粗骨料對自密實混凝土工作性能影響的研究現狀

熊 恩 單 智

（南華大學 城市建設學院，湖南 衡陽 421001）

粗骨料對自密實混凝土工作性能影響的研究現狀

熊 恩 單 智

（南華大學 城市建設學院，湖南 衡陽 421001）

粗骨料作為自密實混凝土的重要組成材料之一,其性能對自密實混凝土工作性產生很大的影響。本文通過國內外相關文獻研究成果的整理、分析,概括總結粗骨料對自密實混凝土工作性能影響的研究現狀,并提出了存在的問題,為進一步改善自密實混凝土性能提供參考和依據。

粗骨料;自密實混凝土;工作性能

自密實混凝土指新拌混凝土具有高流動度而不離析、不泌水和高均勻性, 能在不經振搗或少振搗的情況下自流平并自動通過鋼筋間隙充滿模具, 達到充分密實和獲得最佳性能的混凝土。骨料在混凝土中發揮著重要作用，自密實混凝土作為一種對工作性有特殊要求的高性能混凝土，其對包括骨料在內的原材料性能有更為嚴格的要求。研究粗骨料體積含量、最大粒徑以及類型對自密實混凝土拌合物流動性能的規律，選擇適合的流動測試方法，為更清晰地理解粗骨料在自密實混凝土中的作用效應提供科學依據。

1 國內外研究現狀

1. 1 粗骨料品種的影響

不同種類的粗骨料成分不同,其本身的性質存在差異,將對自密實混凝土的流動性產生不同的影響。目前國內外學者對采用不同粗骨料制成的自密實混凝土進行了一系列研究,也得到一些相應的結論。

張云國[1]采用膨脹頁巖來配制輕骨料自密實混凝土，通過V 型漏斗、流動擴展度、L 槽、U 型槽、篩分、柱分層及表面沉降試驗對自密實輕骨料混凝土的流動性、變形性、填充性和抗離析性進行了評價,對自密實輕骨料混凝土的工作性能進行了驗證，取得良好的流動性、變形性和穿越鋼筋的能力。與普通自密實混凝土相比，輕骨料混凝土隨著時間的延長流動擴展度減小。SCLC中的輕骨料無明顯分層現象,符合SCC規范要求。隨著SCLC剪切流動速度的增加,其抗離析性逐漸降低。

文獻[2]采用回收廢玻璃來替代部分花崗巖碎石配制自密實混凝土，替代的比例為5%、10%、15%三種。通過與花崗巖碎石自密實混凝土比較，在其它相同的條件下，隨著廢玻璃替代比例增大，流動擴展度和鋼筋穿越能力增大；而試塊的抗壓強度、劈裂拉伸強度、彈性模量降低，干縮性也隨之降低。

S.C.Kou 和C.S.Poon[3]采用再生粗骨料制成自密實混凝土,對其流動性和抗壓強度進行測試。實驗配制了三種不同的自密實混凝土，前兩種用再生骨料替代河沙為細骨料，替代比例為0、25%、50%、75%、100%。實驗結果表明，流動擴展度隨再生細骨料的含量增加而增大，且至少達到760mm。抗壓強度和劈裂拉伸強度值隨再生細骨料含量增加而減小，強度值在25%～50%。

胡澤清[4]用不同母巖骨料組合拌制自密實混凝土,得到在細骨料相同的條件下,采用微晶玄武巖、白云石、混合玄武巖作為粗骨料的自密實混凝土工作性測試V型漏斗、坍落度、坍落擴展度值基本相同，抗壓強度基本相當；而牛廄玄武巖,灰巖混凝土的抗壓強度相對較低。不同粗、細骨料配制的混凝土抗壓強度比變化范圍為6.6 %～8.3 %， 說明采用不同母巖粗、細骨料組合配制混凝土時對其力學性能影響較為明顯。

巴恒靜[23]試驗用三種骨料輝綠巖、花崗巖和玄武巖拌制自密實混凝土進行工作性測試，三種骨料的級配、最大粒徑和針片狀含量均相同,表觀密度分別為2.84g/ cm3、2.63g/ cm3、2.59g/cm3, 吸水率分別為0.38 %、0.42 %、0.58 %。從實驗結果可知,三種不同自密實混凝土的塑性粘度變化不明顯，但輝綠巖自密實混凝土屈服應力比玄武巖骨料的略有降低。

Ilker Bekir Topcu[5]采用橡膠顆粒和碎石共同粗骨料來配制自密實混凝土，通過自密實混凝土工作性測試，當橡膠顆粒在混合物中的含量增加時，坍落度測試時達到T500的時間變小，流動性和穩定性能提高，流動擴展度在590mm～800mm之間。

以上可知，不同種類的粗骨料對自密實混凝土拌合物的流動參數有一定影響。這是因為在骨料體積近似的情況下,表觀密度越大使其流動所需外力就越大;吸水率越大吸附的水泥漿的量也就越多,從而減少了起潤滑作用的水泥漿的量,使混凝土拌合物的流動性降低，但影響并不十分顯著。因此,除重大工程外,選擇粗骨料時可不考慮種類因素,應就地取材。

1. 2 粗骨料相對含量的影響

混凝土中粗骨料的相對含量影響著混凝土的性能。自密實混凝土是高性能混凝土的一種，與普通混凝土相比，自密實混凝土粗骨料相對含量較少。Okamura認為,限制骨料用量、采用較低的水灰比并且添加超塑化劑可以實現混凝土的高流動性[16] 。要獲得真正的自密實混凝土,混凝土組成材料粗骨料含量必須滿足條件Vg＜340L/ m3。目前國內外學者在骨料含量對自密實混凝土性能的影響這方面也作了一定量的研究。

Wen-ChenJau[6]利用新改進的流變儀MCR測定自密實混凝土流變參數時發現，粗骨料在配合比中含量較高時，則V型漏斗時間變長，塑性粘度變大，測得的扭矩也變大。

Chi Sun Poon ,Chi Sing Lam[7]對三種不同類型的骨料—天然壓碎骨料NCA、再生壓碎骨料RCA 和再生壓碎玻璃RCG,在骨料與水泥的比率A/ C 為3～6 的情況下的混凝土試塊的性能進行研究,得出隨著A/C的增加,試塊的抗壓強度降低。

許多學者對再生粗骨料不同取代率對自密實混凝土性能的影響進行過研究。研究發現,再生粗骨料應用在混凝土中在一定程度上會降低混凝土自身的抗壓強度和彈性模量[8、9] 。所以在使用時應控制取代率。文獻[5]對橡膠顆粒取代骨料的不同比例進行了研究，通過三種添加含量60kg/ m3、120kg/m3、180kg/m3的橡膠顆粒混凝土進行對比，隨著取代率的增大,其抗壓強度和堅固性相應降低，但殘余抗壓強度會相對提高。

1. 3 粗骨料形狀和表面特征的影響

卵石和碎石是自密實混凝土常用的兩種粗骨料。卵石表面比較光滑,呈圓形無棱角,碎石表面粗糙多棱角,所以在相同的水泥用量情況下,卵石自密實混凝土拌合物比碎石自密實混凝土拌合物流動性大一點,碎石混凝土中碎石與漿體之間的粘結作用要強于卵石混凝土中卵石與混凝土的粘結。在相同配合比條件下,卵石混凝土的強度比碎石混凝土低。

P.L.Domone[10]總結了碎石自密實混凝土和卵石自密實混凝土使用范圍，在44處自密實混凝土使用結構中，碎石的有34處，而卵石的只有10處。說明碎石自密實混凝土比卵石自密實混凝土使用廣泛。

魯麗華，吳卓[11]對不同強度的卵石及碎石進行三點彎曲試驗測試自密實混凝土的斷裂性能,發現石灰巖碎石混凝土的斷裂能較卵石小,這說明顆粒形狀影響混凝土的斷裂性能。

Dimitri Feys[12]在研究自密實混凝土剪切增稠的原因時，發現碎石自密實混凝土發生剪切增稠的強度比卵石的要高。針對這種情況，作者認為卵石自密實混凝土流動性比碎石的要大所造成的。

另外，王德輝[13]發現當粗骨料顆粒形狀較差，含針片狀顆粒較多時，致使混凝土和易性降低，流動性變差。這是因為粗骨料空隙率和比表面積增大，與砂漿體接觸面增加，表面吸水量增加，摩擦阻力增大，一定量的砂漿體充填到顆粒間的空隙中去，剩余的砂漿體數量減少，導致混凝土拌合物內部起潤滑作用砂漿層厚度減少，以致混凝土在整體運動過程中阻力增大。而形狀規則的粗骨料在混凝土拌合物流動過程中受力較均勻能較好保持拌合物整體的穩定性，使混凝土拌合物的粘聚性增強，能夠很好地減小水泥用量，提高混凝土拌合物的工作性能。片狀顆粒不影響自密實混凝土的初始坍落度,但影響其坍落度損失,含量越多,影響越顯著。

1. 4 粗骨料最大粒徑和顆粒級配的影響

粗骨料的最大粒徑是影響自密實混凝土的重要因素之一。由于自密實混凝土常常用于鋼筋稠密和薄壁的結構中，骨料粒徑較大，內部缺陷存在增大，粗骨料下沉速度加快，使混凝土內部顆粒分布不均勻，沉降離析現象發生，從而影響混凝土的流動性和耐久性。若粗骨料粒徑太小，使骨料比表面積增加，所需要的砂漿體積增加，配制標準的自密實混凝土勢必要增加水泥用量，提高成本。劉昊[14]研究了粗骨料粒徑分別為20mm和16mm自密實混凝土的工作性和強

度，實驗結果表明，當粗骨料最大粒徑由20mm降低至16mm時，拌和物的坍落度值、坍落流動值、流速值均減小，間隙通過性降低。但由于小顆粒的骨料增多，比表面積增加，減少了漿體自由水的含量和骨料表面的過剩漿體層厚度，拌和物的均勻性得到改善，穩定性提高。抗壓強度也隨著粒徑的減小而增大。因此自密實混凝土粗骨料粒徑一般宜小于20mm[15]。

R.Zerbino.B[17]粗骨料的尺寸增大，則V型漏斗流過的時間變長，塑性粘度增加，得到了很低的屈服壓力。自密實混凝土發生離析的概率增大。

良好的顆粒級配可使骨料的空隙率和總表面積均較小,從而可以減少水泥漿的用量,水泥漿用量的減少可以降低水化熱,減少混凝土干縮。此外,良好的顆粒級配,降低用水量可以提高混凝土的密實度、強度和其它一些性能。林英紅[18]在保持其他條件基本相同情況下，試驗研究了5～10mm和10～20mm兩種不同粗骨料級配對自密實混凝土工作性能的影響，粗骨料中細顆粒越多，混凝土坍落度及坍落擴展度越大，流出時間也越小，表明混凝土具有較高的流動性，而早期強度略有下降。當骨料中粗顆粒較多時，坍落度、坍落擴展度略有增大，混凝土狀態明顯差，但后期強度較高。從自密實混凝土的拌合物性能要求來看，選擇合適的骨料級配比例也是制備自密實混凝土的關鍵技術之一。

1. 5 粗骨料的顆粒形狀指數影響

對于骨料種類、級配、針片狀顆粒含量等指標均相同的粗骨料而言，還可以采用顆粒的形狀指數來評價骨料對自密實混凝土流動性的影響，以便選擇更佳的粗骨料。粗骨料顆粒形狀的評定可以用粗骨料顆粒球度和粗骨料顆粒形狀指數來表示。文獻[23]試驗結果顯示，粗骨料形狀指數由0.4743減小到0.3785，T500流動時間增大、塌落擴展度減小、L型流動儀高度比H1/H2減小、U型儀高度差Δh增大，拌合物抗離析能力下降，穩定性變差。文獻[13]選用四種不同的骨料顆粒形狀指數0.13、0.18、0.24 和0.27。從實驗結果可知，隨著粗骨料顆粒形狀指數增加，自密實混凝土拌合物的兩個流變參數塑性粘度和屈服應力明顯降低。這主要是由于骨料顆粒的形狀指數越大,骨料顆粒越接近球形,其棱角數也就越少,這就降低了拌合物在流動時粗骨料互相之間的機械嚙合,從而使屈服應力降低。

2 結論

隨著自密實混凝土技術的進步,以及各種復雜建筑結構的需要，自密實混凝土應用越來越廣泛，工程建設規模越來越大,對骨料的需求量也與日俱增。通過對國內外相關研究成果整理、分析,概括總結了粗骨料對自密實混凝土性能影響的研究現狀,并提出了今后需要進一步研究的問題。

（1）骨料種類對自密實混凝土拌合物的流動性影響不大。

（2）骨料的最大粒徑越大,其比表面積越小,所需的用水量和水泥漿越少,保持用水量不變,則可降低混凝土拌合物的流變參數,但粒徑過大易產生離析現象。

（3）骨料顆粒的形狀指數對屈服應力影響較大,應選擇形狀指數大的骨料。

（4）對不同粗骨料的自密實混凝土研究中，工作性的不同是目前研究的重點，但難以從本質上解釋不同粗骨料自密實混凝土的差異性。今后的研究方向是從流變機理以及流變參數的不同來揭示自密實混凝土的性質。

（5）粗骨料對新拌自密實混凝土的流變性能還需要進行進一步研究,并且對自密實混凝土在施工過程中的粗骨料的流動要能進行計算機模擬。

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（責任編校：何俊華）

TU-O

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1673-2219（2010）12-0093-03

2010－10－06

熊恩（1985－），男，湖南益陽人，南華大學城市建設學院碩士研究生。