粗集料對高性能混凝土的影響與技術(shù)研究

【摘 要】本文分析了粗集料中強(qiáng)度、彈性模量、最大粒徑、顆粒級配、形狀與表面狀態(tài)及有害雜質(zhì)等諸多因素對高性能混凝土的影響，提出了高性能混凝土所用粗集料的幾項重要指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】粗集料；高性能混凝土；技術(shù)指標(biāo)

在高性能混凝土原材料的研究中，注重研究水泥、摻合料和外加劑的較多，而對集料的研究討論較少。眾所周知，在混凝土整個體積中，集料要占60%以上，集料的質(zhì)量對混凝土性能的影響至關(guān)重要，對高性能混凝土更加突出。本文就粗集料的物理性質(zhì)對高性能混凝土的影響分述如下，希望能引起同行更多的關(guān)注。

1.強(qiáng)度與彈性模量

粗集料是混凝土組織結(jié)構(gòu)中的大骨架，通常使用碎石或卵石。質(zhì)地優(yōu)良的碎石或卵石的強(qiáng)度大都高于普通混凝土強(qiáng)度的2～4倍。因此，在普通混凝土中，粗集料的強(qiáng)度對混凝土強(qiáng)度的影響不大，但對高性能混凝土則大不相同。高性能混凝土的水膠比較小，水泥砂漿構(gòu)成的水泥石強(qiáng)度較高，所以要求粗集料的強(qiáng)度也要相應(yīng)提高。從混凝土抗壓強(qiáng)度試驗時就可以看到，高性能混凝土破壞時，有粗集料破碎的現(xiàn)象，這在普通混凝土中是少見的。在配制高性能混凝土?xí)r，要充分考慮到粗集料的強(qiáng)度。在工程中，一般衡量粗集料強(qiáng)度大都采用壓碎指標(biāo)，但有的施工規(guī)范中提出C60級以上的混凝土用集料，要做巖石抗壓強(qiáng)度試驗，我們認(rèn)為巖石抗壓強(qiáng)度試驗所測定的是原巖石的質(zhì)量，而不是在混凝土中使用集料質(zhì)量，集料的壓碎指標(biāo)試驗，更接近集料在混凝土中的受力情況，所以用壓碎指標(biāo)來反映粗集料的強(qiáng)度更符合實際。此方法測定簡便，對于粗集料中軟弱顆粒的鑒別力更強(qiáng)。根據(jù)我們的試驗，高性能混凝土用粗集料的壓碎指標(biāo)不宜大于10%。

粗集料的彈性模量直接影響著混凝土的強(qiáng)度和彈性模量。M. F.卡普蘭（Kaplan）研究了粗集料彈性模量、顆粒形狀、表面特征對高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響程度如表1。

一般地說，集料的彈性模量越高，制得混凝土強(qiáng)度和彈性模量也越高。對彈性模量有較高要求的預(yù)應(yīng)力混凝土，要進(jìn)行粗集料彈性模量試驗，只有集料的彈性模量高，才能配制出高彈性模量的混凝土。由于測定集料彈性模量比較費(fèi)力，所以很少有人測定。集料的彈性模量同集料的表現(xiàn)密度存在著顯著的線性關(guān)系，如圖1所示。因此，可用測定集料表觀密度的方法間接求得集料的彈性模量。

集料的彈性模量還影響著混凝土的徐變，這是由于集料對水泥石約束作用的結(jié)果。集料的彈性模量越大應(yīng)力混凝土因徐變而引起的預(yù)應(yīng)力損失更為重要。各種集料的彈性模量取決于巖石本身的組成結(jié)構(gòu)，其變化范圍較大，致密的花崗巖的彈性模量可高達(dá)8.81×104MPa，而凝灰?guī)r的彈性模量只有0.60×104MPa。用于高性能混凝土的集料，其彈性模量要高于混凝土彈性模量的設(shè)計值。

2.最大粒徑與顆料級配

粗集料的最大粒徑也是影響高性能混凝土的重要因素之一。在普通混凝土中，粗集料的最大粒徑是根據(jù)構(gòu)件的裁面尺寸和鋼筋間距來確定，粒徑的大小對其強(qiáng)度影響不大。高性能混凝土粗集料的最大粒徑應(yīng)根據(jù)混凝土的強(qiáng)度等級和集料界面的粘結(jié)強(qiáng)度由試驗決定。集料粒徑對混凝土強(qiáng)度的影響，主要來自三個方面：一是顆粒內(nèi)部缺陷，粒徑越大，缺陷存在的機(jī)率越大；二是集料界面的粘結(jié)強(qiáng)度，粒徑越大，界面粘結(jié)強(qiáng)度越低；三是顆粒在混凝土拌合物中的運(yùn)動速度，顆粒運(yùn)動速度遵循v=2r2（ρ-ρc）/9η（v為運(yùn)動速度，r為顆粒半徑）的運(yùn)動方程，粒徑越大，下沉速度越快，造成混凝土內(nèi)顆粒分布不均勻，進(jìn)而使硬化后的混凝土強(qiáng)度降低，特別是流動性較大的泵送混凝土更加明顯。A.M內(nèi)維爾建議混凝土強(qiáng)度為60～100MPa時，石子的最大粒徑不宜大于20mm，中國水利水電科學(xué)研究院采用最大粒徑40mm的石子，配制出了強(qiáng)度為86.1MPa的泵送混凝土，用最大粒徑80mm的石子配制出75.2MPa的高強(qiáng)混凝土，并在工程中應(yīng)用。我們認(rèn)為高性能混凝土粗集料的最大粒徑要選擇小一些為宜，但也不是說料徑越小越好。粒徑太小，使得石子的比表面積增加.空隙率增大，勢必要增加水泥用量提高造價，否則會影響混凝土強(qiáng)度。同時粒徑越小加工時粘附在石子表面上的粉塵越多，給施工沖洗帶來困難，一旦沖洗不徹底，則會大大削弱集料界面的粘結(jié)力，進(jìn)而降低混凝土的強(qiáng)度。在奉云線高速公路新梅子溝大橋施工中就出現(xiàn)了使用5-10mm碎石，混凝土強(qiáng)度降低的現(xiàn)象，在奉云線高速公路配合比試驗時也出現(xiàn)了類似情況。我們進(jìn)行了復(fù)驗，結(jié)果如表2。

在試驗中我們還發(fā)現(xiàn)，粒徑?。?～l0mm）的碎石降低混凝土強(qiáng)度，除粉塵作用外，還同石灰石中存在方解石巖脈有關(guān)，方解石巖脈強(qiáng)度低，粒徑小時不宜剔除。因此，根據(jù)試驗和目前國家石子級配分級標(biāo)準(zhǔn)，我們認(rèn)為高性能混凝土粗集料最大粒徑不宜超過31.5mm，對5～10mm的細(xì)石要適當(dāng)控制。

良好的集料級配可用較少的水泥漿制得流動性好、泌水少，不離析的混凝土拌合物，硬化后得到均勻密實的混凝土。我國的粗集料資源較為豐富，較高強(qiáng)度的石灰?guī)r、花崗巖各地均有，但由于開采加工及運(yùn)輸上的問題，使得目前市場上銷售的粗集料級配不良，空隙率大，這給高性能混凝土的開發(fā)和應(yīng)用帶來一定困難。在工程中除按規(guī)定進(jìn)行石子篩分試驗外，還要測定石子的表觀密度和堆積密度，按式P= （1-ρ0/ρ'0）×100%計算出空隙率。在石子表觀密度一定的條件下，堆積密度越大，空隙率越小，石子的級配越好。一般碎石的空隙率控制在44%以內(nèi)為宜。

高性能混凝土最好使用連續(xù)級配的粗集料，如果不具備連續(xù)級配的集料，可以將兩種單粒級配混合成連續(xù)級配，在特定條件下也可以使用單粒級配。例如我們用10～20mm的碎石配制了C50級的泵送混凝土用于奉云線高速公路工程中。

3.顆拉形狀與表面狀態(tài)

粗集料的顆粒形狀以圓球或立方體形為最優(yōu)，含有較多的針、片狀顆粒.將增加空隙率，降低混凝土拌合物的和易性，集料界面粘結(jié)力下降，并且針、片狀顆粒受力時容易折斷，進(jìn)而影響混凝土的強(qiáng)度。對針、片狀顆粒對混凝土性能的影響，我們的試驗結(jié)果如表3。

從表3可以看出，針、片狀顆粒含量不僅影響混凝土的和易性、強(qiáng)度，同時還影響抗?jié)B性能。因此，對針、片狀顆粒含量要加以控制，根據(jù)我們的試驗，控制在5%以內(nèi)為宜。

集料的表面狀態(tài)主要是指粗糙程度和孔隙的特征。它們影響集料同水泥石的粘結(jié)，從而影響混凝土的強(qiáng)度，尤其是抗壓強(qiáng)度，表1也充分說明這一點(diǎn)。在普通混凝土中，水灰比相同，表面粗糙的碎石配制的混凝土強(qiáng)度比表面光滑的卵石配制的混凝土強(qiáng)度高約10%，這是由于卵石是經(jīng)地質(zhì)時期千萬年以上形成，表面光滑活性低，雖然拌合物流動性好，但卵石與水泥砂漿的粘結(jié)力差；碎石表面粗糙且多棱角，與水泥砂漿粘結(jié)力強(qiáng)，同時碎石是近期加工破碎而成，表面活性較高，既有破碎時形成的表面斷鍵產(chǎn)生的剩余鍵力，又有表面氧離子的離子化傾向，使碎石表面成為化學(xué)反應(yīng)較活躍的區(qū)域，與水泥接觸即發(fā)生較強(qiáng)的界面作用。因此，碎石混凝土比卵石混凝土強(qiáng)度高，特別是低水灰比的高性能混凝土表現(xiàn)得更加明顯。圖2是不同集料品種對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。由此得出結(jié)論：高性能混凝土應(yīng)優(yōu)先選用表面粗糙多棱角的碎石。

4.雜質(zhì)與有害物質(zhì)

粗集料中常含有一些粉塵、粘土、泥塊及有害物質(zhì)，如硫化物、氯化物等，它們對混凝土的性質(zhì)將產(chǎn)生不同程度的影響。粉塵、粘土常包裹在石子的表面，形成一層粘結(jié)能力很弱的薄膜，降低石子與水泥砂漿的粘結(jié)力，使混凝土強(qiáng)度降低。粉塵、粘土含量多時還會增加混凝土的干縮和徐變，降低抗?jié)B性進(jìn)而影響混凝土的耐久性。泥塊對混凝土的影響與粘土基本相同，但由于泥塊顆粒較大，在混凝土中成為較大的缺陷或薄弱部分，因而對混凝土的影響更大。有害物質(zhì)中硫酸鹽與硫化物及有機(jī)質(zhì)對水泥石均有腐蝕作用，超出限量就要破壞混凝土結(jié)構(gòu)，氯鹽在混凝土中銹蝕鋼筋。所以對粗集料中的雜質(zhì)與有害物質(zhì)含量要進(jìn)行控制，必須符合建筑用碎石、卵石等級標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14685-2001）中的優(yōu)等品。詳見表4。

在有害物質(zhì)中，特別值得提出的是堿集料問題。夾雜著活性氧化硅的集料稱為堿集料，當(dāng)水泥中的堿份較高（折算成Na20>6%）時，在潮濕環(huán)境中骨料會產(chǎn)生堿—集料反應(yīng)。目前我國水泥原材料的含堿量普遍較大，已有不少地區(qū)發(fā)現(xiàn)有由堿—集料反應(yīng)產(chǎn)生混凝破壞的實例。盡管有關(guān)部門已制定了相應(yīng)規(guī)定，來限制水泥中的堿含量和由于外加劑的摻入而引入混凝土中的堿量，而且高性能混凝土中使用較大量的礦物細(xì)摻料對堿—集料反應(yīng)還有抑制作用，但當(dāng)由于某些原因使礦物細(xì)摻料的摻量達(dá)不起抑制作用的摻量，而混凝土中的堿含量又難以抑制時，最好還是選擇沒有或盡量低堿活性的粗集料。粗集料堿活性的檢驗不能單獨(dú)使用一種評價方法，尤其對于碳酸鹽類或既含有SiO2又含有碳酸鹽的巖石更是如此，而應(yīng)輔之采用有關(guān)的快速養(yǎng)護(hù)后測膨脹率的方法。

5.結(jié) 論

5.1粗集料應(yīng)選擇質(zhì)地優(yōu)良的碎石或卵石，其彈性模量要高于混凝土彈性模量的設(shè)計值。

5.2高性能混凝土粗集料最大粒徑不宜超過31.5mm，對5～10mm的細(xì)石要適當(dāng)控制。同時最好使用連續(xù)級配的粗集料。

5.3高性能混凝土應(yīng)優(yōu)先選用表面粗糙的多棱角的碎石。

5.4高性能混凝土選擇沒有或盡量低堿活性的粗集料。