粗骨料对混凝土性能的影响

粗骨料对混凝土性能的影响
粗骨料对混凝土性能的影响
郭福安201306225
摘要:混凝土是目前最大宗的建筑材料，而粗骨料作为混凝土的重要组成材料之一,其性能将对混凝土性能产生不可忽略的影响。

该文通过对国内外相关研究成果的整理、分析,概括总结粗骨料对混凝土性能影响的研究现状,并提出了存在的问题,为进一步改善混凝土性能提供参考和依据并为HPC配合比的优化设计奠定基础。

关键词:粗骨料;混凝土;化学成分;形貌;级配;性能影响
引言
混凝土是目前最大宗的建筑材料［1］，它是一种多相复合材料，其强度取决于水泥石、粗骨料以及粗骨料与水泥石之间的界面强度。

粗骨料是混凝土的骨架，据统计，粗骨料可占混凝土体积的50%～70%，它会影响新拌混凝土的流变性以及硬化混凝土的力学性能和耐久性［2］。

近年来，由于天然砂资源短缺，人们加强了对细骨料的研究，使机制砂的生产与使用得到迅速发展［3］，但是对于粗骨料仍然没有给予足够的重视。

现在随着混凝土工程的超高层化和大型化，高强混凝土的使用越来越广泛，而在高强混凝土中，粗骨料相对来说才是薄弱环节［4－6］，粗骨料本身的特征，如种类、颗粒形状及大小、表面特征和级配，无论是对新拌混凝土还是硬化后混凝土的性能都有着重要的影响。

因此，有必要全面深入地探讨粗骨料的物理化学特性对混凝土性能的影响。

1粗骨料在混凝土中的作用
粗骨料是混凝土的重要组成部分，原来人们认为粗骨料是一种惰性材料，通过水泥浆的粘结作用与水泥砂浆构成混凝土。

实际上粗骨料并不是没有活性的，它的物理化学性质都会对混凝土的性能产生影响［7］美国著名混凝土专家Metha曾指出:“将粗骨料作为一种惰性填充材料应画上一个问号”。

我们可以将国内外学者对粗骨料在混凝土中所起的作用的研究成果归纳为以下几点。

1.1粗骨料的刚性骨架作用
在普通混凝土配合比设计中，一般认为粗骨料抗压强度应为混凝土设计强度的2倍左右，不得低于设计强度的1.5倍［8］，粗骨料的强度和弹性模量通常要比水泥石高，其耐久性和体积稳定性也是混凝土各组分中最好的，而且粗骨料体积超过混凝土体积的一半，因此粗骨料在混凝土中起着刚性骨架的作用。

在混凝土承受压荷载时，其内部由粗骨料传递应力，当混凝土在外荷载作用下发生破坏时，裂缝很难贯穿粗骨料而是绕过粗骨料在骨料周围出现，这样在一定的条件下，混凝土破坏时可能会吸收更高的能量，从而提高混凝土的强度。

粗骨料
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下结论:骨料的吸水率对混凝土的用水量有直接影响，当碎石吸水率≥3%时，混凝土坍落度明显减小而且损失很快。

粗骨料的吸水率对硬化后混凝土的性能也有影响。

Aitcin P C等的研究表明，在普通混凝土中，钙质石灰岩和白云石的强度较高，这是因为这两种骨料的孔隙率较大，可以吸附较多的水分，降低了骨料周围的水灰比，提高了界面过渡区的强度，进而提高了混凝土强度。

Wasserman R等［25］则提出吸水率大的骨料不容易在骨料下方形成水囊，改善了混凝土内部结构，从而提高了混凝土强度。

其实，吸水率大的骨料吸附的水可以在一定程度上加强混凝土的后期养护，这时骨料相当于小的水源。

粗骨料的吸水率还可以影响混凝土的耐久性，尤其是对其抗冻融侵蚀性能有重要影响。

2.1.3粗骨料化学成分对混凝土性能的影响
粗骨料的化学成分对混凝土性能的影响归结为3个方面。

一方面是对于活性骨料来讲，可能会在界面处与水泥浆中的活性物质发生反应，生成水化碳铝酸钙等可以增加界面强度的物质［26］。

李友群等［27］的研究表明，粗骨料是影响混凝土高温性能的最主要原因之一，钙质骨料混凝土的抗爆裂性要优于硅质骨料混凝土。

2.2骨料形状与表面状态的影响
粗骨料的形貌无论是对新拌混凝土的性能，还是硬化后混凝土的性能的影响都比较显著。

拌制混凝土最理想的颗粒形状是接近球体或较规则的多面体，针片状骨料会增大堆积骨料的空隙率和比表面积，这样就容易增大骨料表面的吸水量，进而影响新拌混凝土的流动性，同时针片状骨料在混凝土的拌制及振动过程中易定向排列，这样会导致混凝土的强度降低。

总体上来讲，由于针片状骨料自身形状的影响，对混凝土抗折强度的影响较大。

潘琨［28］详细研究了针片状粗骨料对混凝土性能的影响，结果表明，若粗骨料中针片状颗粒含量过多对混凝土会产生不利影响，实际使用时应控制针片状颗粒的含量。

于本田等［29］用灰色关联度法研究了粗骨料对混凝土性能的影响，指出针片状颗粒含量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响最为明显。

吴历斌等［30］也研究了骨料形状和含量对新拌混凝土和硬化后混凝土的影响，结果认为，单就强度来讲，混凝土中存在最佳针片状颗粒含量值，并指出最佳针片状颗粒含量为12%。

平时拌制混凝土的粗骨料可分为卵石和碎石，碎石表面粗糙且化学活性高，容易与砂浆结合;卵
石的表面比较光滑，Ca(OH)
2结晶取向性好，附着在表面的Ca(OH)
2
较厚，劣化了界面过渡区
结构［31］，因此在相同水灰比下，碎石混凝土的强度比卵石混凝土高。

同时，碎石中含有一定数量的针片状颗粒，而且碎石的表面没有卵石光滑，因此就和易性来讲，水灰比相同时，卵石混凝土的和易性要好于碎石混凝土的和易性。

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2.3粗骨料粒径及颗粒级配的影响
人们对粗骨料的最大粒径对混凝土性能的影响做了不少研究，但是由于问题本身的复杂性，仍未得出很好的结论。

吴中伟等［32］认为，对于低强混凝土来说，骨料最大粒径的影响不大;对于高强混凝土来说，骨料最大粒径的影响较大，这时用小粒径的石子有利于改善界面过渡区结构。

Basheer L等［33］研究了这方面的问题，表明增大混凝土中粒径20mm的粗骨料的含量，混凝土的坍落度增大，抗压强度降低。

戴朝阳等［34］发现混凝土抗压强度随粗骨料最大粒径的增大而增大，当粗骨料最大粒径＞20 mm时，抗压强度略有下降，总体来说，骨料粒径对高强混凝土的影响较显著。

杨再富［35］通过试验研究得出混凝土中存在粒径效应，这种效应对中高强混凝土的影响较明显。

孙永山认为粗骨料最大粒径对普通混凝土和高强混凝土都有较大影响。

总之，粗骨料的粒径大小对混凝土的影响很复杂，对于粗骨料的粒径效应有必要进一步研究。

骨料的颗粒级配是配制混凝土的关键，骨料颗粒级配不良的混凝土，施工过程中必然是浆、骨、水分离析，浇注成型艰巨，最后导致混凝土成品“蜂窝、狗洞、麻面”，进而降低混凝土强度，影响耐久性。

级配良好的粗骨料孔隙率小，堆积密度大，配制的混凝土质量较好［37］。

2.4粗骨料用量的影响
粗骨料的体积稳定性及强度都要优于砂浆，并且粗骨料的价格比水泥低，因此，适当增加粗骨料用量可以减小混凝土的收缩徐变，提高混凝土的耐久性，同时还可降低混凝土的成本。

但是，粗骨料的用量也不能太高，否则混凝土中浆体过少，影响混凝土的和易性及界面粘结强度，降低混凝土的强度及耐久性。

因此，混凝土中粗骨料的用量对混凝土性能的影响引起了研究者的极大关注。

邢锋等通过对高性能混凝土中粗骨料的数量效应研究，指出混凝土中的粗骨料在一定体积用量范围内，随着粗骨料体积用量的增加，混凝土的强度也随之增加，Stock A F等的研究表明，当粗骨料体积用量为30%～40%时，混凝土的性能最差。

3结语
粗骨料在混凝土中起到骨架及引发并阻止裂缝的作用，它本身的种类、表面状态、最大粒径及级配、用量等都会影响到混凝土的性能。

通常来讲，粗骨料是制约高强混凝土强度的因素，对于普通混凝土，单纯提高粗骨料强度并不能提高混凝土强度。

骨料的最大粒径不宜太小，那样会影响混凝土的工作性;但也不宜太大，否则会影响混凝土强度。

级配良好的粗骨料比表面积小，紧密密度大，孔隙率小，同一水灰比的情况下配制出的混凝土工作性及耐久性好，强度高，而且还可节约水泥用量，有良好的经济效益。

粗骨料在混凝土中起着刚性骨架的作用，因此配制混凝土时必须要有一定数量的粗骨料，骨料的用量也不易太高，否则会影响混凝土的工作性及界面性能，进而影响混凝土的强度及耐久性。

但是，由于混凝土本身
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是一种宏观材料，加之粗骨料来源及性能的不确定性，实际研究中针对粗骨料某些性能对混凝土性能的影响并未取得一致结果，例如粗骨料粒径、粗骨料用量的影响，综合国内外的研究过程，几乎全是在大量的试验研究基础上得到定性的结果，而要从科学的角度定量研究粗集料对混凝土性能的影响，除了要进行大量的试验研究，还必须借助数值模拟技术。

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