粗骨料形狀對(duì)水工混凝土強(qiáng)度性能影響試驗(yàn)研究

黃 偉，丁 宇，呂柏穎，田儀帥，黃耀英

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

混凝土是一種建筑材料，其由砂石骨料、膠結(jié)材料和水按一定比例組成的拌合物?；炷辆哂心退阅芎?、原材料豐富、高強(qiáng)度、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為世界上使用最多的建筑材料。影響混凝土強(qiáng)度的因素主要有水泥等級(jí)、集料、水灰比、齡期、養(yǎng)護(hù)條件等[1- 6]，其中，骨料占據(jù)混凝土組成的60%～70%[7]，是研究混凝土性能的關(guān)鍵因素。

目前，關(guān)于粗骨料的物理性能和化學(xué)成分等對(duì)于混凝土力學(xué)性能的影響研究較多。喬宏霞[8]等研究了4種不同粗骨料級(jí)配的透水混凝土性能，結(jié)果表明單一級(jí)配粗骨料配制的透水混凝土隨著骨料粒徑的增大，透水混凝土強(qiáng)度降低，連續(xù)級(jí)配粗骨料配制的透水混凝土強(qiáng)度最高。Larrard[9]等采用了5種巖性集料，開(kāi)展了13組試驗(yàn)，結(jié)果顯示混凝土的強(qiáng)度決定于粗集料巖性本身的強(qiáng)度；Zhou[10]等使用相同的粗骨料含量(42.5%)和配合比，開(kāi)展了6種不同類(lèi)型粗骨料的混凝土力學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粗集料本身彈性模量、強(qiáng)度決定了混凝土的彈性模量和強(qiáng)度；沈嫣秋[11]研究了粗骨料對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)粗骨料對(duì)低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的影響不明顯，但對(duì)高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能有較大影響。李文偉[12]等認(rèn)為對(duì)于水膠比為0.4和0.5左右的普通混凝土而言，混凝土的強(qiáng)度和骨料強(qiáng)度沒(méi)有直接關(guān)系。關(guān)于粗骨料形狀對(duì)強(qiáng)度性能影響也有一些報(bào)道，例如黃曉峰[13]認(rèn)為粗骨料的種類(lèi)、強(qiáng)度、體積率、最大粒徑、形狀以及級(jí)配都將導(dǎo)致自密實(shí)混凝土的性能不同。葉丹燕[14]等認(rèn)為粗骨料形狀的復(fù)雜程度對(duì)試件的最終受壓破壞形態(tài)有著顯著的影響。粗骨料形狀對(duì)纖維混凝土彎拉強(qiáng)度的影響要大于抗壓強(qiáng)度的影響。邢心魁[15]等認(rèn)為混凝土單軸受壓強(qiáng)度與粗骨料與砂漿基質(zhì)的接觸面積、形貌有關(guān)，接觸面積越大，外表形狀不規(guī)則強(qiáng)度越高；徐海軍[16]等認(rèn)為片狀骨料含量的增加對(duì)混凝土的強(qiáng)度有一定的影響，往往使混凝土的強(qiáng)度降低，針狀骨料相對(duì)片狀骨料對(duì)混凝土的性能影響較小。張景琦[17]等認(rèn)為硬化混凝土的抗壓強(qiáng)度隨粗骨料針片狀含量的增加而降低，并且對(duì)高強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響較低強(qiáng)度等級(jí)混凝土更為明顯。另外，還有一些從數(shù)值建模的角度開(kāi)展的對(duì)骨料形狀的研究報(bào)道，例如郭瑞奇[18]等基于Fortran和ANSYS軟件提出了一種快速生成含高體分比球形骨料混凝土模型的混合實(shí)現(xiàn)方法；劉昊棟[19]建立基于Voronoi骨料的三維動(dòng)態(tài)劈裂抗拉數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)骨料形狀對(duì)于劈拉裂縫方向延展的影響。孫國(guó)立[20]對(duì)比了不同骨料形狀(二維的為圓形、任意多邊形，三維的為球形和任意多面體)的三級(jí)配混凝土簡(jiǎn)支梁的彎拉強(qiáng)度的數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)任意多邊形或任意多面體骨料試件的極限承載力總體上要大于圓形或球形骨料試件。葉永[21]等采用相同的骨料粒徑和骨料比重，對(duì)3種不同骨料形狀的混凝土試件模型進(jìn)行斷裂過(guò)程的數(shù)值模擬，得出結(jié)果，不同骨料形狀的混凝土試件在單軸拉伸時(shí)的應(yīng)力峰值不同，但差別很小。以上研究表明，骨料形狀對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響具有不確定性，而且無(wú)論是試驗(yàn)還是數(shù)值模擬，很難對(duì)粗骨料的形狀進(jìn)行控制。一些研究者通常采用人工加工的球形或橢球形骨料進(jìn)行試驗(yàn)或者將骨料模擬成圓形、橢圓形或多邊形等規(guī)則的形狀進(jìn)行分析和數(shù)值計(jì)算。這與實(shí)際骨料的構(gòu)成存在較大差異。

混凝土粗骨料形貌各異，很難對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確地描述和定義，并且在混凝土試驗(yàn)中，粗骨料用量大，要測(cè)量獲得骨料的特征尺寸，所需工作量極大，這限制了粗骨料形狀對(duì)混凝土性能影響的試驗(yàn)研究致使關(guān)于粗骨料形狀對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響還不明確。為探究粗骨料形狀對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，本文在引入球度和扁平度的基礎(chǔ)上，通過(guò)人工分揀對(duì)骨料進(jìn)行區(qū)分，并設(shè)計(jì)了3種不同骨料配比、不同齡期(7 d，28 d，60 d)的組合，最后針對(duì)0.5水膠比的混凝土試件開(kāi)展了抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)，探討粗骨料形狀對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的影響。

1 粗骨料形狀對(duì)混凝土強(qiáng)度性能影響試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

試驗(yàn)所用水泥為PO42.5華新牌普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為本地區(qū)產(chǎn)的II級(jí)粉煤灰；拌和用水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水；細(xì)骨料為細(xì)砂，采自長(zhǎng)江(宜昌段)河砂；粗骨料為花崗巖碎石，其粒徑為5～40 mm，其中小石粒徑5～20 mm，中石粒徑20～40 mm；減水劑選用聚羧酸高效減水劑。參考中國(guó)西南地區(qū)典型混凝土壩濕篩二級(jí)配混凝土，采用的配合比如表1所示，其中水膠比為0.5，砂率為34%，粉煤灰摻量為35%，小石∶中石=40∶60。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 骨料形狀描述方法

為了較好地對(duì)片狀和塊狀粗骨料進(jìn)行區(qū)分，如圖1所示，本文采用Gallowa[22]和Quiroga[23]提出的球度E和扁平度F指標(biāo)來(lái)對(duì)不同形狀骨料進(jìn)行定量描述，即

(1)

(2)

式中，L、I、S為骨料的特征尺寸，它們分別為3個(gè)方向骨料的最長(zhǎng)、中間以及最短尺寸。

圖1 骨料參數(shù)測(cè)量示意

由式(1)、(2)可知，球度越大，骨料的形狀越接近球形，即可認(rèn)為是塊狀石；骨料扁平度越小，骨料形狀越接近扁平，即可認(rèn)為是片狀石。

1.3 試驗(yàn)步驟

為研究骨料形狀對(duì)混凝土強(qiáng)度性能的影響，采用上述1.2節(jié)的方法，將粗骨料區(qū)分為片狀石和塊狀石，設(shè)計(jì)片狀石與塊狀石質(zhì)量比分別為1∶0、1∶1、0∶1的3種不同骨料形狀組合，接著成型混凝土試件并開(kāi)展抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)，然后對(duì)比分析骨料形狀對(duì)混凝土強(qiáng)度性能影響。具體試驗(yàn)步驟如下：

(1)將骨料進(jìn)行形狀分類(lèi)。首先，根據(jù)骨料大小篩分為中石和小石，再根據(jù)篩分的中石和小石進(jìn)行人工分揀為塊狀石和片狀石。為便于區(qū)分，將塊狀中石記為K1、塊狀小石記為K2、片狀中石記為P1、片狀小石記為P2。

(2)粗骨料分揀完后，進(jìn)行隨機(jī)抽樣檢查。從待試驗(yàn)的K1、K2、P1、P2四種形狀的粗骨料中各隨機(jī)抽取15個(gè)樣本，然后采用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量圖1所示的骨料的最長(zhǎng)、中間以及最短尺寸。采用式(1)、(2)計(jì)算獲得相應(yīng)的球度和扁平度。并將隨機(jī)抽樣檢查得到的球度和扁平度分別表征待試驗(yàn)的K1、K2、P1、P24種形狀的粗骨料的球度和扁平度。

圖2 骨料形狀系數(shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度性能影響試驗(yàn)流程

圖3 粗骨料的球度和扁平度頻率分布

(3)將片狀石與塊狀石分別按質(zhì)量比為1∶0、1∶1、0∶1進(jìn)行骨料組合，并根據(jù)這3種骨料組合分別進(jìn)行編號(hào)。1∶0表示骨料均為塊狀骨料，記為K；1∶1表示骨料由塊狀和片狀等質(zhì)量組成，記為K+P；0∶1表示骨料均為片狀骨料，記為P。

(4)根據(jù)SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》成型混凝土試件。試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，設(shè)計(jì)齡期分別為7、28、60 d，每組試驗(yàn)每個(gè)齡期成型3個(gè)試件，共成型3×3×3×2=54個(gè)試件。試件成型后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(20±5 ℃，>95%)養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期，然后根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程采用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度測(cè)試。

(5)最后根據(jù)3種齡期試驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)合計(jì)算的骨料形狀參數(shù)，分析骨料形狀對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的影響。

由試驗(yàn)步驟(1)～(5)可以得到試驗(yàn)的流程，如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 骨料形狀分析

試驗(yàn)通過(guò)人工篩選，得到了K1、K2、P1、P2四種粗骨料，其中，試驗(yàn)樣本數(shù)各為15個(gè)，分別計(jì)算得到球度和扁平度，繪制出了4種骨料的球度、扁平度頻率分布，如圖3所示。與此同時(shí)，進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算曲線的峰度和偏度進(jìn)行驗(yàn)證分布是否符合正態(tài)分布。偏度的絕對(duì)值越大，說(shuō)明分布的偏移程度越嚴(yán)重，若偏度絕對(duì)值越接近0，則分布越服從正態(tài)分布；峰度越大于0，說(shuō)明分布越陡峭，峰度越小于0，則說(shuō)明分布越平緩，當(dāng)峰度越接近0時(shí)，則分布越服從正態(tài)分布。分別計(jì)算得到塊狀骨料球度、扁平度的正態(tài)分布曲線的峰度、偏度；片狀骨料球度、扁平度的正態(tài)分布曲線的峰度和偏度如表2所示。根據(jù)文獻(xiàn)[22]比較峰度和偏度的置信區(qū)間。所得偏度和峰度值均較接近0，這說(shuō)明圖3的分布近似為正態(tài)，骨料形狀區(qū)分效果較為良好。

表2 頻率分布圖的偏度和峰度

為驗(yàn)證分揀后的片狀石與塊狀石具有明顯的區(qū)分度，計(jì)算得到4種骨料的球度與扁平度的平均值、最值、分布范圍等特征參數(shù)如表3所示。

表3 粗骨料形狀特征參數(shù)

由表3可知：

(1)由球度定義，球度值越接近1，則表明其形狀越接近于正圓[24]。對(duì)比球度值可見(jiàn)，K1、K2球度平均值分別相對(duì)P1、P2球度平均值高出約63.8%、38.5%，K1、K2球度最小值分別相對(duì)于P1、P2球度最小值高出約62.2%、38.9%，K1、K2球度最大值分別相對(duì)于P1、P2球度最大值高出約35.3%、21.4%，這說(shuō)明塊狀石球度高于片狀石球度，塊狀石的形狀更接近球型。此外，K1與K2的球度平均值相差0.05，說(shuō)明塊狀小石和中石的球度相當(dāng)。

(2)對(duì)比扁平度可知，K1、K2扁平度平均值分別相對(duì)P1、P2扁平度平均值高出約65.3%、68.9%，K1、K2扁平度最小值分別相對(duì)于P1、P2扁平度高出約106.3%、68.8%，K1、K2扁平度最大值分別相對(duì)于P1、P2扁平度高出約66.7%、63.6%。這說(shuō)明塊狀石扁平度高于片狀石扁平度，片狀石的形狀更接近扁圓型。此外，K1與K2的扁平度平均值相差0.05，說(shuō)明塊狀小石和中石的扁平度相當(dāng)。

(3)比較區(qū)間長(zhǎng)度可知，粗骨料的參數(shù)變化范圍波動(dòng)較小，所分揀的粗骨料形狀較為均勻。因此，塊狀石球度和扁平度的平均值、最值等參數(shù)均高于片狀石相關(guān)參數(shù)，石樣球度和扁平度大小有較好的區(qū)分度，粗骨料樣本形狀差異明顯，同時(shí)樣本也可說(shuō)明總體粗骨料的區(qū)分度良好。

2.2 強(qiáng)度性能試驗(yàn)結(jié)果分析

不同骨料形狀混凝土試件抗壓和劈拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖4和表4所示。

圖4 不同骨料的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表4 抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖4和表4可知：

(1)3種不同類(lèi)型骨料組合的抗壓強(qiáng)度隨齡期增加強(qiáng)度增加，但在相同齡期情況下，骨料的形狀改變對(duì)于抗壓強(qiáng)度變化影響并不大。K型抗壓強(qiáng)度相對(duì)P型和K+P型在7 d齡期時(shí)分別增加5.6%和1.0%；在28 d齡期時(shí)分別減小5.2%和5.9%；在60 d齡期時(shí)分別增加1.0%和 0.3%。這說(shuō)明在混凝土的各齡期內(nèi)，對(duì)K、P、K+P 3種組合進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其測(cè)試結(jié)果變動(dòng)很小，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度基本不受骨料形狀的影響。

(2)3種不同類(lèi)型骨料組合的劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期增加而增加。K型劈拉強(qiáng)度相對(duì)P型和K+P型在7 d齡期時(shí)分別減小9.1%和20.0%；在28 d齡期時(shí)分別增加10.3%和14.3%；在60 d齡期時(shí)分別減小0和2.9%。這說(shuō)明在混凝土的各齡期內(nèi)，對(duì)K、P、K+P 3種組合進(jìn)行劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)，其測(cè)試結(jié)果變動(dòng)很小，混凝土試件的劈拉強(qiáng)度基本不受骨料形狀的影響。因此，K、P、K+P 3種不同骨料組合的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度基本不受混凝土骨料形狀改變的影響。

(3)為了進(jìn)一步討論此試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合粗骨料的參數(shù)和實(shí)際強(qiáng)度，查閱相關(guān)文獻(xiàn)分析結(jié)果表明，粗骨料混凝土試驗(yàn)中主要考察兩個(gè)因素對(duì)其強(qiáng)度的影響[13]，一個(gè)是粗骨料形狀因素，另一個(gè)是粗骨料體積摻量因素。在已有的研究中已經(jīng)證實(shí)粗骨料的顆粒幾何形狀與混凝土的力學(xué)性質(zhì)有很大關(guān)系，但影響是在粗骨料摻量達(dá)到一定比例才會(huì)比較明顯。另外結(jié)合文獻(xiàn)[25]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)集料與基體兩相強(qiáng)度和剛度相互匹配的情況下，才能有效地利用集料強(qiáng)度來(lái)提高混凝土強(qiáng)度；研究集料強(qiáng)度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響應(yīng)與集料彈性模量的影響相聯(lián)系；集料在混凝土中的增強(qiáng)作用隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同而有所差別，普通集料在高強(qiáng)混凝土中無(wú)增強(qiáng)作用，在中強(qiáng)混凝土中也沒(méi)有明顯增強(qiáng)作用，而在低強(qiáng)混凝土中增強(qiáng)作用明顯。本次試驗(yàn)的粗骨料形狀對(duì)力學(xué)性能的影響結(jié)果不明顯，分析試驗(yàn)中混凝土破壞面，可能是水泥石強(qiáng)度較低，水膠比較大導(dǎo)致破壞面主要集中在水泥石和黏接面上，而當(dāng)水泥石強(qiáng)度較高時(shí)，雖然粗骨料形狀對(duì)混凝土強(qiáng)度影響程度沒(méi)有水膠比和水泥的影響程度大，但進(jìn)一步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著水膠比減小，混凝土強(qiáng)度提高，粗骨料形狀對(duì)其影響也越明顯。

3 結(jié) 論

本文對(duì)粗骨料進(jìn)行人工篩選，區(qū)分為片狀石和塊狀石，將其組合成形狀具有明顯差異的骨料，然后統(tǒng)計(jì)分析其形狀參數(shù)，探討骨料形狀對(duì)混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)比較所分揀的粗骨料形狀參數(shù)(球度、扁平度)，發(fā)現(xiàn)塊狀骨料中石和小石的球度和扁平度的平均值、最大值和最小值均大于片狀骨料的20%～70%，表明本文試驗(yàn)所用粗骨料形狀區(qū)分度高。

(2)雖然3種粗骨料組合的形狀參數(shù)差異大，但結(jié)合力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，在0.5水膠比時(shí)，不同齡期(7、28、60 d)情況下，粗骨料的形狀對(duì)于水工混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度影響較小。

致謝

三峽大學(xué)夏玉露和梁亞蘋(píng)參與了混凝土骨料分揀和試件成型等工作，在此表示感謝!