粗骨料种类对高强混凝土工作性和力学性能的影响

詹伟，杨林，苗苗

（1四川公路桥梁建设集团有限公司，四川成都 610041；2重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400045）

粗骨料种类对高强混凝土工作性和力学性能的影响

詹伟1，杨林1，苗苗2

（1四川公路桥梁建设集团有限公司，四川成都 610041；2重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400045）

该文选用同级配的石灰石碎石、卵碎石和玄武岩碎石3种粗骨料，研究粗骨料种类对高强混凝土工作性和力学性能的影响。通过对高强混凝土的塌落度、扩展度、抗压强度、弹性模量等指标的测试和分析，结果表明：玄武岩组新拌混凝土的工作性稍逊于石灰石组和卵碎石组，卵碎石组最好。对于石灰石组和玄武岩组，由于骨料表面吸水导致玄武岩组早期混凝土强度较石灰石组偏低，而后期因为玄武岩强度高而使得其配制的混凝土28d强度提高。卵碎石粒形在强度上的劣势导致其28d强度最低。三种粗骨料中，骨料弹性模量越高，同等条件下配制的混凝土弹性模量也越大，但混凝土弹性模量要远小于骨料弹性模量值，且混凝土弹性模量的增幅远远小于相应粗骨料的增幅。

粗骨料；高强混凝土；力学性能；弹性模量；玄武岩组新拌混凝土

0 引言

混凝土作为一种多相复合材料体系，组成和结构的不同对其宏观力学性能影响显著。粗骨料是混凝土的主要组分，占混凝土总体积的50%～70%，在混凝土中能起到骨架支撑和抵抗变形的作用[1]。

在普通混凝土中，因为砂浆和粗骨料之间界面过渡区是最薄弱环节，往往不关注骨料的影响。而在高强混凝土中，随着水泥砂浆强度的提高以及界面性能的大幅度改善，其强度提高的瓶颈归结于所使用的粗骨料[2]。若是仅依靠胶凝材料用量的增加、水胶比的减小而忽略骨料强度的提高来期望改善混凝土抗压强度等性能并不会得到很好的效果。骨料的性能对高强混凝土的抗压强度以及弹性模量有着决定性的作用[3-4]。

我国有多项标准规定，配制混凝土时粗骨料强度宜比对应的混凝土设计强度要高一些，具体高多少不同的规范有着不同的规定[5]。《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52-2006[6]中规定“岩石的立方体抗压强度宜比新配制的混凝土强度高20%”；《高强混凝土结构技术规程》CECS 104：99[7]中规定 “集料母体岩石的立方体抗压强度应比所配制的混凝土强度高20%以上”；《混凝土质量控制标准》GB 50164-2011[8]中规定了 “高强度混凝土所用粗骨料的母岩单轴抗压强度至少应比混凝土设计强度高出30%”；《高强混凝土应用技术规程》JGJ/T 281-2012[9]同样规定“岩石抗压强度应比混凝土强度等级标准值高30%”。而 《公路桥涵施工技术规范》JTG/T F50-2011[10]规定“火成岩＞80MPa；变质岩＞60MPa；水成岩＞30MPa；岩石的抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于1.5倍”。对于高强混凝土，若都折算成骨料岩石立方体抗压强度和混凝土强度的比值，应为1.13～1.30，即配制C80混凝土需要骨料岩石立方体抗压强度至少应达到104～120MPa，要满足这一条件有时是不现实的。那么不同粗骨料对混凝土强度究竟有多大程度的影响？

本文选取岩石立方体抗压强度不同的石灰石碎石、卵碎石、玄武岩碎石三种粗骨料，通过测定混凝土拌合物的坍落度、扩展度、抗压强度、弹性模量，研究粗骨料种类对高强混凝土工作性和力学性能的影响。

1 原材料及实验方法

1.1 原材料

实验用水泥为华润水泥有限公司生产的P·O 42.5R普通硅酸盐水泥，水泥的基本性能见表1；矿粉为重庆钢铁有限公司生产的磨细水淬高炉矿渣，比表面积410m2/kg，流动度比为98%，7d活性指数65%，28d活性指数93%；硅灰为贵州铁合金厂生产，比表面积约为20000m2/kg。

表1 水泥的基本物理力学性能

实验选用3种粗骨料：（1）遵义市习水县马临料场产的石灰石碎石按照小石（5～10mm）∶大石（10～20mm）=4∶6掺配；（2）重庆长江卵碎石经过筛分人工混合后保证其级配与石灰石近似相同；（3）四川广安产的玄武岩碎石经过机械破碎筛分人工混合后保证其级配与石灰石近似相同，为避免泥粉干扰，实验所用粗骨料均进行清洗、干燥后备用。3种粗骨料的宏观性能见表2。

表2 不同种类粗骨料宏观性能

细骨料为遵义市习水县马临料场产机制砂，细度模数2.9，表观密度2600kg/m3，石粉含量5.8%；重庆迪翔建材DXPC-1缓凝型聚羧酸高性能减水剂，减水率为30%，含气量为3.0%，7d和28d抗压强度比分别为168%和151%。

1.2 实验配合比

该实验以石灰石碎石为粗骨料配制基准组C0，而后分别用同样级配的卵碎石和玄武岩替代石灰石碎石作为粗骨料配制混凝土，分别记为C1组和C2组。实验配合比详见表3。

表3 不同粗骨料种类实验配合比

1.3 实验方法

1.3.1 新拌混凝土工作性测试

按照 《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T 283-2012测试高强混凝土拌合物的坍落度和扩展度，以比较其工作性。

1.3.2 混凝土力学性能测试

混凝土试件的制备、养护及测试按照《普通混凝土力学性能试验方法》GB/T 50081-2002的要求，测定标准条件养护下各组混凝土3d、7d、28d的抗压强度和弹性模量。

2 结果及分析

2.1 粗骨料对高强高性能混凝土工作性的影响

表4 不同粗骨料种类混凝土的工作性能

混凝土拌合完成后测定其塌落度、扩展度和倒筒时间，用于表征其流动性，并观察其粘聚性和保水性。不同粗骨料种类混凝土的工作性试验结果见表4。

图1不同种类粗骨料的表面织构图

图1 为SEM下不同种类粗骨料的表面织构图象，从图1（a）明显可以看到玄武岩的表面呈斑状结构且有微裂纹的存在，玄武岩虽然母岩强度高，但其硬度高，脆性大，在破碎过程中容易在骨料内部产生微裂纹，在混凝土受荷载时易成为混凝土裂纹发展的源头。玄武岩极易形成气孔构造和杏仁构造，但在图1（a）中不明显。 比较图1（a）、图1（b）、图1（c）和图1（d）可以看出，玄武岩表面有典型的解理面，使其部分表面较石灰岩表面以及卵石的破碎面更平整，而表2中测得的其饱和吸水率较大，这可能是因为气孔构造和微裂缝的存在导致的。另外，卵石的破碎面比卵石的非破碎面要粗糙得多，且比石灰石碎石表面更粗糙，说明破碎卵石兼有人工碎石和卵石的双重特点，其表面形貌对混凝土的各项性能的影响较为复杂。

表4中数据可以看出，流动度最大的是卵碎石C1组，其次是石灰石C0组，最小的是玄武岩配制的混凝土。工作性主要取决于粗骨料的粒形和表面织构，结合图1分析，因为玄武岩因其表面织构导致吸水率大，流动过程中能起到润滑作用的自由水减少，其塌落度、扩展度指标稍小，流动速度最慢，工作性最差。卵碎石虽然表面织构作用不明显，但因为粒形优势明显，有利于流动，所以流动度最好。石灰石虽然表面较平整，但其粒形多棱角，所以工作性居中。

图2 不同种类粗骨料高强混凝土抗压实验的破坏断面

2.2 粗骨料对高强混凝土的力学性能的影响

混凝土试件拌合成型1d后拆模，置于标准养护条件下养护至3d、7d和28d龄期， 测试其3d、7d、28d抗压强度和28d弹性模量，结果见表5。收的水分会再次释放出来，这部分影响逐渐被抵消。且玄武岩强度较高，所以7d、28d抗压强度均为玄武岩组高于石灰石组和卵碎石组，因为卵碎石部分表面光滑，其和基体的粘结弱于多棱角的石灰石，所以7d、28d强度卵碎石组略低于石灰石组。

表5 不同粗骨料种类混凝土的抗压强度和弹性模量

对于弹性模量，三组混凝土差别不大，以玄武岩C2组作为基准组，则C0组和C1组较C2组仅相差3%和2%。且C0、C1、C2组混凝土弹性模量 分别为4.77×104MPa、4.84×104MPa和4.94×104MPa， 比 相 应 粗 骨 料5.48×104MPa、5.49×104MPa和6.25×104MPa低得多，仅为对应骨料弹性模量的87%、88%和79%。随着骨料弹性模量越大，配制出的混凝土弹性模量也越大，即玄武岩组大于石灰岩组，但且混凝土弹性模量的增幅远远小于相应粗骨料的增幅。

图2为混凝土破坏断面，从破坏断面可以看到这三种粗骨料配制的混凝土的破坏形式主要是穿骨料破坏，并且观察到抗压破坏时均为爆裂破坏，究其原因可能是通过降低水胶比和掺加活性掺合料，高强混凝土的界面过渡区得到了很好的改善，混凝土受压时，粗骨料与砂浆基体间弹性模量的差异使得基体相变形，并由界面过渡区传递到粗骨料，粗骨料产生弹性应变能，当弹性应变能达到一定时，突然的释放出来使得裂缝骤然扩展，混凝土的外在表现即为爆裂性穿骨料破坏。由此可见高强混凝土中粗骨料的薄弱性，配制高强混凝土应首先考虑强度较高的粗骨料。

高强混凝土强度发展可以粗略分为两个阶段：早期因为基体相的强度远低于骨料相，所以混凝土总体强度主要取决于水泥浆体水化速率；而后期当基体水化基本完成强度稳定后，混凝土总体强度取决于基体相和骨料相的匹配协调程度[11-12]。

从表5中可以看出，对于3d抗压强度，是玄武岩组小于石灰石组，小于卵碎石组，这可能是因为玄武岩的饱和吸水率较其他两组大，粗骨料表面吸收了部分水分，导致浆体中的水胶比降低，水化速率减慢，表现为早期强度小幅降低。同理，石灰石组的3d强度略小于卵碎石组，但随着水化进行，骨料表面吸

3 结论

本文以高强混凝土为研究对象，研究不同粗骨料种类（石灰石、卵碎石和玄武岩）对高强混凝土工作性和力学性能的影响。通过对高强混凝土的塌落度、扩展度、抗压强度、弹性模量等指标的测试和分析，得出以下结论。

（1）混凝土工作性主要受粗骨料粒形和表面织构的影响。因为玄武岩表面织构特性使其吸水率较大，导致玄武岩组新拌混凝土的工作性稍差于石灰石组和卵碎石组；石灰石组工作性居中；卵碎石在工作性上的粒形优势较大，所以工作性最佳。

（2）对于石灰石组和玄武岩组，由于骨料表面吸水导致玄武岩组早期混凝土强度较石灰石组偏低，而后期因为玄武岩强度高而使得其配制的混凝土28d强度提高。卵碎石粒形在强度上的劣势导致其28d强度最低。

（3）三种粗骨料中，骨料弹性模量越高，同等条件下配制的混凝土的弹性模量也越大，但混凝土弹性模量要远小于骨料弹性模量值，且混凝土弹性模量的增幅远远小于相应粗骨料的增幅。

[1]陈肇元.高强混凝土与高性能混凝土 [J].建筑技术，1997，28 （9）：641-643.

[2]A·M·内维尔．混凝土的性能[M].北京：中国建筑工业出版社，2011：205.

[3]杨再富.粗集料对混凝土强度影响的试验研究与数字模拟[D]．重庆：重庆大学，2005.

[4]梁天宇.粗集料对混凝土抗压强度影响的研究[D].重庆：重庆大学，2004.

[5]张晓声，苗苗，刘婷.粗集料对于高强高性能混凝土强度的影响[J].商品混凝土，2014，62（8）：64-67.

[6]中华人民共和国建设部.JGJ 52-2006普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[7]中国工程建设标准化协会.CECS104∶99高强混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[8]住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局联合发布.GB 50164-2011混凝土质量控制标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[9]住房和城乡建设部.JGJ/T 281-2012高强混凝土应用技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[10]中华人民共和国交通部.JTG F50-2011公路桥涵施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2011：63.

[11]沈卫国，崔啸宇，李家胜，等.粗集料对混凝土服役性能的影响[J].混凝土，2011（7）：41-45.

[12]胡世亮，徐会阁.粗集料的粒径对高强混凝土力学性能的影响[J].江苏建材，2009（4）：27-30.

Impact of Coarse Aggregate Types on Workability and Mechanical Properties of High Strength Concrete

In this paper，the three types of graded coarse aggregates--limestone gravel,pebble gravel and basalt gravel are selected to study the impact of coarse aggregate types on the workability and mechanical properties of high strength concrete.Based on the test and analysis of the slump degree,extension degree,compressive strength,elasticity modulus,etc.,the results show that the workability of fresh concrete with basalt gravels is worse than that with gravels and that with pebble gravels,and the workability of concrete with pebble gravels is the best.For the limestone gravel group and the basalt gravel group,the concrete strength of the basalt gravel group is lower than that of the limestone gravel group in the early stage due to water absorption of the aggregate surface,and the 28d concrete strength is improved for the high strength of basalt.The disadvantage of the pebble gravel in shape causes its 28d strength to be the lowest.Among the three types of coarse aggregates，the higher the elasticity modulus of the aggregate,the greater the elasticity modulus of the concrete prepared under the same condition,but the elasticity modulus of the concrete is much smaller than that of the aggregate,and the growth rate of the elasticity modulus of the concrete is far smaller than that of the corresponding coarse aggregate.

coarse aggregate;high strength concrete;mechanical property;elasticity modulus;fresh concrete with basalt gravels

TU528

A

1671-9107（2017）12-0052-04

10.3969 ／j.issn.1671-9107.2017.12.52

2017-05-10

詹伟（1978-），男，重庆人，本科，高级工程师，主要研究方向为公路桥梁施工。

责任编辑：孙苏，李红