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

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]美国着名混凝土专家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。

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]。

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。

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。

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[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。Baalbaki W等［18］研究了不同骨料对高性能混凝土弹塑性的影响，结果表明石英岩混凝

土的强度最低，砂岩的强度较高。造成差异的原因主要是粗骨料砂岩的变形性优于石英岩，使

混凝土中的应力较均匀分布，不容易产生应力集中。Turan dzturan 等［19］研究了3 种粗骨料对混凝土性能的影响，结果显示在高强混凝土中，玄武岩混凝土的强度比砾石混凝土高10%～20%;在普通混凝土中，玄武岩混凝土与砾石混凝土的强度差不多，石灰岩混凝土的强度较高。造成这些差异的原因是高强混凝土中粗骨料是薄弱部分，而普通混凝土中砂浆与粗骨料的界面才是薄弱部分。他们还用强度等级高的水泥代替强度等级低的水泥配制抗压强度为90MPa 的混凝土，其他配比不变，结果表明混凝土的抗弯抗拉强度提高了30%，抗压强度基本不变，这说明高强混凝土的弯拉强度主要由砂浆强度决定，抗压强度主要由粗骨料决定。为了更全面地研究粗骨料在混凝土中的作用，Beshr H 等［21］研究了4种粗骨料对高强混凝土性能的影响，结果表明钢渣混凝土的抗压强度最高，石灰岩混凝土的抗压强度最低。Aitcin P C 等［22］试验研究了 4 种不同粗骨料对高强混凝土性能的影响，结果表明辉绿岩和石灰石混凝土的强度和弹性模量比花岗岩和河卵石高很多，粗骨料的矿物组成不同可能是造成这种差异的主要原因。戴朝阳等［23］的研究表明，粗骨料的种类不同无论对高强混凝土还是普通混凝土都有影响，相对来讲对高强混凝土强度的影响更大。陈肇元［24］的研究表明，在影响高强混凝土性能的所有因素中，粗骨料的影响最大。粗骨料的性能决定着高强混凝土的抗压强度和弹性模量。如果粗骨料的强度不足，相当于先天性缺陷，无论采用何种弥补方法，都不可能取得较好的结果。目前，粗骨料弹性模量对混凝土强度影响的研究成果很少，大家普遍认为粗骨料的弹性模量直接影响混凝土的强度和弹性模量。Beshr H 等［21］的研究表明，粗骨料的类型对混凝土的弹模有影响，一般来讲弹性模量低的骨料配制的混凝土强度较低。Giaccio G等［22］的研究也表明，对于高强混凝土来讲，玄武岩混凝土的弹模最高，石灰岩混凝土的弹模次之，花岗岩混凝土的弹模最低，原因可归结为在第一次加载时石灰岩混凝土中已有较多的微裂纹。杨再富［23］深入研究了粗骨料的弹模及强度对混凝土性能的影响，指出粗骨料的弹模及强度过高会显着降低混凝土的抗折强度，对抗压强度的增强作用也大幅度下降，粗骨料对混凝土影响的实质是这两相的协调性，要想较好地利用粗骨料，必须使粗骨料与砂浆基体相互协调。钱觉时等［24］研究了几种强度相差较大的粗集料对砂浆基体强度不同的混凝土抗折强度的影响结果显示两者之间的协调性显着影响混凝土的抗折强度。当粗集料强度和弹性模量与水泥砂浆基体相匹配时，增加粗集料强度可提高混凝土抗折强度。因此，配制混凝土时应适当考虑基体与骨

料的协调性。

粗骨料的吸水率对混凝土性能的影响

不同种类的粗骨料材质不同，空隙不同，吸水率也有一定程度的差别。粗骨料的吸水率能够影响新拌混凝土的和易性。陈习云等通过研究粗骨料吸水率对混凝土性能的影响得出以下结论: 骨料的吸水率对混凝土的用水量有直接影响，当碎石吸水率≥3% 时，混凝土坍落度明显减小而且损失很快。粗骨料的吸水率对硬化后混凝土的性能也有影响。Aitcin P C 等的研究表明，在普通混凝土中，钙质石灰岩和白云石的强度较高，这是因为这两种骨料的孔隙