集料級(jí)配對(duì)混凝土性能的影響研究

劉學(xué)民，宋海濤

（天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津市 300121）

0 引言

混凝土作為重要的建筑材料被廣泛地應(yīng)用于工程建設(shè)[1]。集料是混凝土中用量最大的組成成分，集料的顆粒級(jí)配對(duì)于混凝土的品質(zhì)有很大的影響，特別對(duì)于新拌混凝土，集料級(jí)配直接影響到其粘聚性、和易性等，進(jìn)而影響到硬化混凝土的強(qiáng)度及耐久性等性質(zhì)[2]，因此，選取合適的集料級(jí)配對(duì)于新拌混凝土和硬化混凝土性能均十分重要。

對(duì)于集料級(jí)配，已經(jīng)有過(guò)很多的研究，且都有自己的特點(diǎn)，但是很多成果應(yīng)用到實(shí)際工程中有很多不方便之處。本文對(duì)3種集料級(jí)配進(jìn)行研究，分析其對(duì)混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響。

1 集料的作用及級(jí)配理論

1.1 集料在混凝土中的作用

集料是混凝土重要的組成部分，在混凝土設(shè)計(jì)中占有重要的地位[3]?；炷潦且环N顆粒型多相復(fù)合材料，在實(shí)際應(yīng)用中，可將混凝土看作是兩相復(fù)合材料，即集料和砂漿體。集料在混凝土中所起的作用[4]大致可歸納如下4點(diǎn)。

（1）骨架增強(qiáng)作用

集料在混凝土中起著剛性骨架作用，提高了混凝土的強(qiáng)度和變形模量，使得混凝土比單純的水泥漿具有更好的體積穩(wěn)定性和耐久性。

（2）裂縫的引發(fā)和抑制作用

混凝土中適量的集料能提高混凝土的體積安定性能?；炷疗茐闹饕瞧鋬?nèi)部存在的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)果，結(jié)構(gòu)缺陷引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生，裂縫在荷載作用下不斷擴(kuò)展，但在混凝土復(fù)合體系中，集料既能引發(fā)裂縫，也能抑制裂縫的擴(kuò)展。

（3）控制溫度變形作用

混凝土中水泥及礦物外加劑的凝結(jié)硬化是一種水化放熱反應(yīng)，溫度變化引起的溫度應(yīng)力常導(dǎo)致混凝土開裂。由于集料在混凝土的凝結(jié)硬化過(guò)程中不發(fā)生反應(yīng)，對(duì)混凝土的溫度變形具有一定的抑制作用[5]。

1.2 混凝土集料級(jí)配理論

目前，在集料顆粒級(jí)配研究領(lǐng)域中有多種理論，如顆粒堆積理論、致密填充理論、包圍跺密理論等。這些理論都以實(shí)現(xiàn)集料的堆積密度最大化為目標(biāo)，下面簡(jiǎn)要介紹幾種集料級(jí)配理論[6]。

（1）致密配合比設(shè)計(jì)理論

致密配合比設(shè)計(jì)是指粒徑較大顆粒間的空隙由粒徑較小顆粒來(lái)填充，較小顆粒間的空隙再由更小的顆粒來(lái)填充。該設(shè)計(jì)方法需要進(jìn)行堆積試驗(yàn)，以確定相應(yīng)的最佳配比。

（2）粒子干涉理論

粒子干涉理論認(rèn)為：混合集料要達(dá)到最大堆集密度，需要集料顆粒逐級(jí)填充，并且填充空隙的顆粒粒徑應(yīng)控制在上一級(jí)顆粒間隙的距離以內(nèi)，以免不同顆粒之間發(fā)生干涉現(xiàn)象。粒子干涉理論要求測(cè)出集料每一粒徑顆粒的堆積密度，需要大量的試驗(yàn)工作。

（3）泰波（Talbol）理論

泰波級(jí)配曲線是在富勒曲線基礎(chǔ)上的改進(jìn)。富勒曲線是一種理想曲線，認(rèn)為當(dāng)集料的空隙率最小、密度最大時(shí)，集料的級(jí)配為最優(yōu)級(jí)配，但實(shí)際礦料組成難免有一定的波動(dòng)。泰波理論認(rèn)為，材料與曲線擬合時(shí)，需對(duì)材料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，并且根據(jù)原材料性能的變化及時(shí)地進(jìn)行混凝土配合比調(diào)整。

1.3 本文采用的級(jí)配設(shè)計(jì)方法

本文以集料級(jí)配設(shè)計(jì)理論為依據(jù)，選取3種級(jí)配分別研究不同級(jí)配對(duì)混凝土性能的影響。級(jí)配I為依據(jù)致密配合比設(shè)計(jì)理論配制的集料級(jí)配，級(jí)配II為按粒子干涉理論設(shè)計(jì)的集料級(jí)配，級(jí)配III為按泰波級(jí)配曲線計(jì)算出來(lái)的集料級(jí)配。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 原材料的技術(shù)性質(zhì)

本文采用的水泥為PO42.5普通硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范的要求。文中采用的細(xì)集料為河砂，粗集料為碎石，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 集料的性能技術(shù)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方案

混凝土配合比設(shè)計(jì)參考我國(guó)現(xiàn)行的《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）及相關(guān)高性能混凝土設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[7]?；炷林兴?、粗集料、細(xì)集料、水的比例如表2所示。

表2 混凝土中各材料的比例

本文將選取三種集料級(jí)配，分別研究不同集料級(jí)配對(duì)混凝土性能的影響。級(jí)配I為按致密配合比設(shè)計(jì)理論配制的未經(jīng)篩分的集料級(jí)配，級(jí)配II為按粒子干涉理論設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)篩分的集料級(jí)配，級(jí)配III為按泰波級(jí)配曲線計(jì)算出來(lái)的集料級(jí)配。

三種級(jí)配各粒徑集料比例如表3所示。

表3 三種不同集料級(jí)配各粒徑所占的比例

3 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

3.1 三種不同級(jí)配對(duì)水泥混凝土工作性的影響

按照試驗(yàn)規(guī)程對(duì)新拌混凝土進(jìn)行工作性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 新拌混凝土工作性試驗(yàn)結(jié)果

從表4中數(shù)據(jù)可以看出：

（1）三種級(jí)配所得的混凝土坍落度都滿足最低150 mm的設(shè)計(jì)要求，級(jí)配III所得的混凝土的保水性和流動(dòng)性優(yōu)于另外兩種級(jí)配的混凝土；

（2）級(jí)配Ⅲ所制的混凝土表觀密度最大，級(jí)配Ⅰ次之，級(jí)配Ⅱ最?。?/p>

（3）整體來(lái)講，三種級(jí)配的混凝土均具有較好的工作性，相比而言，級(jí)配Ⅲ所配的混凝土工作性最優(yōu)。

3.2 三種不同集料級(jí)配對(duì)水泥混凝土力學(xué)性能的影響

本文測(cè)定三種不同集料級(jí)配的混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度，分析不同級(jí)配對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示。

表5 不同級(jí)配混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表6 不同級(jí)配混凝土7 d、28 d抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表5、表6中數(shù)據(jù)可看出：

（1）不同的集料級(jí)配對(duì)混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度影響均較小，但對(duì)28 d抗壓、抗折強(qiáng)度影響較大。級(jí)配Ⅲ的混凝土比級(jí)配Ⅰ抗壓強(qiáng)度高2.2 MPa，抗折強(qiáng)度高0.26 MPa。

（2）不同的集料級(jí)配的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率有所差異。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，級(jí)配III的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率均為最高，抗壓強(qiáng)度52.0%，級(jí)配Ⅱ次之，級(jí)配Ⅰ的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)最小。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)分析，可以得出集料級(jí)配是影響混凝土性能的重要指標(biāo)。本文通過(guò)對(duì)三種集料級(jí)配設(shè)計(jì)的試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論。

（1）集料級(jí)配對(duì)混凝土的粘聚性影響較小，但是對(duì)坍落度、保水性、表觀密度影響較大，集料級(jí)配影響混凝土的工作性。

（2）集料級(jí)配對(duì)混凝土的抗彎拉強(qiáng)度影響較小，而對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較大，這與不同集料級(jí)配的混凝土孔隙發(fā)展具有直接的聯(lián)系。

（3）采用泰波理論曲線配制的集料級(jí)配所制作的混凝土的工作性及其力學(xué)性能均優(yōu)于其它兩種級(jí)配混凝土，因此混凝土配比設(shè)計(jì)中的集料級(jí)配可按泰波級(jí)配曲線來(lái)配制。

[1]任峰.集料對(duì)混凝土性能影響的試驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[2]傅沛興.論混凝土配合比的合理設(shè)計(jì)方法[J].建筑技術(shù)，2008，39（1）：50-55.

[3]梁天宇.粗集料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2004.

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[5]韓建國(guó)，閻培渝.粗骨料級(jí)配對(duì)混凝土強(qiáng)度發(fā)展歷程的影響[J].混凝土，2008，219(1)：62-63.

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