粗骨料粒徑對(duì)低水膠比砼強(qiáng)度及和易性的影響

摘  要：本試驗(yàn)采用邯鄲當(dāng)?shù)氐幕炷猎牧?，利用正交設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)研究和分析了粗骨料最大粒徑、水膠比、粉煤灰摻量、砂率對(duì)低水膠比混凝土的強(qiáng)度及和易性的影響。結(jié)果表明：粗骨料的最大粒徑對(duì)混凝土強(qiáng)度、和易性有明顯影響，但水膠比仍是影響混凝土強(qiáng)度及和易性的主要因素。

關(guān)鍵詞：粗骨料；最大粒徑；正交設(shè)計(jì)；強(qiáng)度；和易性

中圖分類號(hào)： TU502 　　　　　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

 

    混凝土是當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料。隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的發(fā)展， 對(duì)混凝土性能的要求愈來(lái)愈高。目前已經(jīng)研制成功并投入使用的高流動(dòng)性、高強(qiáng)度、高耐久性、高體積穩(wěn)定性的高性能混凝土，其強(qiáng)度已大于100MPa ， 耐久年限已由原來(lái)的40～50 年提高到100 年以上。雖然高性能混凝土還沒(méi)有得到普遍使用，但實(shí)際使用的混凝土強(qiáng)度卻在不斷提高，低水膠比的混凝土用于建筑工程中已很常見(jiàn)，隨著混凝土水膠比的降低，影響混凝土強(qiáng)度的因素也越來(lái)越復(fù)雜了。原本對(duì)普通混凝土影響不大的的一些因素例如粗骨料的粒徑、粒形等對(duì)低水膠比混凝土的影響卻較大。骨料在混凝土中約占70%～80% ， 是組成混凝土的骨架，粗骨料的強(qiáng)度、最大粒徑、顆粒形狀、級(jí)配、彈性模量等均會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度，堿集料反應(yīng)，體積穩(wěn)定性以及耐久性等性能產(chǎn)生重要影響^{[ 1 ]}。在普通混凝土中的粗骨料一般都具有足夠的強(qiáng)度，且骨料強(qiáng)度通常比水泥石和界面強(qiáng)度高，因此，對(duì)骨料沒(méi)有特別的要求。再者，骨料對(duì)普通混凝土的強(qiáng)度影響不明顯；但骨料的級(jí)配、最大粒徑對(duì)混凝土的工作性有較大影響。而低水膠比的混凝土，水泥石強(qiáng)度和界面強(qiáng)度都較高，受力時(shí)骨料受壓破壞的機(jī)率大大增加，因而集料的性質(zhì)對(duì)低水膠比的混凝土強(qiáng)度及和易性的影響是不可忽視的。本試驗(yàn)利用邯鄲當(dāng)?shù)氐幕炷猎牧?，研究四種粗骨料最大粒徑在不同水膠比，不同粉煤灰摻量和不同砂率下，對(duì)低水膠比混凝土強(qiáng)度及和易性的影響。

 

1) 水泥： 選用太行山牌42.5R普通硅酸鹽水泥。主要性能見(jiàn)表1 。

2) 粗骨料：對(duì)于一般的碎石粗骨料，其強(qiáng)度并不是影響混凝土性能最重要的因素，碎石中雜質(zhì)含量，針片狀含量，顆粒級(jí)配等方面對(duì)其性能影響很重要，尤其是骨料級(jí)配。本試驗(yàn)選用邯鄲本地市場(chǎng)供應(yīng)的幾種粒徑的石子經(jīng)摻配后使用，以達(dá)到使其孔隙率盡可能小。本試驗(yàn)需要5-10 mm 、5-16mm 、5-20mm 、5-25mm 四種級(jí)配的碎石，經(jīng)摻配后的石子級(jí)配基本符合要求。其物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。

3) 細(xì)骨料：對(duì)于低水膠比的混凝土應(yīng)選用細(xì)度模數(shù)較大的砂，但由于本地區(qū)只產(chǎn)細(xì)砂，為了就地取材，充分利用本地資源，所以本試驗(yàn)采用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的細(xì)砂，其物理力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表1 　水泥性能指標(biāo)

 

表2 　粗骨料的各項(xiàng)指標(biāo)

 

表3 　細(xì)骨料的各項(xiàng)指標(biāo)

 

表4 　試驗(yàn)方案及結(jié)果

 (MPa)

 

表5 　強(qiáng)度的極差計(jì)算

 

　　4) 高效減水劑：高效減水劑是低水膠比、塑性混凝土的必要組份，為確保其流動(dòng)性，必須摻入高效減水劑。高效減水劑具有強(qiáng)烈的分散作用，能大幅度降低用水量，顯著改善混凝土工作性，提高混凝土強(qiáng)度。我們?cè)谠囼?yàn)中選用邯鄲華冶建材廠生產(chǎn)的FDN高效減水劑。

5) 粉煤灰：粉煤灰的摻入可分散水泥顆粒，使水泥水化更充分，提高了水泥漿的密實(shí)度，降低混凝土的泌水，有利于混凝土中骨料-水泥界面強(qiáng)度的提高； 改善混凝土的耐久性。為了解邯鄲粉煤灰在混凝土中的作用，試驗(yàn)中摻入了一定量邯鄲熱電廠的稍加磨細(xì)的原狀粉煤灰。其細(xì)度為(0.080mm方孔篩篩余)20%。

 

    本試驗(yàn)利用正交設(shè)計(jì)的方法，在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中，主要研究粗骨料最大粒徑、水膠比、粉煤灰摻量、砂率對(duì)混凝土強(qiáng)度及和易性的影響。粗骨料最大粒徑為四個(gè)水平，其余的為兩個(gè)水平。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。高效減水劑FDN的摻量是膠凝材料的1.5%。

 

    1) 抗壓強(qiáng)度的極差計(jì)算見(jiàn)表5 。

    2) 抗壓強(qiáng)度的極差分析：

    ① 影響7d和56d強(qiáng)度的主次序均為B→D→A→C， 即水膠比是影響強(qiáng)度的主要因素； 砂率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響不大。粉煤灰摻量和粗骨料最大粒徑有一定的影響。綜合分析后最佳配比為A₂B₁C₂D₂。即水膠比為0.3 、粉煤灰摻量為15%、粗骨料最大粒徑為16mm、砂率為35%。

    ② 骨料最大粒徑的增大，混凝土的強(qiáng)度的變化在各齡期是不完全相同的： 各齡期的混凝土強(qiáng)度在最大粒徑為16mm 和20mm 時(shí)一般有強(qiáng)度的較高值。這說(shuō)明了粗骨料最大粒徑對(duì)高性能混凝土具有最大粒徑效應(yīng)，如圖(由于粉煤灰的摻量不同故對(duì)強(qiáng)度有一定的影響) 。因此骨料粒徑對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響是不可忽視的。

    ③ 隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土強(qiáng)度普遍有所降低，見(jiàn)圖2 。

    ④ 對(duì)坍落度的影響： 粗骨料粒徑和砂率對(duì)混凝土和易性影響比較大。在水膠比為0.35 時(shí)，隨著粗骨料粒徑的增大，坍落度是增加的趨勢(shì)；當(dāng)水膠比為0.30 時(shí)，坍落度的變化不大。如圖3。

 

4. 1 骨料最大粒徑對(duì)強(qiáng)度的影響

    骨料的最大粒徑對(duì)混凝土的強(qiáng)度有明顯的影響，尤其是對(duì)低水膠比的混凝土。具體的影響有： 1) 顆粒小的骨料存在缺陷的幾率小，相對(duì)比較致密，因?yàn)槠扑闀r(shí)消除了控制強(qiáng)度的最大裂縫^{[3 ]} 故強(qiáng)度比大顆粒的高；2) 小顆粒的骨料可降低骨料與水泥石界面的應(yīng)力差；3) 水泥漿與單個(gè)石子界面的過(guò)渡層周長(zhǎng)和厚度都小，難以形成較大的缺陷；4) 小顆粒的骨料增加了與水泥漿的粘結(jié)面積，使粘結(jié)強(qiáng)度提高；5) 在混凝土拌合物中，顆粒大的骨料下沉速度快，造成的混凝土內(nèi)部分布不均勻，影響混凝土的強(qiáng)度。但是粗骨料的顆粒也不能太小， 過(guò)小的顆粒會(huì)大幅度增加表面積和孔隙率； 加工時(shí)粘附在小顆粒上的粉塵比較多會(huì)影響界面的粘結(jié)強(qiáng)度；一些強(qiáng)度很小的小顆粒也不宜剔除。

4. 2 粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

    利用邯鄲熱電廠的粉煤灰，采用等量取代法， 摻量是水泥用量的百分?jǐn)?shù)。考慮到所使用的粉煤灰是稍加粉磨的原狀灰，由于顆粒較粗會(huì)影響到混凝土的和易性并對(duì)其強(qiáng)度有一定影響，所以取代水泥量較低為15% 和20%。

    從圖4(a) 水膠比相同時(shí)，早期強(qiáng)度差別較大， 56d 強(qiáng)度均比較接近； (b) 早期強(qiáng)度(7d) 中，粉煤灰摻量少的強(qiáng)度明顯高； (c) 水膠比相同時(shí)，基準(zhǔn)混凝土(基準(zhǔn)混凝土的水膠比為0.35) 的7d 強(qiáng)度最高， 但56d強(qiáng)度相差不大。

    粉煤灰摻量大的混凝土強(qiáng)度低； 尤其是早期強(qiáng)度，56d 的強(qiáng)度相差不大；說(shuō)明粉煤灰顆粒粗，仍具有一定活性。

    1) 粗骨料的最大粒徑對(duì)混凝土強(qiáng)度、和易性有明顯影響，最佳粒徑為16mm和20mm； 但水膠比仍是影響混凝土強(qiáng)度及和易性的主要因素。

    2) 對(duì)于低水膠比的混凝土，在細(xì)砂的情況下， 其砂率也不宜小于30% ， 否則影響強(qiáng)度。

    3) 稍加粉磨的粉煤灰也可用于低水膠比的混凝土中，7d 強(qiáng)度雖較低但56d 強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，但摻量不宜過(guò)大，否則對(duì)早期強(qiáng)度及和易性影響較大。

 

 

[1] 吳歷斌. 高性能混凝土中的集料研究[J] . 新型建筑材料， 2002，(3)：18-21.

[2] 蔡正永，王足獻(xiàn). 正交設(shè)計(jì)在混凝土中的應(yīng)用[M] . 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[3] 鄭娟榮. 高性能混凝土各組成材料的選擇及試驗(yàn)研究[J] . 建筑技術(shù)，2002，(1)：22-24.

[4] 王繼宗，梁曉穎，梁賓橋.混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展[J] . 河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，20(2)：30 ­