骨料含量對(duì)混凝土拉伸徐變等性能影響的試驗(yàn)研究

王新杰, 夏 群

(常州大學(xué) 土木工程系， 江蘇 常州 213164)

骨料含量對(duì)混凝土拉伸徐變等性能影響的試驗(yàn)研究

王新杰, 夏 群

(常州大學(xué) 土木工程系， 江蘇 常州 213164)

通過試驗(yàn)研究骨料含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和自收縮的影響，結(jié)果表明：混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度在1 d齡期時(shí)，受骨料含量的影響較?。还橇虾吭?5%～70%的范圍內(nèi)，混凝土3,7,14,28 d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉在隨著骨料含量的增加而逐漸增加，骨料含量在70%增加到75%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨著骨料含量的增加而逐漸減??；混凝土的拉伸徐變的變形隨骨料含量的增加而增大；混凝土的自收縮隨著骨料含量的增加而逐漸減小。

骨料含量; 抗壓強(qiáng)度; 劈裂抗拉強(qiáng)度; 自收縮

0 引 言

從宏觀結(jié)構(gòu)來說，混凝土是由砂漿和粗骨料兩種組分組成的結(jié)構(gòu)。因此，混凝土的性質(zhì)主要由水泥砂漿和骨料的性質(zhì)以及它們之間的相互作用決定。當(dāng)水膠比一定時(shí)，骨料的種類、體積含量、顆粒粒徑分布、形狀和級(jí)配等對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能有決定性作用[1]，目前國(guó)內(nèi)外的大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，但主要集中在研究骨料的種類、形狀和表面特征、粒徑和級(jí)配[2-6]，而骨料含量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響研究不多。因此，有必要研究骨料含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、收縮性能等進(jìn)行研究，以探討骨料含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、收縮性能以及拉伸徐變性能的影響[7]。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)所用的水泥為江蘇盤固水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

砂為普通的河砂，細(xì)度模數(shù)為3.0，含泥量為1.2%，表觀密度為2 650 kg/m3，顆粒級(jí)配良好，其具體篩分析的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 石子篩分析試驗(yàn)結(jié)果

石子為南京產(chǎn)5～25 mm碎石，級(jí)配良好，含泥量為0.2%，表觀密度為2 700 kg/m3，其顆粒級(jí)配見表2。

減水劑是由江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑JM-PCA，該減水劑的減水率達(dá)20%以上。

1.2混凝土的配合比

為了研究骨料含量對(duì)混凝土性能的影響，根據(jù)目前常用的骨料體積含量的范圍，文中設(shè)計(jì)了5個(gè)系列的試配合比，骨料的體積含量分別為75%,70%,65%,60%及55%。另外，為了消除水灰比等其它因素對(duì)混凝土性能的影響，在研究骨料含量對(duì)混凝土性能的影響時(shí)，采用水灰比和砂率保持不變，使水灰比保持為0.4，砂率為0.35，目標(biāo)塌落度為100 mm，經(jīng)多次試配后，得到的配合比見表3。

表2 砂篩分析試驗(yàn)結(jié)果

1.3試塊的制作與試驗(yàn)方法

混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)按照GBT50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行制作試件、養(yǎng)護(hù)和試驗(yàn)；混凝土的拉伸徐變?cè)囼?yàn)裝置是由自主設(shè)計(jì)的杠桿式拉伸徐變?cè)囼?yàn)裝置進(jìn)行加載，拉伸徐變?cè)嚰妥允湛s試件的變形是通過在混凝土中預(yù)埋兩個(gè)可固定位移計(jì)的變形測(cè)量架固定位移傳感器，拉伸徐變的變形在加載時(shí)用LVDT進(jìn)行測(cè)量，5 min后用機(jī)械千分表進(jìn)行測(cè)量，自收縮試件采用機(jī)械千分表進(jìn)行測(cè)量。澆筑成型后放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，1 d齡期后拆模，拉伸徐變和自收縮試件立即用鋁箔進(jìn)行密封，并測(cè)量1,3,7,14,28 d后的試件的變形。但在測(cè)量混凝土的收縮變形時(shí)，為了最大限度地減小混凝土試件下部支撐物體對(duì)收縮變形的約束，把混凝土試件放置在5個(gè)相互平行的滾軸上。本研究中混凝土拉伸徐變?cè)嚰募虞d齡期為3 d，加載應(yīng)力為加載時(shí)抗拉強(qiáng)度的40%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照前述標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，在混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)的齡期后，進(jìn)行了混凝土在1，3，7，14 ，28 d齡期時(shí)不同骨料含量混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和自收縮試驗(yàn)。

2.1骨料含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

不同骨料含量混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)展隨齡期的變化規(guī)律如圖1所示。

表3 混凝土的配合比

圖1 骨料體積含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出，在1 d齡期時(shí)，骨料含量為55%,60%,65%,70%,75%混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為10.8,10.6,13.4,12.9 MPa，可見在1 d齡期時(shí)，骨料含量對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響較小，甚至出現(xiàn)骨料含量為60%的混凝土早期抗壓強(qiáng)度比骨料含量為55%的增加略有減小的現(xiàn)象。而在3,7,14，28 d齡期時(shí)，骨料含量在55%～70%的范圍內(nèi)，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著骨料含量的增加而增加，但當(dāng)骨料含量從70%增加到75%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著骨料含量的增加而減小。

這是由于在混凝土中骨料起著骨架的作用，其強(qiáng)度大于水泥漿體的強(qiáng)度，而在1 d齡期時(shí)，由于水泥漿體的強(qiáng)度較低，骨料的剛性骨架作用還沒有完全發(fā)揮作用，因此出現(xiàn)混凝土的強(qiáng)度1 d齡期時(shí)會(huì)隨著骨料含量的增加而略有減小的現(xiàn)象。而在3 d齡期，水泥漿體的強(qiáng)度有了很大的發(fā)展，骨料的剛性骨架作用能夠充分體現(xiàn)出來，因此混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著骨料含量的增加而增加。另外，水泥漿體和骨料的界面處的弱粘結(jié)面(界面過渡區(qū))會(huì)隨著骨料含量逐漸增多，當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到一定程度時(shí)，弱粘結(jié)面的裂縫會(huì)自發(fā)發(fā)展。在上述兩個(gè)因素共同的作用下使混凝土的強(qiáng)度在骨料含量55%～70%之間隨著骨料含量的增加，骨料含量從70%增加到75%時(shí)，隨著骨料含量的增加而減小。

2.2骨料含量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

不同骨料含量混凝土的劈裂抗拉隨齡期發(fā)展的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 骨料體積含量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

從圖2中可以看出，骨料含量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度和混凝土抗壓強(qiáng)度的影響相似。在1 d齡期時(shí)，骨料含量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響較小。在3,7,14，28 d齡期時(shí)，骨料含量在55%～70%的范圍內(nèi)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度都隨著骨料含量的增加而增加，但當(dāng)骨料含量從70%增加到75%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著骨料含量的增加而減小。這是由于在1 d齡期時(shí)，水泥砂漿的強(qiáng)度較低，在進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度時(shí)，破壞的斷面主要表現(xiàn)為大量骨料從水泥漿體中拔出，斷面凸凹不平，因此在1 d齡期時(shí)，骨料含量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響不大。在3 d齡期以后，骨料含量在55%～70%的范圍內(nèi)，水泥漿體已有較大的強(qiáng)度，在破壞面上，粗骨料數(shù)量隨著骨料含量的增加，粗骨料從基材中拔出而產(chǎn)生的咬合力增大，但當(dāng)骨料從70%增加到75%時(shí)，雖然在破壞的斷面上粗骨料數(shù)量增大，但是隨著骨料含量的增加，包裹粗骨料的水泥砂漿層變薄，單個(gè)骨料的錨固力減小，因此使混凝土的劈裂抗拉在3 d齡期后在55%～70%范圍內(nèi)隨著骨料含量的增加而逐漸減小，在70%～75%范圍內(nèi)隨著骨料含量的增加而減小。

2.3骨料含量對(duì)混凝土基本拉伸徐變

到3 d齡期時(shí)，根據(jù)劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行徐變?cè)嚰募虞d。不同骨料含量混凝土的拉伸徐變的徐變度隨齡期發(fā)展的規(guī)律如圖3所示。

圖3 骨料體積含量對(duì)混凝土基本拉伸徐變的徐變度的影響

從圖3中可以看出，混凝土的徐變度在加載后12 h內(nèi)發(fā)展較快，12 h后發(fā)展速度逐漸減慢；混凝土的徐變度隨著骨料含量的增加而明顯增大，當(dāng)骨料含量從55%增加到75%時(shí)，混凝土的徐變度從19.4×10-6MPa增加到29.4×10-6MPa；在骨料含量增加相同的情況下，混凝土的徐變度增加的幅度越來越大，具體表現(xiàn)為，當(dāng)骨料含量從55%增加到70%時(shí)，混凝土的徐變度從19.4×10-6MPa增加到25.5×10-6MPa，僅增加了6.1×10-6MPa；而當(dāng)骨料從70%增加到75%時(shí)，混凝土的基本徐變度從25.5×10-6MPa增加到29.4×10-6MPa，增加了3.9×10-6MPa。

這是由于隨著骨料含量的增加，骨料和水泥漿體之間的接觸面積增加，它們之間的界面過渡區(qū)面積也增加，因此容易引入較大的初始裂紋，使混凝土中的初始微裂縫的數(shù)量增加，造成界面過渡區(qū)微裂縫開裂應(yīng)力降低。同時(shí)，隨著骨料含量增大，混凝土的斷裂強(qiáng)度(韌度)明顯減小 ，這相當(dāng)于降低了混凝土的初始開裂應(yīng)力[8]。另外當(dāng)骨料含量不同時(shí)，骨料含量越大，其復(fù)合吸水率越小，則混凝土內(nèi)部自由水含量相對(duì)增加，可遷移至微裂縫中水的數(shù)量也在增加[9]。因此在上述幾個(gè)方面共同作用下使界面過渡區(qū)初始微裂縫的開裂應(yīng)力減小。從微裂縫的觀點(diǎn)來看，混凝土的徐變隨著骨料含量的增加而逐漸增加。

另一方面，隨著骨料含量的增加，單位體積內(nèi)水化硅酸鈣凝膠體的數(shù)目減小，且由于復(fù)合吸水率降低，水泥漿體中自由水的含量的增加，使水化硅酸鈣凝膠體之間的距離增加，水泥漿體的孔隙率也逐漸增加，因此，從層間滑移理論來看，混凝土的拉伸徐變隨著骨料含量的增加而逐漸增大。

2.4骨料含量對(duì)混凝土自收縮的影響

為了測(cè)量混凝土的拉伸徐變的變形，必須扣除相應(yīng)時(shí)間的自由伸縮變形，不同骨料含量混凝土在1～10 d內(nèi)的自收縮隨齡期發(fā)展變化如圖4所示。

圖4 骨料含量對(duì)混凝土自收縮的影響

從圖4中可以看出，骨料含量是影響自收縮的一個(gè)主要因素，隨著骨料含量的增加，混凝土的自收縮逐漸減小，當(dāng)骨料含量從60%增加到75%時(shí)，1～10 d內(nèi)的自收縮值從113.75 με減小到65.0 με。一方面是由于混凝土中發(fā)生自收縮的主要組分是水泥石，因此骨料含量的增加，也就是減小水泥石的相對(duì)含量，因此可以減小混凝土的自收縮，另一方面，骨料對(duì)水泥石的限制作用，骨料含量越大，相鄰兩骨料間顆粒的間距越近，水泥石層的厚度就越小，骨料對(duì)水泥石收縮的約束作用就越明顯，從而使混凝土的自收縮減小。

3 結(jié) 語

1)骨料含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度規(guī)律相同，在1 d齡期時(shí)，骨料含量對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響較小，但在3，7，14，28 d齡期時(shí)，骨料含量在55%～70%的范圍內(nèi)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨著骨料含量的增加而逐漸增加，但當(dāng)骨料含量從70%增加75%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨著骨料含量的增加而減小。

2)混凝土的基本拉伸徐變的徐變度在加載后12 h內(nèi)發(fā)展較快，12 h后發(fā)展速度逐漸減慢；混凝土的徐變度隨著骨料含量的增加而明顯增大。

3)在相同的水灰比的情況下，骨料含量越大的混凝土自收縮越小，這說明混凝土的自收縮隨著骨料含量的增加而逐漸減小。

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Experimental study on the influence of aggregate content on the tensile creep and other properties of concrete

WANG Xin-jie, XIA Qun

(Department of Civil Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164， China)

The influences of aggregate content on the compressive strength, splitting tensile strength and autogenously shrinkage are studied in experiments. The results indicate that both compressive and splitting tensile strength change less with aggregate content addition at 1 d (one day) age, but may increase at the age of 3 d,7 d,14 d and 28 d when aggregate content variation is between 55 percent to 70 percent. The compressive and splitting tensile strength may be weaker when the aggregate content increases from 70 percent to 75 percent while the deformation caused by autogenously shrinkage may increase, and the autogenously shrinkage itself may decrease gradually.

aggregate content; compressive strength; splitting tensile strength; autogenous shrinkage.

2014-06-18

常州大學(xué)?；鹳Y助項(xiàng)目(ZMF1002122)

王新杰(1978-)，男，漢族，安徽淮北人，常州大學(xué)講師,博士，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)的基本性能和耐久性方向研究,E-mail:xiaqun@cczu.edu.cn.

TU 52

A

1674-1374(2014)05-0562-05