粗集料对高性能混凝土的影响与技术研究

粗集料对高性能混凝土的影响与技术研究
[摘要]本文分析了粗集料中强度、弹性模量、最大粒径、颗粒级配、形状与表面状态及有害杂质等诸多因素对高性能混凝土的影响，提出了高性能混凝土所用粗集料的几项重要指标。

【关键词】粗集料；高性能混凝土；技术指标
在高性能混凝土原材料的研究中，注重研究水泥、掺合料和外加剂的较多，而对集料的研究讨论较少。

众所周知，在混凝土整个体积中，集料要占60%以上，集料的质量对混凝土性能的影响至关重要，对高性能混凝土更加突出。

本文就粗集料的物理性质对高性能混凝土的影响分述如下，希望能引起同行更多的关注。

1.强度与弹性模量
粗集料是混凝土组织结构中的大骨架，通常使用碎石或卵石。

质地优良的碎石或卵石的强度大都高于普通混凝土强度的2～4倍。

因此，在普通混凝土中，粗集料的强度对混凝土强度的影响不大，但对高性能混凝土则大不相同。

高性能混凝土的水胶比较小，水泥砂浆构成的水泥石强度较高，所以要求粗集料的强度也要相应提高。

从混凝土抗压强度试验时就可以看到，高性能混凝土破坏时，有粗集料破碎的现象，这在普通混凝土中是少见的。

在配制高性能混凝土时，要充分考虑到粗集料的强度。

在工程中，一般衡量粗集料强度大都采用压碎指标，但有的施工规范中提出C60级以上的混凝土用集料，要做岩石抗压强度试验，我们认为岩石抗压强度试验所测定的是原岩石的质量，而不是在混凝土中使用集料质量，集料的压碎指标试验，更接近集料在混凝土中的受力情况，所以用压碎指标来反映粗集料的强度更符合实际。

此方法测定简便，对于粗集料中软弱颗粒的鉴别力更强。

根据我们的试验，高性能混凝土用粗集料的压碎指标不宜大于10%。

粗集料的弹性模量直接影响着混凝土的强度和弹性模量。

M. F.卡普兰（Kaplan）研究了粗集料弹性模量、颗粒形状、表面特征对高强混凝土强度的影响程度如表1。

一般地说，集料的弹性模量越高，制得混凝土强度和弹性模量也越高。

对弹性模量有较高要求的预应力混凝土，要进行粗集料弹性模量试验，只有集料的弹性模量高，才能配制出高弹性模量的混凝土。

由于测定集料弹性模量比较费力，所以很少有人测定。

集料的弹性模量同集料的表现密度存在着显著的线性关系，如图1所示。

因此，可用测定集料表观密度的方法间接求得集料的弹性模量。

集料的弹性模量还影响着混凝土的徐变，这是由于集料对水泥石约束作用的结果。

集料的弹性模量越大应力混凝土因徐变而引起的预应力损失更为重要。

各种集料的弹性模量取决于岩石本身的组成结构，其变化范围较大，致密的花岗岩的弹性模量可高达8.81×104MPa，而凝灰岩的弹性模量只有0.60×104MPa。

用于高性能混凝土的集料，其弹性模量要高于混凝土弹性模量的设计值。

2.最大粒径与颗料级配
粗集料的最大粒径也是影响高性能混凝土的重要因素之一。

在普通混凝土中，粗集料的最大粒径是根据构件的裁面尺寸和钢筋间距来确定，粒径的大小对其强度影响不大。

高性能混凝土粗集料的最大粒径应根据混凝土的强度等级和集料界面的粘结强度由试验决定。

集料粒径对混凝土强度的影响，主要来自三个方面：一是颗粒内部缺陷，粒径越大，缺陷存在的机率越大；二是集料界面的粘结强度，粒径越大，界面粘结强度越低；三是颗粒在混凝土拌合物中的运动速度，颗粒运动速度遵循v=2r2（ρ-ρc）/9η（v为运动速度，r为颗粒半径）的运动方程，粒径越大，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。

A.M内维尔建议混凝土强度为60～100MPa时，石子的最大粒径不宜大于20mm，中国水利水电科学研究院采用最大粒径40mm的石子，配制出了强度为86.1MPa的泵送混凝土，用最大粒径80mm的石子配制出75.2MPa的高强混凝土，并在工程中应用。

我们认为高性能混凝土粗集料的最大粒径要选择小一些为宜，但也不是说料径越小越好。

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造价，否则会影响混凝土强度。

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，一旦冲洗不彻底，则会大大削弱集料界面的粘结力，进而降低混凝土的强度。

在奉云线高速公路新梅子沟大桥施工中就出现了使用5-10mm碎石，混凝土强度降低的现象，在奉云线高速公路配合比试验时也出现了类似情况。

我们进行了复验，结果如表2。

在试验中我们还发现，粒径小（5～l0mm）的碎石降低混凝土强度，除粉尘作用外，还同石灰石中存在方解石岩脉有关，方解石岩脉强度低，粒径小时不宜剔除。

因此，根据试验和目前国家石子级配分级标准，我们认为高性能混凝土粗集料最大粒径不宜超过31.5mm，对5～10mm的细石要适当控制。

良好的集料级配可用较少的水泥浆制得流动性好、泌水少，不离析的混凝土拌合物，硬化后得到均匀密实的混凝土。

我国的粗集料资源较为丰富，较高强度的石灰岩、花岗岩各地均有，但由于开采加工及运输上的问题，使得目前市场上销售的粗集料级配不良，空隙率大，这给高性能混凝土的开发和应用带来一定困难。

在工程中除按规定进行石子筛分试验外，还要测定石子的表观密度和堆积密度，按式P= （1-ρ0/ρ’0）×100%计算出空隙率。

在石子表观密度一定的条件下，堆积密度越大，空隙率越小，石子的级配越好。

一般碎石的空隙率控制在44%以内为宜。

高性能混凝土最好使用连续级配的粗集料，如果不具备连续级配的集料，可以将两种单粒级配混合成连续级配，在特定条件下也可以使用单粒级配。

例如我们用10～20mm的碎石配制了C50级的泵送混凝土用于奉云线高速公路工程中。

3.颗拉形状与表面状态
粗集料的颗粒形状以圆球或立方体形为最优，含有较多的针、片状颗粒.将
增加空隙率，降低混凝土拌合物的和易性，集料界面粘结力下降，并且针、片状颗粒受力时容易折断，进而影响混凝土的强度。

对针、片状颗粒对混凝土性能的影响，我们的试验结果如表3。