卵石混凝土的强度和干缩特性

陈旭涛，赵鹏，曹忠露，李沛

（1.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

非洲地区某新建港口项目是在近岸水域新建1个离岸式700 m长的高桩码头[1]，其灌注桩混凝土的强度要求相当于C37，梁板结构混凝土的强度要求为C45。因当地的块石和碎石资源匮乏、开采应用十分稀少，其桩梁板结构混凝土采用当地卵石骨料进行配制。而当地混凝土用骨料均为未破碎的表面光滑的水洗卵石，其与水泥胶凝材料间的黏结强度较弱，且该卵石内部存在一定微裂隙，自身强度较低，是制约混凝土强度的主要因素之一。

卵石的形貌（光滑和破碎）对混凝土强度的影响显著，表面光滑卵石混凝土和破碎卵石混凝土的强度差异与混凝土的水灰比和强度等级密切相关，水灰比越小，强度等级越高，其强度差异越大[2]。卵石骨料的破碎工艺能改善卵石混凝土的抗压强度和抗拉强度，对抗压强度的改善程度在10%以内，对抗拉强度的改善程度可达20%[3]。卵石粗骨料粒径对混凝土强度也有一定影响，卵石粗骨料粒径的增大，导致混凝土抗压强度的降低；且水灰比越小，卵石粗骨料的粒径效应越显著[4]。卵石粒径对卵石与浆体间的界面黏结强度影响较小，卵石骨料与浆体间的界面黏结强度随着混凝土强度等级的提高而增大，约为混凝土抗压强度的5.5%耀12%[5]。卵石骨料常用于配制C40以下等级混凝土，对于C40以上等级混凝土特别是预应力混凝土一般首先选择碎石骨料，但卵石骨料配制C50和C60高强高性能混凝土已有相关报道且成功应用于高层建筑和桥梁工程[6-8]。

虽然国内外对卵石混凝土的性能和工程应用进行了相关的研究[2-9]，但不同地区所用卵石的颗粒级配、岩性、形貌和强度特性有所不同。本研究目的是对项目当地卵石和碎石骨料的级配、形状和力学特性进行分析，比较相同坍落度下卵石混凝土和碎石混凝土的强度差异，阐明掺合料对卵石混凝土强度和收缩性能的改善效果，以期为现场的工程应用提供技术依据和支撑。

1 试验

1.1 原材料

水泥：Nova TUNGA CEM II/A-L 42.5 N石灰石硅酸盐水泥，依据BS EN 196和BS EN 197，其性能指标如表1所示。

砂子：选用Sassa-Zau水洗砂和Futila天然砂，按5颐5进行混掺，依据BS EN 933、BS EN 1097和BS EN 12620，其性能指标如表2所示。

表1 TUNGA CEM II/A-L水泥的性能指标Table 1 Performance of TUNGA CEM II/A-L cement

表2 砂子的性能指标Table 2 Performance of sand

卵石：料源为三沙罩（Sassa-Zau），为石英岩，依据 BS EN 933、BS EN 1097和 BS EN 12620对其性能进行检测，山卵石开采后经水洗获得粒径4~8 mm的细卵石骨料和8~31.5 mm的粗卵石骨料，压碎值15.6%，10%细粒值140 kN，密度为2.67 g/cm3，吸水率为1.38%，卵石骨料的长厚比均值为1.91，针片状含量2.8%，粗细卵石骨料按8颐2掺配时的颗粒级配见图1。

碎石：料源为伯利兹（Belize），为片麻岩，依据 BS EN 1926、BS EN 933、BS EN 1097和 BS EN 12620对其性能进行检测，抗压强度为130 MPa，密度为3.0 g/cm3，吸水率为0.11%，开采后的块石经颚式破碎机破碎后获得粒径4~8 mm的细碎石骨料和8~31.5 mm的粗碎石骨料，破碎后碎石骨料的长厚比均值为3.38，针片状含量48.5%，粗细碎石骨料按8颐2掺配时的颗粒级配如图1所示。

图1 卵石和碎石的颗粒级配Fig.1 Gradation curve of pebble and crushed stone

减水剂：山西佳维生产的液体萘系减水剂，依据BS EN 934，其性能指标如表3所示。

表3 萘系减水剂的性能指标Table 3 Performance of Naphthalene Water-reducer

矿粉：唐山唐龙新型建材有限公司生产的S95粒化高炉矿渣粉，依据BS EN 15167，其性能指标如表4所示。

表4 矿粉的性能指标Table 4 Performance of GGBS

拌和水：卡约村地下水，依据BS EN 1008，其性能指标如表5所示。

表5 水的性能指标Table 5 Performance of water

1.2 配合比设计

试验的配合比设计见表6。目的是比较相同坍落度下卵石混凝土和碎石混凝土的强度差异，分析矿粉掺量对卵石混凝土强度和收缩性能的改善效果。

表6 卵石和碎石混凝土的配合比及初始坍落度Table 6 Mix proportion and initial slump of pebble and crushed stone concrete

同坍落度卵石混凝土和碎石混凝土的用水量，通过坍落度试验确定。即在配制混凝土时，碎石混凝土的用水量采用以卵石混凝土的用水量为基础，通过逐渐增加用水量，选取碎石混凝土坍落度与卵石混凝土坍落度相同时的用水量，作为该组碎石混凝土的用水量。

前期研究表明，矿粉掺量30%耀50%时，能提高本试验所使用的TUNGA CEM II/A-L 42.5 N水泥胶砂的28 d抗折和抗压强度。故选取30%和50%的矿粉掺量，来分析胶材总量380 kg和460 kg时矿粉对卵石混凝土强度和收缩性能的影响。

1.3 试验方法

表6中的混凝土配合比使用单轴卧式混凝土搅拌机进行拌和，试拌后分别测量初始坍落度，并成型4组150 mm伊150 mm伊150 mm试块，测7 d抗压、7 d劈裂抗拉、28 d抗压、28 d劈裂抗拉强度。依据BS EN 12350-2测试新拌混凝土的坍落度，依据BS EN 12390-2制作和养护试件，依据BS EN 12390-3测试硬化混凝土的抗压强度，依据BS EN 12390-6测试硬化混凝土的劈裂抗拉强度，依据BS EN 12390-16成型并测试硬化混凝土的干燥收缩。

2 结果与讨论

2.1 同坍落度下卵石混凝土和碎石混凝土的强度差异

卵石混凝土和碎石混凝土的强度差异见表7。同坍落度下卵石混凝土的拌和用水量显著低于碎石混凝土的拌和用水量，卵石混凝土的水胶比比碎石混凝土的水胶比低0.04耀0.06，同坍落度下卵石混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均略高于碎石混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，且随着抗压强度的提高，卵石混凝土中卵石骨料本身的破坏明显增多。在相同坍落度下，卵石混凝土比碎石混凝土具有抗压和抗拉强度方面的优势。

表7 卵石和碎石对混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度影响Table 7 Effect of pebble and crushed stone on the compressive strength and splitting tensile strength of concrete

2.2 卵石混凝土和碎石混凝土的拉压关系

混凝土的轴心抗拉强度的理论值是劈裂抗拉强度的（1+3滋）倍[10]，滋是一个随混凝土的配合比、强度、龄期及含水量等因素变化而变化的数值。一般滋取0.2，轴心抗拉强度是劈裂抗拉强度的1.6倍；对于高强混凝土，滋约为0.12，此时轴心抗拉强度是劈裂抗拉强度的1.36倍。

卵石混凝土和碎石混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度的关系见图2。卵石混凝土的劈裂抗拉强度随着抗压强度的提高而近似直线增大。卵石混凝土的劈裂抗拉强度和抗压强度的关系均位于BS EN 1992-1中给定的混凝土抗拉强度设计值（fctd）之上，其拉压关系满足英标要求。

图2 卵石混凝土和碎石混凝土的拉压强度关系Fig.2 Relationship between compressive strength and splitting tensile strength of pebble and crushed stone concrete

在胶材用量相同、骨料级配相似、混凝土坍落度相同的情况下，卵石混凝土和碎石混凝土的拉压关系无显著区别，表明使用碎石全部替代卵石并不能有效的改善混凝土的拉压关系，因此卵石完全可以取代碎石应用在工程建设中。

2.3 矿粉对卵石混凝土强度的影响

矿粉对卵石混凝土强度的影响，见表8。掺加30%或50%矿粉对卵石混凝土早期7 d抗压强度和7 d劈裂抗拉强度的影响较小，但可促进后期28 d抗压强度和28 d劈裂抗拉强度的提高。

表8 矿粉掺量对卵石混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度影响Table 8 Effect of GGBS on compressive strength and splitting tensile strength of pebble concrete

2.4 矿粉掺量对卵石混凝土干燥收缩的影响

图3耀图4给出了胶材总量380 kg和460 kg，矿粉掺量0%、30%、50%时混凝土的干燥收缩率和失水率（图中编号为：胶材总量-矿粉掺量-试件编号）。卵石混凝土的干燥收缩随胶材总量的增加而增大，随矿粉掺量的增加而降低，矿粉掺量50%时，可有效降低卵石混凝土的干燥收缩率。

卵石混凝土的干燥收缩率与干燥失水率关系密切，干燥收缩率随失水率的增大而增大，掺加矿粉可显著降低卵石混凝土的干燥失水率。干燥失水和干燥收缩主要发生在前14 d龄期，后期趋于平稳，卵石混凝土浇筑后14 d内做好洒水养护非常重要。

图3 胶材总量380 kg，矿粉掺量0%、30%、50%时卵石混凝土的干燥收缩率和干燥失水率Fig.3 Drying shrinkage and water loss of pebble concrete with 380 kg binding materials and 0%,30%,50%GGBS

图4 胶材总量460 kg，矿粉掺量0%、30%、50%时卵石混凝土的干燥收缩率和干燥失水率Fig.4 Drying shrinkage and water loss of pebble concrete with 460 kg binding materials and 0%,30%,50%GGBS

3 结语

1）同坍落度下卵石混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均略高于碎石混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，且随着抗压强度的提高，卵石混凝土中卵石骨料本身的破坏明显增多。

2）卵石混凝土的劈裂抗拉强度随着抗压强度的提高而近似直线增大，其拉压关系满足英标要求，且同坍落度下卵石混凝土和碎石混凝土的拉压关系无显著区别。

3）卵石混凝土的干燥收缩随胶材总量的增加而增大，随矿粉掺量的增加而降低，矿粉掺量50%时，可有效降低卵石混凝土的干燥收缩率。