粗骨料粒形對(duì)混凝土性能的影響

王松亮，孫琳，馬樹(shù)泉

（1. 徐州中聯(lián)混凝土有限公司，江蘇 徐州 221100；2. 淮安固和新型建材有限公司，江蘇 淮安 223000）

0 前言

目前，混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料，而在混凝土中，粗骨料是其主要組成部分之一，約占混凝土質(zhì)量的 45%[1]。以前，粗骨料經(jīng)常被視為惰性填充材料，因而忽視其對(duì)混凝土性能的影響[2]；而隨著混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展及對(duì)混凝土研究的日益深入，粗骨料對(duì)混凝土性能的影響越來(lái)越受到重視。粗骨料的級(jí)配、吸水性、粒形、強(qiáng)度及所含有害物質(zhì)類(lèi)別等特性均對(duì)混凝土性能有所影響，而粒形是粗骨料品質(zhì)的決定性因素之一[3]。

粗骨料的粒形往往受到原始暴露條件和加工因素的影響[2]，棱角系數(shù)是衡量骨料顆粒粒形的指標(biāo)之一，即分別用顆粒粒徑尺寸變化不大的單粒級(jí)骨料與單一粒徑的玻璃球緊密填滿(mǎn)同一個(gè)容器時(shí)，其絕對(duì)體積比之差（采用玻璃球填滿(mǎn)時(shí)絕對(duì)體積比為 0.67:1）。單粒級(jí)骨料的棱角系數(shù) A 計(jì)算公式為：

式中：mg——容器中單粒級(jí)骨料的質(zhì)量，g；

ρg——容器中單粒級(jí)骨料的表觀密度，g/cm3；

V0——試驗(yàn)用容器的容積，cm3。

對(duì)于連續(xù)級(jí)配骨料，其棱角系數(shù)由各粒級(jí)的棱角系數(shù)與其比例乘積之和得到。顯然棱角系數(shù)過(guò)大的粗骨料，其品質(zhì)較差。本文擬通過(guò)采用不同棱角系數(shù)的粗骨料配制混凝土，研究粗骨料粒形對(duì)混凝土性能的影響。

1 原材料

（1）水泥：淮海中聯(lián) P·O42.5 水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量 27.8%，28d 抗壓強(qiáng)度 51.9MPa。

（2）粉煤灰：國(guó)華Ⅰ級(jí)灰，45μm 方孔篩篩余4.8%，28d 活性指數(shù)78%。

（3）礦粉：徐鋼 S95 級(jí)礦粉，流動(dòng)度比 101%，28d 活性指數(shù) 102%。

（4）天然河砂：Ⅱ區(qū)中砂，含泥量 1.5%，細(xì)度模數(shù) 2.7。

（5）碎石：公稱(chēng)粒徑 5～20mm 碎石，含泥量0.2%。

（6）水：市政自來(lái)水。

（7）外加劑：蘇博特 PCA-1 高性能減水劑，減水率 17.2%。

2 試驗(yàn)方法

取公稱(chēng)粒徑 5～20mm 的碎石進(jìn)行篩分，綜合考慮棱角系數(shù)與顆粒表面形態(tài)，結(jié)合肉眼觀察，對(duì)篩分后每一粒級(jí)的碎石進(jìn)行分類(lèi)并檢測(cè)棱角系數(shù)。將同粒形類(lèi)別的碎石按初始碎石的級(jí)配重新組合成粒形不同的5～20mm 碎石，計(jì)算組合碎石的棱角系數(shù)，碎石分類(lèi)結(jié)果見(jiàn)表 1。

表1 碎石粒形分類(lèi)結(jié)果

以分類(lèi)后的碎石為粗骨料分別配制混凝土，檢測(cè)混凝土的相關(guān)性能，試驗(yàn)以強(qiáng)度等級(jí) C50 的普通混凝土配合比為理論配合比，具體配合比見(jiàn)表 2。混凝土性能檢測(cè)參照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》與 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

表2 試驗(yàn)用 C50 理論配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 粗骨料粒形對(duì)混凝土工作性能的影響

以使用初始 5～20mm 碎石（G0）的混凝土配合比為基準(zhǔn)配合比，用組合碎石替換初始碎石配制混凝土并檢測(cè)混凝土工作性能，檢測(cè)結(jié)果如表 3 所示。

表3 不同粒形粗骨料的混凝土工作性能檢測(cè)結(jié)果

圖1 使用不同粒形粗骨料的混凝土坍落度變化

結(jié)果表明：碎石的棱角系數(shù)較小時(shí)，混凝土的工作性能隨碎石棱角系數(shù)的增加略有變化；當(dāng)碎石棱角系數(shù)超過(guò) 0.15 后，混凝土的工作性能急劇降低。初始碎石（G0）中存在部分粒行不規(guī)則顆粒，影響混凝土拌合物流動(dòng)性，因此雖然棱角系數(shù)較小，以其配制的混凝土工作性能卻較組合碎石（G3）略低。對(duì)比不同粒形的粗骨料，粒形越接近球形的顆粒越易于運(yùn)動(dòng)[4]，因此混凝土水膠比保持不變時(shí)，粗骨料粒形為圓球形、球形和近球形的混凝土工作性能較好；粗骨料粒形為次棱角形或棱角形時(shí)，粗骨料顆粒不僅本身運(yùn)動(dòng)困難，且不規(guī)則粗骨料顆粒較大的比表面積需要更多的漿體包裹，雙重因素導(dǎo)致混凝土工作性能迅速下降。

3.2 粗骨料粒形對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

以不同粒形的碎石為粗骨料配制混凝土，檢測(cè)硬化混凝土的力學(xué)性能，檢測(cè)結(jié)果如表 4 和圖 2、3 所示。

表4 不同粒形粗骨料的混凝土力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

圖2 使用不同粒形粗骨料的混凝土抗壓強(qiáng)度變化

圖3 使用不同粒形粗骨料的混凝土抗折強(qiáng)度變化

結(jié)果表明：粗骨料的棱角系數(shù)小于 1.5 時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨棱角系數(shù)的增加而略有增加；粗骨料棱角系數(shù)超過(guò) 1.5 時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度大幅降低；與抗壓強(qiáng)度相比，混凝土抗折強(qiáng)度對(duì)棱角系數(shù)的敏感性較低。一般來(lái)說(shuō)，表面粗糙、略帶棱角的粗骨料與硬化水泥石之間黏結(jié)較好[4]，因而混凝土的強(qiáng)度略高于使用圓潤(rùn)光滑粗骨料的混凝土；但粗骨料的不規(guī)則性過(guò)高也會(huì)使得混凝土內(nèi)部缺陷增多，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低。

4 結(jié)論

（1）混凝土內(nèi)粗骨料的棱角系數(shù)較低時(shí)，混凝土工作性能隨粗骨料棱角系數(shù)的增加略有降低，當(dāng)粗骨料棱角系數(shù)超過(guò) 1.5 時(shí)，混凝土工作性能迅速下降。

（2）粗骨料棱角系數(shù)低于 1.5 時(shí)，隨棱角系數(shù)增加混凝土抗壓強(qiáng)度略有提高，粗骨料棱角系數(shù)超過(guò) 1.5時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度大幅下降；與抗壓強(qiáng)度相比，混凝土抗折強(qiáng)度對(duì)粗骨料粒形的敏感性較低。

（3）對(duì)于混凝土來(lái)說(shuō)，粗骨料粒形為球形或近球形較好，圓球形稍次，次棱角形較差。