集料級配對混凝土性能的影響研究

劉學民，宋海濤

（天津城建設計院有限公司，天津市 300121）

0 引言

混凝土作為重要的建筑材料被廣泛地應用于工程建設[1]。集料是混凝土中用量最大的組成成分，集料的顆粒級配對于混凝土的品質有很大的影響，特別對于新拌混凝土，集料級配直接影響到其粘聚性、和易性等，進而影響到硬化混凝土的強度及耐久性等性質[2]，因此，選取合適的集料級配對于新拌混凝土和硬化混凝土性能均十分重要。

對于集料級配，已經有過很多的研究，且都有自己的特點，但是很多成果應用到實際工程中有很多不方便之處。本文對3種集料級配進行研究，分析其對混凝土工作性能及力學性能的影響。

1 集料的作用及級配理論

1.1 集料在混凝土中的作用

集料是混凝土重要的組成部分，在混凝土設計中占有重要的地位[3]。混凝土是一種顆粒型多相復合材料，在實際應用中，可將混凝土看作是兩相復合材料，即集料和砂漿體。集料在混凝土中所起的作用[4]大致可歸納如下4點。

（1）骨架增強作用

集料在混凝土中起著剛性骨架作用，提高了混凝土的強度和變形模量，使得混凝土比單純的水泥漿具有更好的體積穩定性和耐久性。

（2）裂縫的引發和抑制作用

混凝土中適量的集料能提高混凝土的體積安定性能。混凝土破壞主要是其內部存在的結構缺陷的結果，結構缺陷引起應力集中，導致裂縫產生，裂縫在荷載作用下不斷擴展，但在混凝土復合體系中，集料既能引發裂縫，也能抑制裂縫的擴展。

（3）控制溫度變形作用

混凝土中水泥及礦物外加劑的凝結硬化是一種水化放熱反應，溫度變化引起的溫度應力常導致混凝土開裂。由于集料在混凝土的凝結硬化過程中不發生反應，對混凝土的溫度變形具有一定的抑制作用[5]。

1.2 混凝土集料級配理論

目前，在集料顆粒級配研究領域中有多種理論，如顆粒堆積理論、致密填充理論、包圍跺密理論等。這些理論都以實現集料的堆積密度最大化為目標，下面簡要介紹幾種集料級配理論[6]。

（1）致密配合比設計理論

致密配合比設計是指粒徑較大顆粒間的空隙由粒徑較小顆粒來填充，較小顆粒間的空隙再由更小的顆粒來填充。該設計方法需要進行堆積試驗，以確定相應的最佳配比。

（2）粒子干涉理論

粒子干涉理論認為：混合集料要達到最大堆集密度，需要集料顆粒逐級填充，并且填充空隙的顆粒粒徑應控制在上一級顆粒間隙的距離以內，以免不同顆粒之間發生干涉現象。粒子干涉理論要求測出集料每一粒徑顆粒的堆積密度，需要大量的試驗工作。

（3）泰波（Talbol）理論

泰波級配曲線是在富勒曲線基礎上的改進。富勒曲線是一種理想曲線，認為當集料的空隙率最小、密度最大時，集料的級配為最優級配，但實際礦料組成難免有一定的波動。泰波理論認為，材料與曲線擬合時，需對材料進行篩分試驗，并且根據原材料性能的變化及時地進行混凝土配合比調整。

1.3 本文采用的級配設計方法

本文以集料級配設計理論為依據，選取3種級配分別研究不同級配對混凝土性能的影響。級配I為依據致密配合比設計理論配制的集料級配，級配II為按粒子干涉理論設計的集料級配，級配III為按泰波級配曲線計算出來的集料級配。

2 試驗材料及方案

2.1 原材料的技術性質

本文采用的水泥為PO42.5普通硅酸鹽水泥，其主要技術指標均符合相關規范的要求。文中采用的細集料為河砂，粗集料為碎石，其技術指標如表1所示。

表1 集料的性能技術指標

2.2 試驗方案

混凝土配合比設計參考我國現行的《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）及相關高性能混凝土設計方法進行設計[7]。混凝土中水泥、粗集料、細集料、水的比例如表2所示。

表2 混凝土中各材料的比例

本文將選取三種集料級配，分別研究不同集料級配對混凝土性能的影響。級配I為按致密配合比設計理論配制的未經篩分的集料級配，級配II為按粒子干涉理論設計經過篩分的集料級配，級配III為按泰波級配曲線計算出來的集料級配。

三種級配各粒徑集料比例如表3所示。

表3 三種不同集料級配各粒徑所占的比例

3 試驗結果分析及討論

3.1 三種不同級配對水泥混凝土工作性的影響

按照試驗規程對新拌混凝土進行工作性試驗，試驗結果如表4所示。

表4 新拌混凝土工作性試驗結果

從表4中數據可以看出：

（1）三種級配所得的混凝土坍落度都滿足最低150 mm的設計要求，級配III所得的混凝土的保水性和流動性優于另外兩種級配的混凝土；

（2）級配Ⅲ所制的混凝土表觀密度最大，級配Ⅰ次之，級配Ⅱ最小；

（3）整體來講，三種級配的混凝土均具有較好的工作性，相比而言，級配Ⅲ所配的混凝土工作性最優。

3.2 三種不同集料級配對水泥混凝土力學性能的影響

本文測定三種不同集料級配的混凝土的抗壓、抗折強度，分析不同級配對混凝土力學性能的影響，試驗結果如表5、表6所示。

表5 不同級配混凝土7 d、28 d抗壓強度試驗結果

表6 不同級配混凝土7 d、28 d抗折強度試驗結果

從表5、表6中數據可看出：

（1）不同的集料級配對混凝土的7 d抗壓強度和抗折強度影響均較小，但對28 d抗壓、抗折強度影響較大。級配Ⅲ的混凝土比級配Ⅰ抗壓強度高2.2 MPa，抗折強度高0.26 MPa。

（2）不同的集料級配的混凝土強度增長率有所差異。從試驗結果來看，級配III的抗壓強度及抗折強度增長率均為最高，抗壓強度52.0%，級配Ⅱ次之，級配Ⅰ的混凝土強度增長最小。

4 結論

通過試驗分析，可以得出集料級配是影響混凝土性能的重要指標。本文通過對三種集料級配設計的試驗分析，得出以下結論。

（1）集料級配對混凝土的粘聚性影響較小，但是對坍落度、保水性、表觀密度影響較大，集料級配影響混凝土的工作性。

（2）集料級配對混凝土的抗彎拉強度影響較小，而對抗壓強度的影響較大，這與不同集料級配的混凝土孔隙發展具有直接的聯系。

（3）采用泰波理論曲線配制的集料級配所制作的混凝土的工作性及其力學性能均優于其它兩種級配混凝土，因此混凝土配比設計中的集料級配可按泰波級配曲線來配制。

[1]任峰.集料對混凝土性能影響的試驗研究[D].大連：大連理工大學，2008.

[2]傅沛興.論混凝土配合比的合理設計方法[J].建筑技術，2008，39（1）：50-55.

[3]梁天宇.粗集料對混凝土抗壓強度影響的研究[D].重慶：重慶大學，2004.

[4]王安成.粗骨料架構特性與架構混凝土研究[D].大連：大連理工大學，2006.

[5]韓建國，閻培渝.粗骨料級配對混凝土強度發展歷程的影響[J].混凝土，2008，219(1)：62-63.

[6]弗朗索瓦·德拉拉爾（法）.混凝土混合料的配合[M]．廖欣，葉枝榮，李啟令，譯.北京：化學工業出版社，2004.

[7]王立久，鄭芳宇，劉軍，等.密實系數法混凝土配合比設計[J]．沈陽建筑大學學報：自然科學版，2006，22(2)：191-195.