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率较大，可以吸附较多的水分，降低了骨料周围的水灰比，提高了界面过渡区的强度，进而提高了混凝土强度。Wasserman R等［25］则提出吸水率大的骨料不容易在骨料下方形成水囊，改善了混凝土内部结构，从而提高了混凝土强度。其实，吸水率大的骨料吸附的水可以在一定程度上加强混凝土的后期养护，这时骨料相当于小的水源。粗骨料的吸水率还可以影响混凝土的耐久性，尤其是对其抗冻融侵蚀性能有重要影响。

粗骨料化学成分对混凝土性能的影响

粗骨料的化学成分对混凝土性能的影响归结为3个方面。一方面是对于活性骨料来讲，可能会在界面处与水泥浆中的活性物质发生反应，生成水化碳铝酸钙等可以增加界面强度的物质［26］。李友群等［27］的研究表明，粗骨料是影响混凝土高温性能的最主要原因之一，钙质骨料混凝土的抗爆裂性要优于硅质骨料混凝土。

骨料形状与表面状态的影响

粗骨料的形貌无论是对新拌混凝土的性能，还是硬化后混凝土的性能的影响都比较显着。拌制混凝土最理想的颗粒形状是接近球体或较规则的多面体，针片状骨料会增大堆积骨料的空隙率和比表面积，这样就容易增大骨料表面的吸水量，进而影响新拌混凝土的流动性，同时针片状骨料在混凝土的拌制及振动过程中易定向排列，这样会导致混凝土的强度降低。总体上来讲，由于针片状骨料自身形状的影响，对混凝土抗折强度的影响较大。潘琨［28］详细研究了针片状粗骨料对混凝土性能的影响，结果表明，若粗骨料中针片状颗粒含量过多对混凝土会产生不利影响，实际使用时应控制针片状颗粒的含量。于本田等［29］用灰色关联度法研究了粗骨料对混凝土性能的影响，指出针片状颗粒含量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响最为明显。吴历斌等［30］也研究了骨料形状和含量对新拌混凝土和硬化后混凝土的影响，结果认为，单就强度来讲，混凝土中存在最佳针片状颗粒含量值，并指出最佳针片状颗粒含量为12%。平时拌制混凝土的粗骨料可分为卵石和碎石，碎石表面粗糙且化学活性高，容易与砂浆结合;卵石的

表面比较光滑，Ca(OH)

2结晶取向性好，附着在表面的Ca(OH)

2

较厚，劣化了界面过渡

区结构［31］，因此在相同水灰比下，碎石混凝土的强度比卵石混凝土高。同时，碎石中含有一定数量的针片状颗粒，而且碎石的表面没有卵石光滑，因此就和易性来讲，水灰比相同时，卵石混凝土的和易性要好于碎石混凝土的和易性。

粗骨料粒径及颗粒级配的影响

人们对粗骨料的最大粒径对混凝土性能的影响做了不少研究，但是由于问题本身的复杂性，仍未得出很好的结论。吴中伟等［32］认为，对于低强混凝土来说，骨料最大粒径的影响不大;对于高强混凝土来说，骨料最大粒径的影响较大，这时用小粒径的石子有利于改善界面过渡区结构。Basheer L等［33］研究了这方面的问题，表明增大混凝土中粒径20mm的粗骨料的含量，混凝土的坍落度增大，抗压强度降低。戴朝阳等［34］发现混凝土抗压强度随粗骨料最大粒径的增大而增大，当粗骨料最大粒径＞20 mm时，抗压强度略有下降，总体来说，骨料粒径对高强混凝土的影响较显着。杨再富［35］通过试验研究得出混凝土中存在粒径效应，这种效应对中高强混凝土的影响较明显。孙永山认为粗骨料最大粒径对普通混凝土和高强混凝土都有较大影响。总之，粗骨料的粒径大小对混凝土的影响很复杂，对于粗骨料的粒径效应有必要进一步研究。骨料的颗粒级配是配制混凝土的关键，骨料颗粒级配不良的混凝土，施工过程中必然是浆、骨、水分离析，浇注成型艰巨，最后导致混凝土成品“蜂窝、狗洞、麻面”，进而降低混凝土强度，影响耐久性。级配良好的粗骨料孔隙率小，堆积密度大，配制的混凝土质量较好［37］。

粗骨料用量的影响

粗骨料的体积稳定性及强度都要优于砂浆，并且粗骨料的价格比水泥低，因此，适当增加粗骨料用量可以减小混凝土的收缩徐变，提高混凝土的耐久性，同时还可降低混凝土的成本。但是，粗骨料的用量也不能太高，否则混凝土中浆体过少，影响混凝土的和易性及界面粘结强度，降低混凝土的强度及耐久性。因此，混凝土中粗骨料的用量对混凝土性能的影响引起了研究者的极大关注。邢锋等通过对高性能混凝土中粗骨料的数量效应研究，指出混凝土中的粗骨料在一定体积用量范围内，随着粗骨料体积用量的增加，混凝土的强度也随之增加，Stock A F等的研究表明，当粗骨料体积用量为30%～40%时，混凝土的性能最差。

3结语

粗骨料在混凝土中起到骨架及引发并阻止裂缝的作用，它本身的种类、表面状态、最大粒径及级配、用量等都会影响到混凝土的性能。通常来讲，粗骨料是制约高强混凝土强度的因素，对于普通混凝土，单纯提高粗骨料强度并不能提高混凝土强度。骨

料的最大粒径不宜太小，那样会影响混凝土的工作性;但也不宜太大，否则会影响混凝土强度。级配良好的粗骨料比表面积小，紧密密度大，孔隙率小，同一水灰比的情况下配制出的混凝土工作性及耐久性好，强度高，而且还可节约水泥用量，有良好的经济效益。粗骨料在混凝土中起着刚性骨架的作用，因此配制混凝土时必须要有一定数量的粗骨料，骨料的用量也不易太高，否则会影响混凝土的工作性及界面性能，进而影响混凝土的强度及耐久性。但是，由于混凝土本身是一种宏观材料，加之粗骨料来源及性能的不确定性，实际研究中针对粗骨料某些性能对混凝土性能的影响并未取得一致结果，例如粗骨料粒径、粗骨料用量的影响，综合国内外的研究过程，几乎全是在大量的试验研究基础上得到定性的结果，而要从科学的角度定量研究粗集料对混凝土性能的影响，除了要进行大量的试验研究，还必须借助数值模拟技术。

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