粗骨料形状系数对自密实混凝土性能的影响

郑灼知，刘晓钰

（1. 成都七中嘉祥外国语学校，四川 成都 610000；2. 中建商品混凝土（成都）有限公司，四川 成都 610000）

粗骨料形状系数对自密实混凝土性能的影响

郑灼知1，刘晓钰2

（1. 成都七中嘉祥外国语学校，四川 成都 610000；2. 中建商品混凝土（成都）有限公司，四川 成都 610000）

在自密实混凝土中，粗骨料对自密实混凝土性能具有较大影响。本文通过研究粗骨料形状系数对自密实混凝土性能的影响，提出了评价粗骨料形状系数的方法，并测试了使用不同形状系数的粗骨料，其自密实混凝土的工作性能以及力学性能，包括坍落度、扩展度、V 型槽时间和强度等。

自密实混凝土；粗骨料；形状系数

粗骨料是混凝土的主要组成部分之一，特别是在自密实混凝土中，粗骨料的种类、强度、体积率、最大粒径、形状系数以及级配都将导致自密实混凝土的不同性能[1]。而且，自密实混凝土有着良好的流动性和密实性，对粗骨料的要求就会更高，根据《自密实混凝土应用技术规程》的要求[2]，粗骨料宜采用连续级配或两个单粒级配的石子，最大粒径不宜大于 20mm；石子的含泥量、泥块含量及针片状颗粒含量宜符合要求；石子的空隙率宜小于 40%[3]。

混凝土的一般组成可以分为固相和液相，液相也就是水泥浆，固相就是粗骨料。一般都是水泥浆带动粗骨料流动，而自密实混凝土要求有比较好的流动性，可见自密实混凝土中，粗骨料对流动性的影响很大[4]。对于骨料种类、级配、针片状颗粒等指标均相同的粗骨料而言，可以用石头颗粒的形状系数来评价骨料对自密实混凝流动性的影响，而在一些研究中，形状系数的不同会影响自密实混凝土拌合物的塑性粘度和屈服应力[5]。可见，研究粗骨料形状系数对自密实混凝土性能的影响是非常有必要的。

1 试验内容

1.1 粗骨料形状系数确定

粗骨料长、宽、高分别为 L、B、T，等轴率 k=B/L，薄片率 λ=T/B，粗骨料等轴率和薄片率分别反映其粒形呈针片状的程度[6]。粗骨料等轴率和薄片率越大，粗骨料中针、片状颗粒的比例越高，其总体表面积和空隙率也会越大，从而使粗骨料的压碎值增大，不利于粗骨料骨架的形成，进而会影响混凝土的流动性和最终的强度[7]。

本试验采用 Heywoodde的建议[8]，令粗骨料形状系数m=B/T、n=L/B （L≥B≥T），即 m=1/λ、n=1/k。Mora[9]等认为：相同来源、相同产地的粗骨料应该多多少少具有相同的粒形特征，这样就可以根据粗骨料颗粒宽度（B）来计算其平均厚度（T）：

这样粗骨料颗粒体积 V 可用式 (2) 计算：

式中，A 为粗骨料颗粒投影面积。将每一颗粗骨料颗粒的体积加起来，再乘以粗骨料的密度 ρ，即可得到粗骨料的总质量 M：

式中：N为粗骨料颗粒总数。根据式（3）可以得到 λ 倒数的计算式，为：

将实测的粗骨料质量和密度，以及用 IPP 软件（全称Image-Pro Plus，是由美国 Media Cybernetics 公司开发的一种功能强大的 2D 和 3D 图像处理、增强和分析软件，具有异常丰富的测量和定制功能，是世界最顶级的图像分析软件包，被广泛应用于质量控制、材料成像及其它的多项科研、医学与工业用途）分析得到的粗骨料颗粒的宽度和投影面积 A 代入 (4) 中，即可计算得到粗骨料的 m 值[10]。

n 值由 IPP 软件分析得到的粗骨料长度和宽度直接计算得出。

1.2 试验配比

将所选碎石分成 A1、A2、A3 三组，各组中碎石级配相同，如表 1 所示。人为调整各试验组中针片状碎石的含量，使 A1 均是球型碎石，A2 球型和针片状各一半，A3 均是针片状碎石。

表1　碎石级配

根据前期试配与优化结果，以 C50 强度为标准，所选自密实混凝土配合比如表 2 所示。

表2　自密实混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 粗骨料形状系数

应用 Image-ProPlus 6 对所拍石子进行图像处理，背景选用白纸避免颜色干扰，拍摄时白纸底部放置刻度尺作为标尺，所拍图像如图1 所示，计算所得粗骨料形状系数如表 3。

图1　碎石形状轮廓

表3　粗骨料形状轮廓系数

2.2 自密实混凝土工作性能测试

根据自密实混凝土配比分别配制混凝土，对配制的 3 组自密实混凝土分别进行工作性能，测试结果见表 4。

表4　自密实混凝土工作性能测试结果

从上面的试验数据可以看出，随着粗骨料的针、片状含量越多，即随着 m 和 n 值的增大，自密实混凝土的工作性能越差。这是因为粗骨料针、片状结构在混凝土拌合物流动中一般会呈平置状态，砂浆体对垂直于流向的颗粒表面的推动力是颗粒流动的主要动力[11-12]，当粗骨料颗粒中针、片状的含量较多时，空隙率和比表面积会增大，与砂浆体接触面增加，使得表面吸水量增加，摩擦阻力增加，这会导致混凝土和易性降低；一定量的砂浆体填充到颗粒间的空隙中去，剩余的浆体数量减少，导致混凝土拌合物内部起润滑作用砂浆层厚度减少，而在砂浆的性质固定时，自密实混凝土的工作性能就由这层膜的厚度决定，砂浆层厚度的减少，会使混凝土在整体运动中阻力增加，功能性能降低，导致出现 V 型槽流出缓慢，离析现象；而相反的，形状规则的粗骨料在混凝土流动中受力均匀，能保证较好的整体性，提高自密实混凝土的工作性能。

2.3 自密实混凝土力学性能测试

选用 100mm×100mm×100mm 的标准混凝土试块模具，在标准养护室中养护得到的强度结果见表 5。

表5　自密实混凝土力学性能测试结果

分析上面的强度数据可以看出，试配以 C50 强度为标准，在 A1、A2、A3 组中，随着粗骨料中针片状含量的增加，强度在逐渐减小，当石头组成均为针片状时，强度已经达不到实际施工的要求，因为针片状碎石坚韧性较一般的石头差，其压碎指标值随着针片状含量的增加而增大，从而造成自密实混凝土强度值的降低[13-14]。

3 结语

（1）本试验通过调整粗骨料 m、n 的值，使 m、n 越接近 1，粗骨料越接近球形，测试自密实混凝土的工作性能，试验结果表明随着粗骨料中针片状含量的增加，即 m、n 值越大，工作性能越差，在做 V 型箱试验中出现流出缓慢，离析的现象。

（2）在对拌合物进行工作性能测试后，对其进行力学性能测试，强度测试结果表明随着 m、n 值的增加，自密实混凝土 28d 抗压强度逐渐减小，在全针片状的试验组还出现强度不能满足要求的情况。

[1] 黄晓峰．粗骨料形状对混凝土物理和力学性能的影响[D].杭州：浙江工业大学，2010．

[2] JGJ/T 283—2012．自密实混凝土应用技术规程[S]．

[3] 徐欢，刘清，何原野，等．粗骨料（卵石）对自密实混凝土性能影响试验研究[J]．工业建筑，2015, 5: 022．

[4] 熊恩．不同骨料新拌自密实混凝土流变性能测试和数值分析[D]．南华大学，2011．

[5] 陈怡，金小群，施建彬，等．粗骨料对自密实混凝土性能的影响[J]．浙江树人大学学报（自然科学版），2013,3:007．

[6] 王克科，孙凯．粗骨料对新拌自密实混凝土工作性能和力学性能的影响[J]．中华民居，2011,26-33

[7] 邢心魁，刘晶，孙冠晓，等．粗骨料形状对混凝土力学性质的影响[J]．混凝土，2014 (2):61-63．

[8] Zhao H, Sun W, Wu X, et al. The effect of coarse aggregate gradation on the properties of self-compacting concrete[J]. Materials & Design, 2012, 40: 109-116.

[9] Antonios Kanellopoulos, Michael F. Petrou, Ioannis Ioannou. Durability performance of self-compacting concrete[J]. Construction and Building Materials,2012,(37):320-325.

[10] Khaleel O R, Al-Mishhadani S A, Razak H A. The effect of coarse aggregate on fresh and hardened properties of selfcompacting concrete (SCC)[J]. Procedia Engineering, 2011, 14: 805-813.

[11] 王海娜．自密实混凝土的骨料比表面法配合比设计及其基本性能研究[D]．浙江大学，2007．

[12] 陈春珍．自密实混凝土性能及工程应用研究[D]．北京工业大学硕士学位论文，2010．

[13] 张宁．自密实混凝土的研究现状及其发展方向讨论[J]．广东建材，2015,11:13-15．

[14] 袁润章．胶凝材料[M]．武汉理工大学出版社，1996．

［通讯地址］成都市高新区交子大道 177 号中海国际中心 B座 22 楼 中建科技部（610000）

郑灼知，目前就读于成都七中嘉祥外国语学校，2016 年暑期在中建商品混凝土（成都）有限公司参与科研实践工作。