粗骨料颗粒级配对混凝土强度的影响

摘要：分析了粗骨料的最大粒径、颗粒级配对混凝土强度的影响，并从理论上分析了其表面特征和颗粒形状、强度对混凝土性能的影响。经分析得知，粗集料各方面的性能对混凝土的性能有较大的影响，其中以最大粒径和颗粒级配对混凝土性能的影响最为显著，高性能混凝土对粗集料的各方面性能均有较高的要求。

　　关键词：粗骨料 连续级配 间断级配

　　粒径在5mm以上的岩石颗粒称为粗骨料，即石子。粗骨料是混凝土的主要组成材料，其特征和性能直接影响和决定着混凝土的性能。粗骨料在混凝土中约占70%，是混凝土的主要组成成分。本文就粗骨料的物理性质对混凝土性能的影响分析如下。

　　1 最大粒径

　　石子的粒径越大，其比表面积相应减小，因此所需的水泥浆量相应减少，在一定的和易性和水泥用量的条件下，则能减少用水量而提高混凝土强度，从这个意义上说，石子的粒径应尽量选用大一些的^[1]。但并不是粒径越大越好，一是粒径越大，颗粒内部缺陷存在的机率越大;二是粒径越大，颗粒在混凝土拌合中下沉速度越快，造成混凝土内颗粒分布不均匀，进而使硬化后的混凝土强度降低，特别是流动性较大的泵送混凝土更加明显。在普通混凝土中，碎石的最大粒径是根据构件的截面尺寸和钢筋间距来确定，粒径的大小对强度影响不大。对此，我们做了实验，其实验结果如表1。

表1 C20级混凝土实验结果

　　当混凝土水胶比较小(一般为不大于014)时，碎石的最大粒径对混凝土强度的影响就很显著，国 外一般认为其最大粒径不宜超过10mm，我国现行规范规定为不超过3115mm，通常取20～ 25mm^[3] 。对此，我们也做了相应的实验，实验结果如表2。从表2中可见，碎石的最大粒径对高强混凝土的强度有较大影响。因此，对于高性能混凝土，所用石子的最大粒径要有限制。美国Mehta和加拿大Atcin认为^[2]，对大多数岩石来说，如果把最大粒径减小到10～15mm，通常可以消除骨料的内在缺陷。混凝土强度为60～100MPa时，石子最大粒径可以选为不大于20mm，强度超过100MPa时，石子最大粒径不能超过12mm。日本建议超高强混凝土石子的最大粒径在10mm以下。但也不是说粒径越小越好，粒径太小，使得石子的比表面积增加，空隙率增大，势必要增加水泥用量，提高成本，否则会影响混凝土的强度。同时，粒径越小加工时粘附在石子表面上的粉尘越多，给施工冲洗带来困难，一旦冲洗不干净，则会大大削弱骨料界面的粘结力，进而降低混凝土的强度。

表2 C50级混凝土实验结果

　　2 颗粒级配

　　级配对混凝土的和易性、经济性有很大影响，直接影响到混凝土的强度、抗渗、耐久性。较好的骨料级配应当是:空隙率小，以减少水泥用量并保证密实度;总表面积小，以减少湿润骨料表面的需水量;有少量的细颗粒以满足和易性的要求。石子的级配有两种^[1]：即连续级配和间断级配。关于级配对混凝土的影响，我们做了实验，实验结果如表3所示。从表3中可以看出，连续级配和间断级配均对混凝土的性能有较大的影响。因此，在不具备连续级配的碎石时，可以采用间断级配。颗粒级配越好，空隙率越小。可由公式P=(1-ρ0Πρ1)×100%计算，其中P为空隙率，ρ0为试样的松散(或紧密)密度，ρ1为试样密度。一般碎石的空隙率控制在44%以内为宜。

　3 表面特征和颗粒形状

　　碎石的表面特征主要是指骨料表面的粗糙程度及形成的空隙特征等。一般情况下，卵石表面光滑，少棱角，空隙与表面积较小，拌制混凝土时用水泥量较少，和易性较好，但与水泥浆的粘结力较差;碎石颗粒粗糙有棱角，空隙率和总表面积大，与卵石混凝土比较，碎石混凝土所需水泥浆较多，但与水泥浆的粘结力较强。图1也充分说明了这一点。所以在同样条件下，碎石混凝土强度高，故配制高强混凝土宜用碎石。

　　碎石的颗粒形状以接近球形或立方体形为优，以针状、片状颗粒为差。当含有较多的针、片状颗粒时，将增加空隙率，降低混凝土拌合物的和易性，骨料界面粘结力下降，并且针、片状颗粒受力时容易折断，进而影响混凝土强度。《标准》规定，碎石或卵石中针、片状颗粒含量应符合表4的要求。

　　表4 针、片状粗骨料颗粒含量

图1 骨料品种对混凝土强度的影响

　　4 强度

　　天然石子有很高的强度，即使是经强烈风化的低强度花岗岩，其岩石抗压强度也可达80～100MPa;粗粒花岗岩岩石强度可达120～140MPa；非常坚硬的粗粒花岗岩强度可达180～200MPa^[2]。要求岩石的抗压强度与混凝土强度之比不应小于115。因此，在普通混凝土中，碎石的强度对混凝土强度的影响不大，但对高强混凝土则大不相同。高强混凝土的水胶比较小，水泥砂浆构成的水泥强度较高，所以要求碎石的强度也要相应提高。在工程中，一般衡量粗骨料强度大都采用压碎指标。混凝土强度等级为C60级以上时应进行岩石抗压强度检验，其他情况下如有怀疑或认为有必要时也可进行岩石的抗压强度检验。碎石的压碎指标应符合表5规定。

表5 粗骨料的压碎指标值

　　综上所述，碎石的最大粒径对普通混凝土的性能影响不大;对高性能混凝土有显著影响，我国现行规范规定为不超过3115mm，通常取20～25mm。颗粒级配对混凝土的性能有很大影响，粗骨料级配后的空隙率应不大于44%。表面特征以表面粗糙为好，颗粒形状以接近球形或立方体形为优。其强度对普通混凝土性能几乎无影响，高性能混凝土对此有较高要求。