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粗骨料的含量与分布对混凝土抗压强度的影响
Mohammed Seddik Meddah , Salim Zitouni , Saiuml;d Belacirc;abes
摘要：粗骨料部分对新拌混凝土和硬化混凝土的性能都有很大影响。因此，对于选择混凝土的骨料含量和粒径分布（PSD）的选择是预测混凝土预测的重要因素。基于前人的研究成果，在本课题研究四种颗粒组分按不同的比例组合后以研究粒径分布对混凝土性能的影响。研究了骨料粒径分布对混凝土性能的影响。本课题两种添加剂，即减水剂（WRA）和高效减水剂（HRWRA）来降低降低水灰比，水灰比从0.58降至0.40。确定7天、14天和28天抗压强度与粗骨料粒径分布之间的关系。结果表明，不掺加外加剂的最大粒径为25mm的三元连续级配骨料制成的混凝土抗压强度最高。然而，通过加入WRA或HRWRA来降低水灰比时，需要降低粗骨料的最大粒径，并对粒度分布系统进行一定的调整。水灰比较低时，二元颗粒体系的抗压强度最高。
1 引言
混凝土有着高度的非均质性，可以看做是由嵌锁在砂浆基体中的粗骨料和粗骨料颗粒与水化水泥浆体的界面区域组成的一种多相材料。因此，混凝土的性能与固体骨料的特性、水泥浆体的性能以及界面区域密切相关。既然混凝土体积重约75%都为骨料，而骨料中约45%是粗骨料，因此可以认为骨料的性能很大程度上影响着混凝土材料的结构性能以及耐久性能。骨料的一部分性能，如化学与矿物组成、形状、粗糙度、风化程度、比重、硬度、强度、物理与化学稳定性以及孔洞结构与母岩的性能有关[1]。此外，部分性质，如矿物学、表面积[2]、表面纹理、颗粒大小及形状、弹性模量、强度、品级、吸水率对混凝土的性能有着显著的影响[3-6]。
因此，混凝土可以视作是由骨料、水泥浆以及两者间的过渡区域组成的三相材料。过渡区域约有10-50mu;m厚，是混凝土中相对薄弱的部分，这导致了其对混凝土力学表现的影响大过其体积重要性[2,7]。
近几十年来，高强混凝土渐渐在在各种不同的建设领域中广泛使用。这类混凝土以比普通强度混凝土高的里学习能耐与耐久性著称。总而言之，抗压强度是混凝土设计时所需的主要性能，不论是普通强度混凝土还是高强混凝土都是为了抵抗压力而设计的。混凝土配合比与抗压强度之间的关系一直是不少研究者感兴趣的问题[8]。对于普通强度混凝土，水灰比是控制混凝土大多力学性能的主要因素，其中粗骨料可以看做是其中强度最高的一相。此外，粗骨料与低强水泥浆间的应力传递受到强度更弱的过渡区域的影响。因此骨料资深只起了较小的作用。然而在高强混凝土中，水泥浆与过渡区域有着比普通强度混凝土要好的性能，粗骨料骨架反而会成为混凝土中最薄弱的一相。因此，不能只把抗压强度与混凝土的水灰比挂钩，也要把其他一些对于发展混凝土力学性能有较大影响的参数也考虑进来，尤其是高强混凝土更应如此。在这种前提下，选用粗骨料时必须按照其物理与力学性能正确选择使用 [4,5,8-11]。
Sahin等人[12]发现水泥含量的增加取决于所使用的骨料类型和水泥含量本身，而Ouml;zturan和 Ccedil;eccedil;en[9]发现，对于性质相同的水泥浆体，使用形状、质地、矿物学和强度不同的粗骨料可能会导致混凝土强度不同。Nevile和Brooks[3]声称粗骨料性能对于混凝土强度的影响就像高强混凝土中的叫高强度的水泥浆一样重要。
基于以上的观点，骨料的性质取决于母岩的性质（如：化学性质、矿物组成、岩石学分类、比重、硬度、强度、物理和化学稳定性以及孔隙结构）。所有这些性质对不论是新版混凝土的性质还是硬化混凝土的性质都有着重要的影响[3,13]。 Aiuml;tcin和Mehta[4]发现，使用石灰石和辉绿岩骨料制成的混凝土比起用花岗岩和河流砾石制成的混凝土强度和弹性模量要大得多。而Alexander和Milne[14]发现用安山岩和白云石制成的混凝土比起用花岗岩和石英石制成的混凝土硬度上要高很多。Sengul等人的研究结果[1]表明，使用玄武岩制成的混凝土比起用三叠纪岩石或石灰石作为骨料的混凝土，抗压强度更高。此外，, Ccedil;elik and Marar[15]声称比起天然砾石和砂石，碎石更适合用作高强混凝土的生产。
Cetin and Carrasquillo [5]研究了使用不同体积含量的粗骨料：36%、40%和44%来制作水灰比0.28的高强混凝土。该作者认为，粗骨料的最佳含量在36%-40%之间，粗骨量含量超过40%后反而会导致混凝土抗压强度下降。当骨料含量在0%-20%范围内增加时，会导致混凝土抗压强度的小幅下降，而骨料含量在40%-80%之间时，抗压强度有所提高[16]。研究还发现，当使用最大粒径为16mm的石灰石作为骨料主体时，混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度达到最大值[17]。
学者们已经进行了许多关于骨料的种类、用量、物理力学性能对混凝土抗压强度和弹性模量影响的研究。然而，对粗骨料粒度分布影响的研究还很有限，其效果还没有很好的确定。本文研究了不同颗粒级配组合时，粗骨料的含量和粒径分布对普通和高强混凝土抗压强度的影响。
2 研究意义
混凝土是由硬化水泥浆体、骨料骨架以及两者界面区域组成的三相复合材料。这三种部分的性质对于混凝土的抗压强度有着显著的影响。既然粗骨料平均占混凝土混合料体积的45%，那么就能认为这种组分对于硬化混凝土有着巨大的影响。骨料的级配和最大粒径（MAS）必须确立规范，因为级配和大小会影响骨料的用量以及水泥和水的用量、工作性能、可泵性和混凝土的耐久性。
本文工作的主要目的是为了更好地了解粗骨料的含量和粒度分布对混凝土抗压强度的影响，从而提出一种适当的混凝土设计方案，并根据目标混凝土的类型来确定适当的颗粒级配比例。
3 实验方法
3.1 原材料
选用的普通硅酸盐水泥水泥，相当于I型ASTM水泥 ，在本实验的所有混凝土混合物中用量保持不变。粗骨料使用石灰石碎石，其矿物学成分如表1所示，且表面粗糙。并采用3-8、8-15和15-25 mm三种不同的颗粒级配，来研究粗骨料粒度分布对混凝土性能的影响。值得一提的是，这种粗骨料含有很多针片状的颗粒。除表面形状外，粗骨料形状的表示方式为体积系数（H），它表示“(粗骨料的总体积)/(每颗骨料视作最大外形尺寸球体时粗骨料的总体积)的比率”[18]。对于用于混凝土中的骨料，体积系数H应不小于0.15，对于高性能混凝土，体积系数应大于0.20[1]。细骨料采用天然硅质河砂，颗粒圆滑，最大粒径5mm，细度模数1.95。所用粗细骨料的粒径分布图1。选用的细骨料和粗骨料表面均完全干燥。表2概括了所用骨料的物理和力学性能。为了降低混凝土混合物的水灰比，本文选用了两种外加剂。采用的外加剂为符合ASTM C 494-92 F型标准的萘磺酸盐高效减水剂(SP)和减水剂(P)，以达到预期的工作性能。SP和P的比重相同，分别为固体含量的36%和34%，比重为1.16。
3.2颗粒级配和混凝土混合物组成
在前人初步研究的基础上[19,20]，本文选用了4种由2-3种不同颗粒级配和含量的粗骨料组成的不同体系组合。这些研究对有着不同颗粒级配组合的混凝土的抗压强度进行了研究。简单来说，本文对颗粒级配的二元组合和三元组合进行了优化。结果表明，在54个不同颗粒体系中，有4个颗粒级配在不掺外加剂时28d抗压强度最高。因此，在此前人研究基础上，本研究选取了这四种组合不掺外加剂时的情况进行了研究，以期更好地了解它们对混凝土性能的影响。表3列出了四个颗粒体系和使用的每种粒径的粗骨料的比例。用减水剂和萘磺酸盐高效减水剂配制的混凝土时，按生产厂家的推荐标准，减水剂掺量为水泥重量的1%，萘磺酸盐高效减水剂掺量为水泥重量的1%-2%。
混凝土混合料的按照绝对体积法设计，设计成能放进一个0.06m3的的实验室混凝土搅拌机。随着WRA(P)和HRWRA(SP)掺量的增加，水灰比降低至0.58~0.40之间。表4列出了试验用的混凝土混合物的具体配合比。调整混凝土混合料的参数直至塌落度达到约70plusmn;10mm。本文准备了HRWRA和WRA的2种掺量和4种骨料级配组合，设计了16种混凝土配合比。粒度分布从各不相同，在C1中的骨料最大粒径为15 mm，而其他混凝土混合料中的骨料最大粒径为25 mm。
混凝土混合物用CX-PY或CX-SPY作为编号标记。字母C后接数字X（1、2、3、4）表示混凝土粗骨料的粒径分布；SP和P后接数字Y表示HRWRA和WRA的掺量，P指代WRA，SP指代HRWRA。
表1 用于混凝土中的粗骨料的化学组成
|
成分 |
CaO |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
MgO |
K2O |
Na2O |
TiO2 |
SO3 |
LOI |
|
百分含量 |
53.76 |
0.72 |
0.46 |
1.04 |
1.81 |
- |
- |
0.06 |
0.04 |
42.1 |
3.3 试验方法
所有混凝土混合料均按照ASTM C 305进行搅拌。一开始，干的原料按照所需配皮完全混合。然后加入溶有WRA和HRWRA的水至混凝土搅拌均匀。新拌混凝土测定 两项实验：根据ASTMC143-90a测定塌落度，根据ASTMC231-91b测定含气量。所有混凝土需控制塌落度在60-80mm之间，含气量在1.5%plusmn;0.5%之间。使用边长为100mm的钢模成型试块用于测定抗压强度。根据BS 1881: 108: 1983将混凝土装入3联模具中，并用平板振动台振动密实。所有混凝土试块在成型后最初的24个小时里放置在20plusmn;2℃和相对湿度55plusmn;5%的实验室环境下养护。养护至1天后拆模，将混凝土试块移入20plusmn;2℃饱和石灰水水箱中，直到龄期到达。对于每种混凝土，分别在养护至7天、14天、28天时测定3个试块的强度。使用上限为1500 kN的MTS servo-hydraulic machine，采用立方体试验的标准程序对试样进行单轴压缩加载。试验时加载速率为0.4MPa/s，直到试块破坏。
累计筛余（%）
筛网孔径（mm）
图1 所用骨料粒径分布
表2 骨料的物理化学性能
|
砂 |
粗骨料粒径 |
|||
|
3-8 |
8-15 |
15-25 |
||
|
相对密度 |
2.54 |
2.68 |
||
|
吸水率（%） |
0.4 |
1.1 |
1.06 |
1.03 |
|
含泥量（%） |
1.75 |
2 |
1 |
0.55 |
|
体积分数（H） |
0.155 |
0.21 |
||
|
针片状颗粒 |
25.4 |
17.3 |
||
|
抗压强度（MPa） |
72 |
|||
|
参照ASTM C131的磨耗值（%） |
22 |
|||
|
形状 |
圆滑 |
有棱角 |
||
|
光滑 |
粗糙 |
|||
表3 试验用骨料级配
|
混合料编号 |
粗骨料分布（%） |
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