粗骨料對水泥混凝土路面抗彎拉強度的影響

■吳曉龍

（寧德市公路局,寧德352000）

粗骨料對水泥混凝土路面抗彎拉強度的影響

■吳曉龍

（寧德市公路局,寧德352000）

彎拉強度是水泥混凝土路面施工質量控制的一項重要指標，而作為占混凝土體積約二分之一以上的粗骨料對其強度有著顯著的影響，本文通過正交試驗法分析研究粗集料的壓碎值指標、針片狀含量、最大公稱粒徑等特性對水泥混凝土路面抗彎拉強度的影響，提出水泥混凝土路面粗骨料三大指標的適宜范圍，以期為水泥混凝土設計和施工中粗骨料的合理使用及質量控制提供參考。

粗骨料水泥混凝土路面抗彎拉強度影響

0 引言

粗骨料作為水泥混凝土中含量最多的組成材料，長期以來的傳統理念將粗骨料視為混凝土結構中的一種惰性材料，認為其作用只是通過黏結和嵌擠作用與水泥漿、細集料等組成一個整體，然而近些年來國內外相關研究表明，粗集料并非完全是惰性材料，其物理和化學性質都會對混凝土的性能產生影響。

本文通過研究粗骨料的壓碎值指標、針片狀含量、最大公稱粒徑等特性對水泥混凝土各方面性能的影響，提出水泥混凝土路面粗骨料三大指標的適宜范圍，以期為水泥混凝土設計和施工中粗骨料的合理使用及質量控制提供參考。

1 原材料的選取

1.1 不同壓碎值粗骨料的準備

選取5個不同的碎石加工廠作為試驗料源，測試骨料巖石抗壓強度和壓碎指標值。測試壓碎指標前，先去除骨料中的針片狀顆粒，消除針片狀顆粒對試驗結果的影響。不同壓碎值粗骨料的主要技術指標見表1。

表1 粗骨料主要技術指標

注：A為安溪碎石、B為中輕碎石、C為三盛碎石、D為東石碎石、E為水頭林連勝碎石。

圖1 粗骨料巖石抗壓強度與壓碎指標值關系圖

由圖1可以看出，隨著巖石抗壓強度的增大，粗骨料的壓碎指標逐漸減小，兩者存在一定的負線性關系。

1.2 不同最大粒徑粗骨料的準備

根據《公路水泥混凝土路面施工技術細則》(JTG F30-2014)有關要求，用于水泥混凝土路面的碎石最大公稱粒徑不應大于31.5mm，本試驗分別選取最大公稱粒徑為19.0mm、26.5mm、31.5mm和37.5mm。

不同最大公稱粒徑材料的制備方法：將碎石材料分級過篩，根據規范要求的級配范圍進行配制，取規范要求的級配范圍中值，根據表2級配進行碎石配制。

1.3 不同針片狀顆粒含量骨料的準備

采用人工方法挑出碎石中全部的針片狀顆粒，經過篩，按所需針片狀顆粒含量要求配制不同針片狀顆粒含量的粗骨料。針片狀顆粒按級配比例摻入。

1.4 其它原材料的準備

（1）水泥：選取泰州楊灣海螺水泥有限責任公司生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積356m2/kg，密度為3.1g/cm3。

表2 粗集料級配范圍

（2）細集料：選取官田中砂，其細度模數為2.76。

（3）抗折劑：選取廈門市創慧工貿有限公司生產的XH-Ⅱ普通型混凝土抗折劑，其氯離子含量為0.06%，含水率為4.25%。

（4）礦渣粉：選取三鋼集團（龍海）礦微粉有限公司生產的S95礦渣粉，其比表面積為424m2/kg，密度為2.92g/cm3。

2 正交試驗設計

對于單因素或兩因素試驗，因其因素少，試驗的設計、實施與分析都比較簡單。但在實際工作中，常常需要同時考察3個或3個以上的試驗因素，若進行全面試驗，則試驗的規模將很大，往往因試驗條件的限制而難于實施。正交試驗設計就是安排多因素試驗、尋求最優水平組合的一種高效率試驗設計方法。

2.1 正交試驗的基本概念

正交試驗設計是利用正交表來安排與分析多因素試驗的一種設計方法。它是由試驗因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進行試驗的，通過對這部分試驗結果的分析了解全面試驗的情況，找出最優的水平組合。

2.2 正交試驗設計

本試驗主要檢測粗骨料的指標：針片狀含量、壓碎值指標、最大公稱粒徑對路面混凝土抗彎拉強度的影響，級配均采用規范要求的級配范圍的中值，采用3水平3因素9處理的正交試驗表格（見表3）。

表3 正交試驗表

根據《公路水泥混凝土路面施工技術規范》(JTG F30-2003)對粗骨料的技術要求，結合原材料情況及實際經驗，確定各因素水平。本次試驗暫定各因素水平見表4。

表4 因素水平表

將因素水平表放入正交試驗設計表中，得出各試驗中粗骨料的性能指標如表5。

表5 粗骨料性能指標表

2.3 基準配合比

基準配合比采用表6的配合比，試驗中只改變粗骨料（碎石），其他原材料保持不變。

表6 試驗基準配合比

2.4 測試指標

混凝土坍落度、觀察各盤混凝土和易性，測試7d、28d抗彎拉強度、7d、28d抗壓強度。

2.5 正交試驗結果

各正交試驗結果見表7。

表7 試驗結果表

2.6 試驗結果分析

試驗的極差分析見表8。由表8可以看出，粗骨料三大指標對水泥混凝土路面28d抗彎拉強度的影響程度為：針片狀含量指標的影響最大，其次為最大公稱粒徑指標，影響最小的為壓碎值指標。當粗骨料針片狀含量為15%，壓碎值為15.7%，公稱最大粒徑為26.5mm時，混凝土28d抗彎拉強度處于最優水平，即混凝土28d抗彎拉強度值最高。

表8 極差分析

3 單一因素對水泥混凝土路面彎拉強度試驗研究

3.1 粗骨料針片狀含量對水泥混凝土路面彎拉強度的影響

粗骨料的表面特征及幾何形狀對路面用水泥混凝土的力學性能有較大的影響，理想的路面用水泥混凝土粗骨料形狀應該是接近正多面體或球體的。骨料中針片狀粒料含量越多，骨料整體的孔隙率及比表面積就越大，骨料表面的吸水率增加，相應的摩阻力加大，混凝土的和易性降低。且在混凝土成型受力時針狀及片狀顆粒很容易斷裂，造成混凝土強度的降低。

試驗過程保持配合比中其它材料用量不變，選擇A號料（安溪碎石）作為試驗粗骨料，人工改變粗骨粒的針片狀顆粒含量，針片狀顆粒含量從0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%連續變化，測試混凝土坍落度、觀察各盤混凝土的和易性，測試7d、28d抗彎拉強度，7d、28d抗壓強度。測試結果如表9。

表9 不同針片狀含量的混凝土工作性能及強度結果表

分析上表的試驗結果可知：

（1）新拌路面用水泥混凝土的坍落度隨著針片狀顆粒含量的增加而減小，當針片狀含量超過15%時，混凝土開始出現分層、離析等現象。

（2）新拌路面用水泥混凝土的初始坍落度隨著針片狀顆粒含量的增加有所下降，當含量超過15%時，降幅比較明顯，降幅度達到13%，同時混凝土0.5h后坍落度損失也明顯增大。試驗過程中發現，隨著針片狀含量的增加，混凝土離析現象較嚴重，這是因為片狀顆粒易在漿體流動時造成互相之間的機械嚙合，使得骨料互相之間的阻礙翻轉作用增大；同時由于片狀骨料的比表面積較大，需要更多的水泥漿包裹，直接造成坍落度損失較大。

（3）粗骨料針片狀顆粒含量對路面用水泥混凝土抗壓強度影響較大，當其含量超過20%時，路面用水泥混凝土的抗壓強度較基準混凝土（針片狀含量為0）降低13%左右。

（4）粗骨料針片狀顆粒含量對路面用水泥混凝土抗彎拉強度影響較明顯，隨著針片狀顆粒含量的增加，抗彎拉強度逐漸減小。

①當針片狀含量在5%～10%時，對道路混凝土抗彎拉強度影響不大，與基準混凝土（針片狀含量為0）相比較，兩者彎拉強度值相差不超過2%；

②當針片狀含量大于15%以后，抗彎拉強度較基準混凝土（針片狀含量為0）降低幅度超過8%；

③當針片狀含量由25%增加30%時，混凝土28d的抗彎拉強度較基準混凝土(（針片狀含量為0）減小19%～25%左右，降幅度之大造成路面用水泥混凝土抗彎拉強度難于滿足技術要求。

綜上所述，對于本項目路面用水泥混凝土而言，粗骨料的針片狀顆粒含量不宜超過15%。

3.2 粗骨料壓碎值對水泥混凝土路面彎拉強度的影響

試驗過程保持配合比中其它材料用量不變，選擇A、B、C、D、E號料作為試驗粗骨料，使其壓碎值大致在10%、15%、20%、25%、30%之間連續變化，測試抗彎拉強度、抗壓強度。測試結果如表10。

表10 不同壓碎值指標的混凝土工作性能及強度結果表

圖2 粗集料壓碎值與抗彎拉強度線性關系圖

圖3 粗集料壓碎值與抗壓強度線性關系圖

圖4 粗集料壓碎值與壓折比關系圖

分析上表的試驗結果可得出以下結論：

(1）對于路面用水泥混凝土，粗骨料的壓碎值指標增大，抗壓強度和抗彎拉強度都會降低。

(2）混凝土的壓折比隨著粗骨料的壓碎值指標增大而逐漸增大，當壓碎指標大于15%時，混凝土的壓折比逐漸減小，說明當壓碎指標大于15%時，骨料的壓碎值指標對混凝土的抗壓強度影響程度大于壓碎值指標對混凝土抗彎拉強度影響程度。

綜上所述：針對不同等級道路，粗骨料的壓碎值指標應控制在適宜的范圍內。粗骨料的壓碎值與抗彎拉強度的對應關系如表11所示。

表11 壓碎值與普通道路混凝土抗彎拉強度對應關系

3.3 粗骨料公稱最大粒徑對水泥混凝土路面彎拉強度的影響

粗骨料公稱最大粒徑控制是配制路面用水泥混凝土時考慮的一個重要因素。在非均質的混凝土中混合物的相互作用除了各種材料間的粘結作用外，粗骨料間的機械咬合作用也是其強度形成的一個重要因素。

試驗過程保持配合比中其它材料用量不變，選擇D號料作為試驗粗骨料，粗骨料其它指標保持不變，改變粗骨料的公稱最大粒徑，公稱最大粒徑分別為19mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm，測試抗彎拉強度、抗壓強度，試驗結果如表12。

表12 不同粒徑的混凝土工作性能及強度結果表

分析上表的試驗結果可知：

（1）隨著粗骨料公稱最大粒徑的增大，路面用水泥混凝土的抗壓強度呈增大的趨勢，最大增幅度為9%。

（2）隨著粗骨料公稱最大粒徑的增大，路面用混凝土的抗彎拉強度呈降低的趨勢，降低幅度為9%～13%。減小粗骨料的公稱最大粒徑有利于提高路面用水泥混凝土的抗彎拉強度。

（3）隨著粗骨料公稱最大粒徑的增大，混凝土的坍落度呈增大的趨勢，有利于小型機具的施工,但同時伴隨著混凝土分層、離析和泌水現象的加劇，因而不利于道路混凝土的其它性能。

（4）根據不同公稱最大粒徑的路面用水泥混凝土路用性能和施工性能的相關試驗，提出滿足不同等級的路面用水泥混凝土粗骨料的公稱最大粒徑范圍，見表13。

表13 不同等級的路面用水泥混凝土粗骨料的公稱最大粒徑范圍

4 結語

（1）通過正交試驗設計，研究粗骨料三大指標對混凝土抗彎拉強度的影響，找出了粗骨料技術指標對混凝土彎拉強度的影響順序為：針片狀含量＞最大公稱粒徑＞壓碎值。

（2）粗骨料的針片狀含量對路面用水泥混凝土的強度有很重要的影響，針片狀含量增加時混凝土的強度會降低，且幅度較大，對于設計強度等級為5.0MPa的路面用水泥混凝土而言，粗骨料的針片狀顆粒含量不宜超過15%。

（3）研究分析隨著路面用水泥混凝土粗骨料壓碎值指標的增大；抗壓強度和抗彎拉強度都會降低，且當壓碎指標大于15%時，粗骨料的壓碎值指標對混凝土的抗壓強度影響程度大于壓碎值指標對混凝土抗彎拉強度影響程度，針對不同設計等級路面混凝土，粗骨料的壓碎值指標可參照表11取值。

（4）綜合分析最大公稱粒徑對路面用水泥混凝土各方面性能的影響，并考慮抗彎拉強度設計要求，建議彎拉強度值大于或等于5.0MPa時，粗集料最大公稱粒徑不宜大于26.5mm；彎拉強度值小于5.0MPa時，粗集料最大公稱粒徑應不大于31.5 mm。

[1]JTG F30-2003,公路水泥混凝土路面施工技術規范[S].北京：人民交通出版社.

[2]JTG E42-2005,公路工程骨料試驗規程[S].中華人民共和國交通部.

[3]王立久,劉莎,董晶亮.粗集料對混凝土性能的影響[J].建材技術與應用.

[4]劉國華,陳斌,曹學有.粗骨料對混凝土性能的影響與定量評價[J].浙江水利科技.

[5]張樹祿.粗骨料對混凝土性能影響的概述[J].山西建筑.