骨料含量对水泥基材料抗压/劈裂强度的影响

巫向晖，甘 伟

（1、广州立墙墙体材料有限公司 广州510800；2、广州大学土木工程学院 广州510006）

0 引言

骨料作为混凝土的重要组成部分，约占混凝土总体积的60%～75%［1］。除骨料类型与强度、骨料粒径与粒形外，混凝土中骨料含量对新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的密实度、力学性能［2，3］以及耐久性等影响显著［4］。骨料体积率越大，浆体相对减少，骨料搭接导致流变阻力增大，混凝土拌和物坍落度降低［5］。骨料与浆体的比值越大，界面过渡区厚度越小，起始微裂缝长度降低［6］，抗氯离子渗透能力越强［7］。水胶比为0.3 时，当骨料体积率从0%提高到40%时，砂浆弹性模量不断增加［8］，而低强度等级混凝土中骨料体积率从40%提高到75%，弹性模量、特征长度lch、断裂能GF、断裂韧度KIC均有所增加［9-12］。Tasdemir 等人［10］研究指出，当骨料体积小于50%时，混凝土抗压强度随体积含量增加而增大，之后基本保持稳定，而Stock［13］对直径为100 mm、高为200 mm 的圆柱体试件的试验结果表明，抗压及劈裂强度最小值出现在骨料体积率为40%左右时，但超过该值后，强度增长迅速（见图1）。当混凝土强度等级提高时，其变化规律的一致性有待进一步研究，且矿物掺合料如粉煤灰、硅灰等的掺入也使得传统混凝土在微观层次上得到改善［14-16］，并可通过宏观力学性能有所体现。

图1 骨料体积含量对混凝土抗压强度和劈裂强度的影响Fig.1 Effect of Aggregate Content on Compressive and Splitting Tensile Strength of Concrete

1 原材料

试验采用P.O.42.5R普通硅酸盐水泥，技术指标如表1所示。细骨料为天然河砂，细度模数2.8，属Ⅱ区中砂，筛分曲线如图2 所示，表观密度2 620 kg/m3，堆积密度1 442 kg/m3，空隙率为45%。粗骨料为石灰岩碎石，最大粒径为20 mm，表观密度2 720 kg/m3，堆积密度1 573 kg/m3，空隙率为42%。试验用减水剂为聚羧酸系高效减水剂，密度为1.06 g/cm3，减水率31%。

表1 试验用水泥技术指标Tab.1 Properties of Cement Used

图2 细骨料筛分曲线Fig.2 Size Distribution of Fine Aggregates

通过改变混凝土中骨料含量，对其相应力学性能进行试验，总骨料体积率（Va）分别为0%、20%、40%、60%、65%、70%及75%。试验用水胶比为0.30，成型试件均为100 mm3块。

2 试验结果分析与讨论

2.1 表观密度

标准养护28 d后将试件取出，测试不同骨料体积率下混凝土的表观密度，结果如图3所示。

图3 骨料体积率对水泥基材料表观密度的影响Fig.3 Apparent Density of Cementitious Materials as a Function of Aggregate Volume

随着骨料体积率的增大，单位水泥基材料的质量逐渐增大，且基本成线性增长的趋势。根据拟合结果可知，水泥基材料表观密度与骨料体积率的关系如下：

2.2 抗压强度

在进行完表观密度试验之后，测定各组水泥基材料的抗压强度，骨料体积率的影响规律如图4 所示。从图4 中可以明显看出，在骨料体积率由0%增大到80%的过程中，水泥基材料的抗压强度呈现先减小后增大的趋势，且在50%骨料体积率左右时最低。

通过对所有抗压强度数据进行拟合，得到水泥基材料抗压强度fcu与骨料体积率Va的关系如下：

2.3 劈裂强度

图4 骨料体积率对水泥基材料抗压强度的影响Fig.4 Compressive Strength of Cementitious Materials as a Function of Aggregate Volume

按照同样方法，对不同骨料体积率水泥基材料的劈裂抗拉强度进行整理和分析，如图5 所示。与抗压强度变化规律不同，当骨料体积率超过60%时，水泥基材料的劈裂强度开始下降，可能原因为骨料体积率的增加使得骨料与水泥浆之间的界面增大，而在强度较低的水泥基材料中，界面过渡区是材料的薄弱环节，受拉应力作用时最先发生开裂导致破坏。根据0%～80%骨料体积率下水泥基材料的劈裂抗拉强度结果，拟合出如下关系，供不同骨料体积率下的受拉能力作为参考。

图5 骨料体积率对水泥基材料劈裂强度的影响Fig.5 Splitting Tensile Strength of Cementitious Materials as a Function of Aggregate Volume

2.4 脆性

通常可将同一材料的抗拉强度与抗压强度的比值作为衡量该材料脆性的简单指标，将不同骨料体积率水泥基材料的拉/压强度比（fts/fcu）计算并汇总，如图6 所示。结合水泥基材料的特性可知，当骨料含量由0%增大到80%时，水泥基材料的脆性呈现先增大后减小的趋势，这对于工程中骨料含量的选择具有重要的指导意义。也就是说，当骨料含量过大时，材料的脆性特征更为明显，结构在受荷作用时更容易出现极剧破坏的现象，值得引起足够的重视。

3 结论

图6 骨料体积率对水泥基材料拉/压强度比的影响Fig.6 Splitting Tensile/Compressive Strength of Cementitious Materials with Different Aggregate Volume

本文采用试验方法研究了不同骨料体积率对水泥基材料表观密度、抗压强度、劈裂强度以及脆性的影响规律，主要得出以下结论：

⑴水泥基材料的表观密度随骨料含量的增大呈线性增长的趋势。

⑵在骨料体积率由0%增大到80%的过程中，水泥基材料的抗压强度呈现先减小后增大的趋势，且在50%骨料体积率左右时最低。

⑶当骨料体积率超过60%时，水泥基材料的劈裂强度开始下降，骨料与浆体之间的界面起决定性作用。

⑷当骨料含量由0%增大到80%时，水泥基材料的脆性呈现先增大后减小的趋势。