集料對高強混凝土力學(xué)性能的影響

2009/07/01 00:00 來源:湖北散裝水泥信息網(wǎng)

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  摘要:集料在水泥基材中具有重要的作用。混凝土材料中集料相與基體相對水泥基材料力學(xué)性能具有協(xié)同作用,表現(xiàn)出復(fù)合材料的力學(xué)行為。本文主要從集料品種、最大粒徑、粒形、級配、堿活性等方面對混凝土強度、彈性模量及變形等方面的影響規(guī)律進行闡述。
  關(guān)鍵詞: 集料相 基體相 最大粒徑 堿活性
  中圖分類號:量u526.31文獻標識碼:文章編號:1671一9107(2007)05一0044一03
  
  集料在水泥基材中具有重要的作用。傳統(tǒng)觀念認為普通混凝土性能的好壞主要取決于基體相的性能,而集料的影響相對較小,因而集料的作用并沒有引起足夠的重視。然而,隨著水泥基材料性能的提高(如各種高強、高性能混凝土材料的出現(xiàn)),集料在這些材料中的作用逐漸突出。本文著重介紹混凝土材料宏觀組成相— 集料相與基體相對水泥基材料力學(xué)性能的協(xié)同作用,在此基礎(chǔ)上,從集料品種、最大粒徑、粒形、級配及集料含量等方面對混凝土強度、彈性模量等的影響規(guī)律作進一步闡述。
  1水泥基材料中集料相與基體相的協(xié)同效應(yīng)
  
  越來越多的研究表明,隨著水泥基材料力學(xué)性能的提高,其性能并非由單一的基體相決定,而是充分表現(xiàn)出復(fù)合材料的行為?;w相與集料相的相對性能變化對水泥基材料力學(xué)性能的影響就是復(fù)合材料行為的具體表現(xiàn)。這主要是因為在受到荷載作用時,水泥基材料內(nèi)部性能不同的宏觀組成相之間由于荷載傳遞而引起的協(xié)同作用所造成的。
  
  當(dāng)混凝土中基體相與集料相的性能相匹配時,有利于充分發(fā)揮各組成相的最大潛能,并可使混凝土復(fù)合材料性能達到最佳。
  
  Moham ed等采用微觀力學(xué)模型研究了混凝土材料在受荷情況下宏觀組成相的相對性能對其內(nèi)部裂紋擴展的影響,指出集料相與基體相之間的抗拉強度比是決定材料內(nèi)部裂紋擴展途徑最為重要的因素。
  
  另外 ,混 凝土作為土木工程中最常用的建筑材料之一,其基體相與集料相在宏觀尺度上和力學(xué)性能上亦存在較大差別。宏觀尺度上,粗集料最大粒徑為厘米級,未水化的水泥顆粒為微米級,而水泥水化產(chǎn)物的尺度則更小而在力學(xué)性能上,普通混凝土中集料相與基體相的彈性模量之比在5.0以上,高性能混凝土中集料相與基體相之間的彈性模量之比也在3.0左右。上述研究表明,作為由多組分構(gòu)成的復(fù)合材料,混凝土組成相之間在物理性能、力學(xué)性能上的匹配性對其整體性能起著重要的作用,混凝土中基體相與集料相對混凝土的整體性能具有強烈的協(xié)同作用。這種作用是高強高性能、超高性能水泥基材料配合比設(shè)計時應(yīng)該考慮的因素。
  
  2集料對混凝土力學(xué)性能的影響集料對混凝土力學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)在強度、彈性模量和耐久性等方面。
  
  2.1 集料品種對混凝土力學(xué)性能的影響
  
  不同巖石粗集料對混凝土的彈性模量和收縮變形有影響。例如,日本在“新RC計劃”期間對安山巖、硬質(zhì)砂巖和石灰?guī)r進行了對比,結(jié)果是:當(dāng)混凝土強度為100MPa -120MPa時,用安山巖和硬質(zhì)砂巖的混凝土彈性模量為40G戶a,用石灰?guī)r的是50GPa關(guān)于干燥收縮變形,用安山巖的最大為6x10-4,而用石灰?guī)r的最大為4.lx10-4。
  
  混凝土拌合物的工作性能受集料的吸水性質(zhì)的影響,由于集料在拌合過程中,會直接吸走部分拌合用水,降低了混凝土的水灰比,使得混凝土拌合物的工作性變差,混凝土的坍落度減小,強度降低。
  
  有試驗結(jié)果表明:用石灰石、花崗巖、玄武巖和輝綠巖4種集料配制的相同配合比的混凝土中,用吸水率較低的石灰石集料配制的混凝土獲得了最高的抗壓強度,而吸水率最高的輝綠巖混凝土的抗壓強度最低。此外 ,吸水率高的集料,其對混凝土的抗凍性和收縮變形亦有不利的影響。
  
  2.2 集料最大粒徑對混凝土力學(xué)性能的影晌
  
  對于特定的水泥用量與砂率,混凝土中水泥槳量一定,混凝土強度存在集料最大粒徑效應(yīng)。根據(jù)實驗,當(dāng)坍落度一定時,最大粒徑的混凝土因其表面積增大,在相同坍落度下需水量增大,對應(yīng)的水灰比明顯增大或相同配合比條件下,混凝土的工作性變差,內(nèi)部缺陷增多,從而引起強度的降低。從微觀角度認為,粗集料粒徑愈大,與水泥石粘結(jié)的表面積愈小,并且傾向于生成較弱的水泥石一集料界面,即較弱的過渡區(qū),會減弱混凝土的強度。
  
  2.3 集料粒形對混凝土力學(xué)性能的影響
  
  一般卵 ( 礫)石具有球形顆粒外形與光滑表面構(gòu)造,碎石則為棱角顆粒和粗糙表面,粗糙表面具有良好的粘結(jié)作用,有利于強度的發(fā)展。在進行混凝土的配合比設(shè)計及原材料選擇時,為了獲得所要求的混凝土強度和密實性等性能,采取了限制粗集料中針片狀顆粒的含量的要求,這是因為針片狀增多,集料表面積增大,在其他材料用量不變的情況下,拌合物的砂漿數(shù)盆不足以包裹集料表面,使得集料之間的摩擦阻力增大,和易性變差。同時,混凝土構(gòu)筑物中集料的針片狀顆粒含量較多時,在疲勞荷載下針片狀集料極易折斷,從而影響混凝土的使用壽命。
  
  也有試驗研究表明,針片狀顆粒含量與混凝土強度存在一種特殊的關(guān)系,即不是針片狀含量越高,強度越低,也不是針片狀含量越低,強度越高,而是存在一個最佳針片狀值,在這個值附近,混凝土的抗壓強度最高。同時,集料中針片狀含量與混凝土彈性模量有一定關(guān)系,隨針片狀含量增加,彈性模量有增大的趨勢。 [Page]
  
  2.4 集料級配對混凝土力學(xué)性能的影響
  
  粗集料的級配對混凝土的力學(xué)性能有非常明顯的影響,級配良好的集料具有較大的堆積密度和較小的空隙率。在其他條件相同的情況下,堆積密度越大,空隙率最小的集料,其級配可以獲得較高的強度和密實度。
  
  根據(jù)最大密度曲線理論,固體顆粒按粒度大小,有規(guī)則的組合排列,粗細搭配,可以得到密度最大、空隙最小的混合料。因此,石子的堆積密度存在一個合適的粗、細石子比例,在這個比例的集料可以得到最大的堆積密度和最小的空隙率,獲得最高的混凝土強度。
  
  2.5 集 漿 比對混凝土力學(xué)性能的影響
  
  在混凝土拌合物中,集料的表面和空隙要由水泥槳來包裹和填充,使得混凝土拌合物有一定的流動性。若集料的含量過多,則水泥漿的數(shù)量相對較少,不足以被漿體包裹和填充,則拌合物容易離析、粘聚性變差相反,若集料的含量過少,水泥槳的數(shù)量相對過多,達一定限度時,將會出現(xiàn)流漿現(xiàn)象,使拌合物的粘聚性和保水性變差,同時,也會影響強度和耐久性。
  
  2.6 砂 率 變化對高強高性能混凝土力學(xué)性能的影響
  
  在滿足混凝土所要求的性能范圍內(nèi),砂率要盡量低,因為在水泥漿量一定的情況下,砂率在混凝土中主要是影響拌和料的和易性。對于高強高性能混凝土由于用水量較低,砂漿量要由增加砂率來補充,砂率應(yīng)適當(dāng)增大。但是砂率會根據(jù)水泥用量、水灰比、單位用水里、含氣量以及集料的粒徑、粒形等發(fā)生變化,因此,通常情況下很難簡單確定一個標準值,而要根據(jù)實際情況,由試驗獲得。
  
  根據(jù)有關(guān)資料的試驗研究,混凝土的彈性模量隨砂率的增加而降低,抗拉強度則隨砂率的增大而出現(xiàn)峰值?;炷恋膹椥阅A恐饕Q于集料的彈性模童以及粗集料與砂漿的體積比,隨砂率的增大,混凝土中粗集料比例下降,從而造成混凝土彈性模量下降。對給定配合比的混凝土拌和物,存在一個最佳砂率,使得混凝土流動性最高,這主要是因為在保持混凝土坍落度基本相同時,最佳砂率對水灰比有影響,從而影n向混凝土的強度。2.7 集料中堿活性對混凝土力學(xué)性能的影響
  
  當(dāng)混凝土中達到一定數(shù)量的可溶性氧化物(Na2O,K2O)后,這些可溶’}生氧化物會與混凝土中某些含有堿活性礦物的集料在有水分的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成凝膠體,使其體積膨脹,引起已硬化的混凝土開裂破壞。這一現(xiàn)象稱之為堿一集料反應(yīng)?;炷烈坏┌l(fā)生堿一集料反應(yīng),就會自身脹裂,使工程遭到破壞,無法補救。
  
  含有堿活性的集料,其粒徑及含量對膨脹的大小有影響。實踐證明,在混合物中加入細粉狀的二氧化硅,可使由堿一集料反應(yīng)引起的膨脹減少或消除。一方面在低二氧化硅含量范圍內(nèi),對于給定的堿盆條件下,二氧化硅數(shù)里愈大,膨脹量也增加,但在二氧化硅含量較高時,情況正好相反,即活性集料的表面積愈大,單位面積上有效數(shù)量越少,因而可能生成的堿一硅凝膠量也越少。另一方面,由于氫氧化鈣的遷移率非常低,僅集料表面附近的氫氧化鈣可以參加反應(yīng),因此,表面積增加,集料界面處溶液的氫氧化鈣與堿的比值也增加,在這種情況下,便形成一種無害的堿性硅酸鈣產(chǎn)物。 [Page]
  
  對于給定的活性集料,有一個能導(dǎo)致最大膨脹量的所謂“最危險”含量。在活性顆粒較少的情況下,隨著含量的增加,堿的硅酸鹽凝膠數(shù)量越多,膨脹越大。但當(dāng)超過“最危險”含后,活性顆粒越多,單位面積上所能作用的有效堿相應(yīng)減少,膨脹率變小。因此,摻入足夠數(shù)量的活性二氧化硅細粉或火山灰、粉煤灰等,能有效抑制堿一集料反應(yīng)的膨脹效果。
  
  同樣原因 ,將細的硅質(zhì)材料加到粗的活性顆粒中盡管會和混凝土發(fā)生反應(yīng),但會使膨脹減小,這些火山灰摻和料對減少粗集料顆粒的侵蝕有效。
  
  3結(jié)語
  
  集料是混凝土的重要組成材料,其性能對混凝土的物理一力學(xué)性能有重要的影響。特別是對于高強高性能混凝土,其強度受組成材料的強度影響較大,集料的強度明顯影響混凝土的強度。如果集料中混有一定量較弱集料,則混凝土強度會顯著降低?;炷良系募壟漭^理想時,可獲得較高的強度。集料的最大粒徑和混合料的砂率存在一個最佳值,此時混凝土的強度與彈性模量均較高。堿一集料反應(yīng)是一個重要的問題,活性集料容易發(fā)生堿一集料反應(yīng)。在原材料選擇時,應(yīng)選擇非活性集料,降低堿的含量,抑制堿一集料反應(yīng)。凝土的強度與彈性模量均較高。堿一集料反應(yīng)是一個重要的問題,活性集料容易發(fā)生堿一集料反應(yīng)。在原材料選擇時,應(yīng)選擇非活性集料,降低堿的含量,抑制堿一集料反應(yīng)。
  
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