e r - c e me n t r a t i o a n d a g gr e g a t e c e me n t r a t i o T h e c o mp r e s s i v e s tre ng t h i n c r e a s e s l i n e a r l y wi th t h e s a n d r a t e ， b u t t h e fl e x ur al s t r e n g t h d e c r e a s e s l i ne arl y wi th t h e s an d r a t e ； a nd the s i z e of i mp a c t f a c t o r i s wa t e r c e m e n t r a t i o s an d r a t i o a g gre g a t e c e me n t r a t i o； the a g g r e g a t e b e t we e n c o n c r e t e wi th i n t e r l o c ki n g s k e l e t o n s t ruc t u r e e xi s t s b i t e for c e t h a t c a n s l o w the c r a c k t o c o n t i n u e t o d e v e l o p wi t hin the s p e c i me n Key wor ds ： c e me n t c o n c r e t e ； c o a r s e a g g r e g a t e ； g r a d a t i o n； s t r e n gth； u n i f o rm d e s i g n； a g gre g a t e c e me n t r a t i o 0 引言 从原有的混凝土强度组成原理可知， 普通混凝土强度主要由 水泥与集料的界面强度决定， 而粗集料的级配组成对混凝土强度 影响在配合比设计中常被忽略。 已有的资料对粗集料组成情况研 究较少， 即使相关规范推荐级配曲线范围， 也多是连续密实级配。 根据吴中伟“ 中心质” 假说、 粒子干涉理论 、 体积法、 刘崇熙的连续 包围垛密理论等相关理论 】 ， 一些专家提出有异于连续密实水泥 混凝土级配 ， 如长安大学马晶教授提 出嵌锁密实结构级配3 ， 大连 位教授所提出的级配理念， 选取嵌锁密实结构粗集料， 运用均匀设 计法进行强度试验， 计算试验结果， 分析强度与水灰比、 砂率， 集浆 比等参数关系， 以期找出嵌锁密实粗集料级配对强度的影响。 1 试验材料 与试验方 法 1 1 原材料 ( 1 ) 水泥： 本研究采用福建建福牌 P O4 2 5 R级水泥， 其主 要物理及力学性能指标见表 1 。 ( 2 ) 粗集料 ： 为福建 三明的花 岗岩碎石 ， 其物理性能测试结 理工大学王立久教授提出了粗集料架构级配等4 】 。 本研究综合两 果如表 2 、 3所示。 表 1 水泥的物理和力学性能 表2 粗集料物理性能测试结果 ( 3 ) 细集料： 本研究细集料为三明沙溪河产的河砂 ， 筛分结 果见表 4 ， 堆积密度为 1 5 4 f c m3 , 表观密度为 2 6 8 g c m 细度模 数为 2 6 7 ， 属中砂 ， 各项指标均符合规范的相关要求。 - ( 4 ) 水： 凡能饮用的自来水和任何 p H值不小于4的非酸性 水 ， 都可以成型混凝土强度试验试块。 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 0 1 9 基金项 目：福建省教育厅科技项 目( J A0 9 2 3 6 ) ； 三明学院服务海西建设重点项 目( H X2 0 0 8 0 2 ) 40 表 3 粗集料物理性能测试结果 1 2试 验 方 法 根据GB J 1 0 7 1 9 8 7 = 跫t j 戥 筮国 准 和G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 昆 凝土结构设 计规范 ， 本研究采用 1 5 0 mm x l 5 0 mmx 1 5 0 mm 的抗压强度试验和 1 5 0 mm l 5 0 mm 5 5 0 mm的抗弯拉强度试 验 ， 抗压强度试验和抗弯拉强度试验每组分别成型 6块试件 ， 每组 试件养生龄期 3 块为 7 d和 3块为 2 8 d 。 2 粗骨料级 配 本研究根据马晶教授振动填充试验结果， 同时结合王立久 的粗集料架 构级配 ， 选取具 有嵌锁结 构粗集料级 配 ， 其级配通 过率曲线如 图 l 。 粒径 大小 ram 图 1 嵌锁结构粗集料级配通过率 曲线 从图 1 可以看出曲线在粒径 l 3 2mm的通过率偏低 ， 已超 出了 公路水泥混凝土路面施工技术规范 ( 后简称 规范 ) 所 推荐的范围， 说明与传统的 规范 中值“ s ” 型通过率曲线相比， 粗颗粒多 ， 细颗粒少 。 3 试验 建模 根据已有资料和相关的试验 ， 将对混凝土强度有主要影响 的因素水灰比 砂率 和集浆比物作为研究对象， 研究这三 个因素对强度 Y 这个指标影响。 根据相关研究， 强度通常与水灰 比、 砂率 、 集浆比呈线性相关 ， 因此建立多元二次回归模型足以 找出强度与影响因素之 间关系式 。 由此建立二次多项式模型 ： n 1 1 + 2 + 。 0 l + a sx 1 3 + 瓯 3 ( 1 ) 式中 ： a o 、 a 一、 a 一常数 ， 即可通过 回归分析计算得出。 4 试验设计及 因素水平 选取 均 匀设计( Un i f o r m De s i g n ) 是基 于试 验点在整个试验范 围 内均匀散布的从 均匀性角度出发的一种试验设计方法 。 均匀设 计试验法的优点在于能从尽可能少的试验次数中揭示因素与 指标间的规律闸， 与用传统的方法或者正交法安排试验相比， 大 大减少 了试验量。 本研究采用 试验， 各因素水平分别为水灰比： 0 4 5 、 0 4 7 、 0 4 9 、 0 5 1 、 0 5 3 、 0 5 5 ； 砂率 ： 3 1 、 3 2 、 3 3 、 3 4 、 3 5 、 3 6 ； 集浆 比： 3 6 、 3 8 、 4 0 、 4 2 、 4 4 、 4 6 。 5 试验 结果测试及 分析 根据均匀设计 表 ( 如表 5 ) 安排 ， 每个试验组成型 6块抗 压试件 和 6块抗 压试件 ， 且根据 7 、 2 8 d的龄期不 同 ， 分别进 行 了 7 d抗压强度试验 、 2 8 d抗压强度试验 、 7 d抗弯拉试验 和 2 8 d 抗弯拉试验 ， 每组每个龄期试验成 型三个试件 。 根据三个试件强度值， 取其平均值作为该组强度代表值； 如果三个测值中的最大值或最小值与中间值之差超过中间值 的 1 5 时， 取中间值作为该组试件强度的代表值； 如最大值和 最小值与中间值均超过 1 5 时， 则该组试验结果无效。 根据试验 测试及数据处理 ， 试验结果见表 5 。 6 试验 结果分析 根据表 5的 7 d抗压强度 、 2 8 d抗压 强度 、 7 d抗弯 拉强度 和 2 8 d 抗弯拉强度试验结果， 可以利用均匀设计分析软件分析， 分析得出结果见 表 6 8 。 表 5 均匀设计表及试验结果 表 6 强度数据 分析结果 ( 1 ) 表 7 强度数据分析结果( 2) 41 表 8 强度数据分析结果 ( 3) 表 6中的 Mu l t i p l e R是指复相关系数 ， 又称为相关 系数 ， 它 是衡量 X 2 与 Y之间相关程度的大小 ； R S q u a r e是指复测 定系数 ， 其说明用 自变量解释因变量变差的程度 ， 以测量同因 变量 Y的拟合效果； Ad j u s t e d R S q u a r e为调整复测定系数， 它用 于衡量加入 独立变量后模 型的拟合程 度 ； 标准误差 ， 它用来衡 量拟合程度的大小， 也用于计算与回归有关的其他统计量 ， 此 值越小， 说明拟合程度越好。 由表 6数据分析结果可知 7 d 抗压 强度 Mu l t i p l e R、 R S q u a r e 、 A d j u s t e d R S q u a r e 、 标准误差分别为 O 9 6 0 9 3 、 0 8 2 、 1 7 4 ， 说明在拟合 7 d 抗压强度 Y与变量 孙 之间方程时 ， 效果良好 ； 同理 7 d抗压强度 、 7 、 2 8 d抗弯拉强度 与变量 之间方程拟合效果也 良好。 回归系数 o 、 、 啦、 叻均 为不为零 的数 ， 其他 回归 系数 为 0 ， 说 明水灰 比 砂率 ： 和集浆 比幻与强度 Y 呈线性相关 均为 负数 ， 说明强度 Y随水灰 比 。 呈线性减小。 从混凝土强度组成原 理可知 ， 普通混凝土强度 主要水泥与集料 的界面强度决定 ， 粗集 料的级配组成对强度影响在混凝土配合比设计中常被忽略。 抗 压强度 啦为正数 ， 而抗弯拉强度的 眈为负数 ， 说明增大砂率增 加了水泥与集料接触界面， 有利于提高抗压强度， 但是对抗弯 拉强度却是不利， 这由于弯拉破坏主要由剪切破坏引起 ， 水泥 砂浆增多 ， 不利于阻止剪 切破 坏发 展与延伸 ， 但 由表 5可知 ， 抗 弯拉强度并不低， 这由于该粗集料结构为级配嵌锁密实结构 ， 与 传统的 规范 中值“ s ” 型通过率曲线相比， 粗颗粒多 ， 细颗粒少， 粗集料之间存在嵌锁咬合力。 啦只有2 8 d 抗弯拉强度为正值， 且为 0 2 ， 说明强度基本随着集浆比扎增大而减小。 其中 t la 2 1 la 3 ， 说 明水灰 比 、 砂率和集浆 比对抗压强度影响程度 为水灰 比 砂 率 集浆比。 ， 由表 6 8 可得出7 、 2 8 d 的抗日虽 度回归方程分别为式( 2 ) 、 ( 3 ) ： 一 7 0 4 x 1 + 2 4 4 x 2 3 4 x 3 + 6 7 3 ( 2) ， 一 一 7 1 1 l + 9 3 2 2 9 x 3 + 7 7 9 ( 3 ) 7 、 2 8 d的抗弯拉强度回归方程分别为式( 4 ) 、 ( 5 ) ： ， ，= 一 2 7 7 l 一 5 2 - 0 6 x 3 + 2 5 3 ( 4 ) y = 一 8 6 x r - 3 8 x 2 + 0 2 x 3 + 1 3 6 ( 5 ) 从 式( 4 ) 、 ( 5 ) 系数 1 、 啦、 的值 可知水灰 比和砂率 与抗弯 拉强度成反比， 而集浆 比对抗弯拉强度影响很小 ， 且影响程度 为水灰比砂率 集浆比。 由 Ia l I ： 表明水灰比对 7d 抗拉 上接第 3 9页 【 1 7 P AL O MO A， G RU T Z E C K M W， B L A N C O M T Al k a l i - a c t i v a t e d fl y a s h e a c e me n t f o r t h e f u t u r e J C e mC o n c r R e s ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 8 ) ： 1 3 2 3 - 1 3 2 9 【 1 8 P AL O MO A， A L ON S O S ， F E R N A ND E Z J I ME N E Z A， e t a1 A l k a l i a c t i v a t e d o f fl y a h e s ， A N MR s t u d y o f t h e r e a c t i o n p r o d u c t s J J o u r n al o f A me r i c a n C e r a mi c S o c i e ty， 2 0 0 4 ， 8 7 ( 6 ) ： 1 1 4 1 1 1 4 5 【 1 9 1 WA N G S D， S C R I VE N E R K L 2 9 S i a n d 2 7 A 1 s t u d y o f a l k a l i - a c t i v a t e d 42 强度增 长影 响大 ， 对 2 8 d的影响减弱 ， 这主要因为水的多少直 接影响着水泥与水反应的快慢及混凝土早期强度。 同理， 砂率对 7 d 早期强度形成影响也 比 2 8 d的明显 。 7结 论 通过粗集料级配选取 、 强度试验， 分析水灰比、 砂率 、 集浆 比与强度之 间的关系 ， 得 出如下结论 ： ( 1 ) 与传统级配相 比， 嵌锁结构粗集料级配， 粗颗粒多 ， 细 颗粒少 。 ( 2 ) 均匀设计方法可以优化试验安排， 并可大量减少工作量。 ( 3 ) 嵌锁密实混凝土强度与水灰比呈线性减小关系， 与集 浆比基本呈线性减小关系；抗压强度与砂率呈线性增大关系， 而抗弯拉与砂率呈线性减小关系。 ( 4 ) 水灰比、 砂率 、 集浆 比对混凝土强度影响大小关系为： 水灰 砂率 集浆比。 ( 5 ) 嵌锁密实结构级配粗集料的混凝土， 集料之间存在一 定咬合力， 其能够减缓裂缝继续向试件内部发展。 参考文献 ： 1 徐定华， 冯文元 混凝土材料使用指南【 M - C 京 ： 中国建材工业出版 社 ， 2 0 0 5： l 8 2 7 2 刘崇熙， 文梓云， 汪在芹， 等 混凝土骨料性能和制造上艺( 第 1 版) 【 M 】 广州： 华南理工大学出版社， 1 9 9 9 ： 2 5 3 5 3 马毳， 田尔布 ， 路学敏， 等水泥混凝土粗集料嵌锁密实结构试验分 析叽 中外公路 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 6 )： 2 1 7 2 2 0 4 王安成 粗骨料架构特性与架构混凝土研究【 D 】 大连 ： 大连理工大 学， 2 0 0 6 ： l 5 一 l 7 【 5 G B 1 4 6 8 5 -2 0 0 1 ， 建筑用卵石、 碎石 s 】 北京： 中国标准出版社， 2 0 0 1 6 】刘源， 韩振芳 利用均匀设计试验进行混凝土配合比优化【 J 】 河北建 筑工程学院学报 ， 2 0 0 8 ， 2 6 ( 3 ) ： 1 2 1 4 作者简介 单位地址 联系电话 田尔布( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 工学硕士 ， 讲师， 研究方向： 道路与铁 道 工程 。 福建省三明市荆东路 2 5 号土建系( 3 6 5 0 0 4) 1 3 5 0 7 5 7 4 8 6 9 s l a g c e m e n t 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 ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 5 ) ： 7 6 9 - 7 7 4 作者简 介 单位地址 联系电话 蔡良才( 1 9 6 0 一 ) ， 男 ， 教授、 博导， 主要从事机场规划与设 计 、 机场施工与材 料等方面的研究 。 西安市空军工程大学工程学院机场建筑工程系( 7 1 0 0 3 8 ) 1 3 6 4 9 2 41 3 4 7