粗集料強度和級配對水泥混凝土抗彎拉強度的影響分析

王水

【摘要】為了探究粗集料強度、級配與路面混凝土抗彎拉強度之間的關系，在某省道路面加鋪試驗段中采用了不同單軸抗壓強度及不同級配的粗集料碎石進行混凝土施工，養(yǎng)生結束后取芯測定抗彎拉強度。試驗結果表明：集料的強度越高，其混凝土的抗彎拉強度能夠得到一定程度的提高，而級配對混凝土的抗彎拉強度影響更大。

【關鍵詞】粗集料；單軸抗壓強度；混凝土；抗彎拉強度

Analysis of the Impact of Coarse Aggregate Strength and Gradation on Flexural Tensile Strength of Concrete

Wang Shui

（Pingdingshan JiaYang Road and Bridge Engineering Co. Ltd Pingdingshan Henan 467000）

【Abstract】In order to study the relationship between the strength and gradation of coarse aggregate and the flexural tensile strength of concrete pavement， different uniaxial compressive strength and gradation of coarse aggregate crushed stone were adopted on the pavement overlay test-section of a provincial road during the construction. After the concrete curing， core samples were tested to get flexural tensile strength values. The results suggested that the flexural tensile strength of the concrete should be improved at some extent as the coarse strength gets higher， but the gradation influenced it greater.

【Key words】Coarse aggregate；Uniaxial compressive strength；Concrete；Tensile strength

集料是混凝土中最主要的組成材料。對于水泥混凝土來說，粒徑在5mm以上者，稱為粗集料；粒徑在5mm以下者，稱為細集料。過去在很長一段時期內(nèi)，許多學者都將集料視為混凝土中的惰性成分，認為其除了級配外，骨料的其他特性如強度及級配等對水泥混凝土以及水泥路面性能幾乎沒有影響^[1]。然而，粗、細集料在水泥混凝土中占有約80%的比例。因此，集料的特性如強度及級配對水泥混凝土的力學性能的形成的重要性不言而喻。為了進一步探究集料對水泥混凝土強度的作用，有必要研究集料特性如強度對水泥混凝土力學性能的影響。本文通過試驗研究，探索了粗集料強度、級配與路面混凝土抗彎拉強度之間的關系，為路面水泥混凝土施工中粗集料的選用提供相關經(jīng)驗。

1. 同一級配不同強度粗集料對混凝土抗彎拉強度的影響

1.1 試驗方案。

（1）某省道路面加鋪工程，加鋪26cm厚度的水泥混凝土面層，路面設計彎拉強度為5.0MPa。為了探明粗集料強度與路面混凝土抗彎拉強度之間的關系，試驗段路面水泥混凝土采用了四種不同強度、級配的粗集料，標準養(yǎng)生結束后取芯進行抗拉強度試驗。試驗方案如表1，各方案的粗集料篩分見圖1，方案1和方案3的級配篩分結果見表2，方案2和方案4的級配篩分結果見表3。各方案均取芯14個，進行彎拉強度試驗。

（2）由表5可知，4種方案混凝土的彎拉強度均滿足強度評定標準。在碎石強度低（76MPa）的情況下，方案1采用5～40mm碎石施工的路面混凝土抗彎拉強度（平均值5.34MPa），與方案2采用4.75～31.5mm碎石施工的路面混凝土抗彎拉強度（平均值5.33MPa）相當；在巖石強度高（130MPa）的情況下，方案3采用5～40mm碎石施工的路面混凝土抗彎拉強度（平均值5.60MPa），比方案4采用4.75～31.5mm碎石施工的路面混凝土抗彎拉強度（平均值5.95MPa）要低。同樣級配情況下，方案1比方案3的抗拉強度低，方案2比方案4的抗拉強度低，說明粗集料的強度對混凝土的抗彎拉強度有一定貢獻，粗集料的強度越高，其混凝土的抗彎拉強度能夠得到一定程度的提高。

（3）從圖2（a）、圖2（b）可以看出，芯樣破裂時，粗集料均與水泥漿形成整體共同受力而破壞，可見方案1和方案2都形成了骨架結構。從圖2（c）、圖2（d）可以看出，方案4碎石粗集料與水泥漿形成整體共同受力而破壞，形成了骨架結構；但是，方案3試件斷面出現(xiàn)了水泥漿沿大粒徑碎石表面剝離破壞的現(xiàn)象，可見部分粗集料與水泥漿沒有共同受力。分析其原因，可能是最大粒徑骨料含量較多造成斷面上骨料與水泥漿接觸面過大，而在水泥混凝土中，粗骨料和水泥漿的接觸面是其薄弱環(huán)節(jié)，說明粗集料的級配對混凝土的彎拉強度的影響作用。

2. 同一強度不同級配粗集料對混凝土抗彎拉強度的影響

上述可見，要想讓粗集料在混凝土中起到良好的骨架作用，應結合集料的強度選擇級配范圍，讓集料與水泥漿最好的共同受力，為此，我們做了以下試驗。

2.2.1 對于試驗方案一：

（1）采用低強度的粗集料配制混凝土，級配越粗，彎拉強度反而越低（篩孔31.5的通過率6.3%，在三種級配比較中屬于粗級配，彎拉強度只有5.7MPa；通過率7.4%，彎拉強度6.08MPa，而級配最細的級配3，彎拉強度能達到6.23MPa）。

（2）通過切開試件觀察，級配三的混凝土，由于粗集料中粗顆粒較少，中等顆粒較為集中，集料間排布密實，互相形成了骨架，同時集料均與水泥漿形成整體共同受力，大大了增加了其抗彎拉強度。

（3）進一步深入分析試驗一中的三種混凝土，選用Dmxa較小的粗骨料，水泥漿體和單個集料界面的過渡層周長和厚度均較小，難以形成大的缺陷，有利于界面強度的提高，這樣，即使集料的單軸抗壓強度不高，級配越細的混凝土抗彎拉強度由于級配的優(yōu)化得到了提升。

2.2.2 對于試驗方案二：

2.2.2.1 采用高強度的粗集料配制混凝土，三種級配下混凝土的彎拉強度均比低強度粗集料配制的混凝土大，也說明了，粗集料的單軸抗壓強度對混凝土的整體抗彎拉強度是有一定貢獻的。

2.2.2.2 從這三種級配的粗細分析，最粗級配的級配三（31.5的通過率只有3.6%），其配制的混凝土彎拉強度反而最低，只有5.88MPa，而級配一和級配二均比其大，說明采用高強度碎石配制混凝土時，不能夠盲目選擇粗級配的粗集料。

2.2.2.3 但另一方面比較級配一和級配二發(fā)現(xiàn)，粗級配的粗集料對混凝土的整體抗彎拉強度又是有好處的（31.5通過率為4.2%的級配二，其配制的混凝土抗彎拉強度達到6.62MPa），因此說明，級配的作用比單集料強度的作用更大，即級配對混凝土強度的影響更大。從后來三種級配下的混凝土切開觀察得到證實：

（1）級配一：粗集料被大部分中小集料包圍，粗顆粒間難以形成有效支撐，骨架作用主要體現(xiàn)在中粗集料之間的嵌擠作用，但此時還是有部分粗集料與水泥漿沒有共同受力。

（2）級配二：粗集料間嵌擠密實，骨架作用明顯，水泥漿與集料間充分結合，共同受力。

（3）級配三：粗集料的粗顆粒較大，局部形成了離析，水泥漿分布不均，無法與較多的粗集料共同受力。

3. 結語

3.1 通過上述的試驗對比，對粗集料強度、級配與路面混凝土抗彎拉強度之間的關系取得了初步性探索，綜合試驗結果，可得到以下結論：

（1）粗集料的強度（單軸抗壓強度）對混凝土的抗彎拉強度是有一定影響的，集料的強度越高，其混凝土的抗彎拉強度能夠得到一定程度的提高。

（2）能夠不破壞混凝土骨架作用的級配，其抗彎拉強度較高，級配對混凝土的抗彎拉強度的影響比粗集料強度大。

（3）對于單軸抗壓強度較高的粗集料來說，最大公稱粒徑及最大粒徑含量應適當減小，從而使粗集料與水泥漿形成整體

共同受力，形成骨架作用。

3.2 通過分析粗集料的強度與顆粒級配對混凝土強度的影響，由上述的顆粒級配與碎石強度、混凝土強度關系可知：粗集料的選擇應綜合考慮碎石的強度與級配相結合的原則。

（1） 當碎石強度較低時，不同盲目認為粗集料中粗顆粒越多，其骨架作用越強，宜充分比較優(yōu)化整個混凝土的配比組成，選擇較細的顆粒級配，利于骨架的形成。

（2） 當碎石強度較高時，也同樣宜選擇相對較細的顆粒級配，防止其破壞混凝土整體骨架性，這樣即能發(fā)揮粗集料的強度作用，又能發(fā)揮混凝土整體的骨架作用。

參考文獻

[1] 余勇.水泥混凝土路面病害機理及對策研究[D].武漢：華中科技大學，2006.

[2] GBJ 97-87，水泥混凝土路面施工及驗收規(guī)范.

[3] JTG F30-2003，公路水泥混凝土路面施工技術規(guī)范.

（2）通過切開試件觀察，級配三的混凝土，由于粗集料中粗顆粒較少，中等顆粒較為集中，集料間排布密實，互相形成了骨架，同時集料均與水泥漿形成整體共同受力，大大了增加了其抗彎拉強度。

（3）進一步深入分析試驗一中的三種混凝土，選用Dmxa較小的粗骨料，水泥漿體和單個集料界面的過渡層周長和厚度均較小，難以形成大的缺陷，有利于界面強度的提高，這樣，即使集料的單軸抗壓強度不高，級配越細的混凝土抗彎拉強度由于級配的優(yōu)化得到了提升。

2.2.2 對于試驗方案二：

2.2.2.1 采用高強度的粗集料配制混凝土，三種級配下混凝土的彎拉強度均比低強度粗集料配制的混凝土大，也說明了，粗集料的單軸抗壓強度對混凝土的整體抗彎拉強度是有一定貢獻的。

2.2.2.2 從這三種級配的粗細分析，最粗級配的級配三（31.5的通過率只有3.6%），其配制的混凝土彎拉強度反而最低，只有5.88MPa，而級配一和級配二均比其大，說明采用高強度碎石配制混凝土時，不能夠盲目選擇粗級配的粗集料。

2.2.2.3 但另一方面比較級配一和級配二發(fā)現(xiàn)，粗級配的粗集料對混凝土的整體抗彎拉強度又是有好處的（31.5通過率為4.2%的級配二，其配制的混凝土抗彎拉強度達到6.62MPa），因此說明，級配的作用比單集料強度的作用更大，即級配對混凝土強度的影響更大。從后來三種級配下的混凝土切開觀察得到證實：

（1）級配一：粗集料被大部分中小集料包圍，粗顆粒間難以形成有效支撐，骨架作用主要體現(xiàn)在中粗集料之間的嵌擠作用，但此時還是有部分粗集料與水泥漿沒有共同受力。

（2）級配二：粗集料間嵌擠密實，骨架作用明顯，水泥漿與集料間充分結合，共同受力。

（3）級配三：粗集料的粗顆粒較大，局部形成了離析，水泥漿分布不均，無法與較多的粗集料共同受力。

3. 結語

3.1 通過上述的試驗對比，對粗集料強度、級配與路面混凝土抗彎拉強度之間的關系取得了初步性探索，綜合試驗結果，可得到以下結論：

（1）粗集料的強度（單軸抗壓強度）對混凝土的抗彎拉強度是有一定影響的，集料的強度越高，其混凝土的抗彎拉強度能夠得到一定程度的提高。

（2）能夠不破壞混凝土骨架作用的級配，其抗彎拉強度較高，級配對混凝土的抗彎拉強度的影響比粗集料強度大。

（3）對于單軸抗壓強度較高的粗集料來說，最大公稱粒徑及最大粒徑含量應適當減小，從而使粗集料與水泥漿形成整體

共同受力，形成骨架作用。

3.2 通過分析粗集料的強度與顆粒級配對混凝土強度的影響，由上述的顆粒級配與碎石強度、混凝土強度關系可知：粗集料的選擇應綜合考慮碎石的強度與級配相結合的原則。

（1） 當碎石強度較低時，不同盲目認為粗集料中粗顆粒越多，其骨架作用越強，宜充分比較優(yōu)化整個混凝土的配比組成，選擇較細的顆粒級配，利于骨架的形成。

（2） 當碎石強度較高時，也同樣宜選擇相對較細的顆粒級配，防止其破壞混凝土整體骨架性，這樣即能發(fā)揮粗集料的強度作用，又能發(fā)揮混凝土整體的骨架作用。

參考文獻

[1] 余勇.水泥混凝土路面病害機理及對策研究[D].武漢：華中科技大學，2006.

[2] GBJ 97-87，水泥混凝土路面施工及驗收規(guī)范.

[3] JTG F30-2003，公路水泥混凝土路面施工技術規(guī)范.

（2）通過切開試件觀察，級配三的混凝土，由于粗集料中粗顆粒較少，中等顆粒較為集中，集料間排布密實，互相形成了骨架，同時集料均與水泥漿形成整體共同受力，大大了增加了其抗彎拉強度。

（3）進一步深入分析試驗一中的三種混凝土，選用Dmxa較小的粗骨料，水泥漿體和單個集料界面的過渡層周長和厚度均較小，難以形成大的缺陷，有利于界面強度的提高，這樣，即使集料的單軸抗壓強度不高，級配越細的混凝土抗彎拉強度由于級配的優(yōu)化得到了提升。

2.2.2 對于試驗方案二：

2.2.2.1 采用高強度的粗集料配制混凝土，三種級配下混凝土的彎拉強度均比低強度粗集料配制的混凝土大，也說明了，粗集料的單軸抗壓強度對混凝土的整體抗彎拉強度是有一定貢獻的。

2.2.2.2 從這三種級配的粗細分析，最粗級配的級配三（31.5的通過率只有3.6%），其配制的混凝土彎拉強度反而最低，只有5.88MPa，而級配一和級配二均比其大，說明采用高強度碎石配制混凝土時，不能夠盲目選擇粗級配的粗集料。

2.2.2.3 但另一方面比較級配一和級配二發(fā)現(xiàn)，粗級配的粗集料對混凝土的整體抗彎拉強度又是有好處的（31.5通過率為4.2%的級配二，其配制的混凝土抗彎拉強度達到6.62MPa），因此說明，級配的作用比單集料強度的作用更大，即級配對混凝土強度的影響更大。從后來三種級配下的混凝土切開觀察得到證實：

（1）級配一：粗集料被大部分中小集料包圍，粗顆粒間難以形成有效支撐，骨架作用主要體現(xiàn)在中粗集料之間的嵌擠作用，但此時還是有部分粗集料與水泥漿沒有共同受力。

（2）級配二：粗集料間嵌擠密實，骨架作用明顯，水泥漿與集料間充分結合，共同受力。

（3）級配三：粗集料的粗顆粒較大，局部形成了離析，水泥漿分布不均，無法與較多的粗集料共同受力。

3. 結語

3.1 通過上述的試驗對比，對粗集料強度、級配與路面混凝土抗彎拉強度之間的關系取得了初步性探索，綜合試驗結果，可得到以下結論：

（1）粗集料的強度（單軸抗壓強度）對混凝土的抗彎拉強度是有一定影響的，集料的強度越高，其混凝土的抗彎拉強度能夠得到一定程度的提高。

（2）能夠不破壞混凝土骨架作用的級配，其抗彎拉強度較高，級配對混凝土的抗彎拉強度的影響比粗集料強度大。

（3）對于單軸抗壓強度較高的粗集料來說，最大公稱粒徑及最大粒徑含量應適當減小，從而使粗集料與水泥漿形成整體

共同受力，形成骨架作用。

3.2 通過分析粗集料的強度與顆粒級配對混凝土強度的影響，由上述的顆粒級配與碎石強度、混凝土強度關系可知：粗集料的選擇應綜合考慮碎石的強度與級配相結合的原則。

（1） 當碎石強度較低時，不同盲目認為粗集料中粗顆粒越多，其骨架作用越強，宜充分比較優(yōu)化整個混凝土的配比組成，選擇較細的顆粒級配，利于骨架的形成。

（2） 當碎石強度較高時，也同樣宜選擇相對較細的顆粒級配，防止其破壞混凝土整體骨架性，這樣即能發(fā)揮粗集料的強度作用，又能發(fā)揮混凝土整體的骨架作用。

參考文獻

[1] 余勇.水泥混凝土路面病害機理及對策研究[D].武漢：華中科技大學，2006.

[2] GBJ 97-87，水泥混凝土路面施工及驗收規(guī)范.

[3] JTG F30-2003，公路水泥混凝土路面施工技術規(guī)范.