粗骨料粒形對混凝土性能的影響

王松亮，孫琳，馬樹泉

（1. 徐州中聯混凝土有限公司，江蘇 徐州 221100；2. 淮安固和新型建材有限公司，江蘇 淮安 223000）

0 前言

目前，混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料，而在混凝土中，粗骨料是其主要組成部分之一，約占混凝土質量的 45%[1]。以前，粗骨料經常被視為惰性填充材料，因而忽視其對混凝土性能的影響[2]；而隨著混凝土技術的不斷發展及對混凝土研究的日益深入，粗骨料對混凝土性能的影響越來越受到重視。粗骨料的級配、吸水性、粒形、強度及所含有害物質類別等特性均對混凝土性能有所影響，而粒形是粗骨料品質的決定性因素之一[3]。

粗骨料的粒形往往受到原始暴露條件和加工因素的影響[2]，棱角系數是衡量骨料顆粒粒形的指標之一，即分別用顆粒粒徑尺寸變化不大的單粒級骨料與單一粒徑的玻璃球緊密填滿同一個容器時，其絕對體積比之差（采用玻璃球填滿時絕對體積比為 0.67:1）。單粒級骨料的棱角系數 A 計算公式為：

式中：mg——容器中單粒級骨料的質量，g；

ρg——容器中單粒級骨料的表觀密度，g/cm3；

V0——試驗用容器的容積，cm3。

對于連續級配骨料，其棱角系數由各粒級的棱角系數與其比例乘積之和得到。顯然棱角系數過大的粗骨料，其品質較差。本文擬通過采用不同棱角系數的粗骨料配制混凝土，研究粗骨料粒形對混凝土性能的影響。

1 原材料

（1）水泥：淮海中聯 P·O42.5 水泥，標準稠度用水量 27.8%，28d 抗壓強度 51.9MPa。

（2）粉煤灰：國華Ⅰ級灰，45μm 方孔篩篩余4.8%，28d 活性指數78%。

（3）礦粉：徐鋼 S95 級礦粉，流動度比 101%，28d 活性指數 102%。

（4）天然河砂：Ⅱ區中砂，含泥量 1.5%，細度模數 2.7。

（5）碎石：公稱粒徑 5～20mm 碎石，含泥量0.2%。

（6）水：市政自來水。

（7）外加劑：蘇博特 PCA-1 高性能減水劑，減水率 17.2%。

2 試驗方法

取公稱粒徑 5～20mm 的碎石進行篩分，綜合考慮棱角系數與顆粒表面形態，結合肉眼觀察，對篩分后每一粒級的碎石進行分類并檢測棱角系數。將同粒形類別的碎石按初始碎石的級配重新組合成粒形不同的5～20mm 碎石，計算組合碎石的棱角系數，碎石分類結果見表 1。

表1 碎石粒形分類結果

以分類后的碎石為粗骨料分別配制混凝土，檢測混凝土的相關性能，試驗以強度等級 C50 的普通混凝土配合比為理論配合比，具體配合比見表 2。混凝土性能檢測參照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》與 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》的相關規定執行。

表2 試驗用 C50 理論配合比

3 試驗結果及分析

3.1 粗骨料粒形對混凝土工作性能的影響

以使用初始 5～20mm 碎石（G0）的混凝土配合比為基準配合比，用組合碎石替換初始碎石配制混凝土并檢測混凝土工作性能，檢測結果如表 3 所示。

表3 不同粒形粗骨料的混凝土工作性能檢測結果

圖1 使用不同粒形粗骨料的混凝土坍落度變化

結果表明：碎石的棱角系數較小時，混凝土的工作性能隨碎石棱角系數的增加略有變化；當碎石棱角系數超過 0.15 后，混凝土的工作性能急劇降低。初始碎石（G0）中存在部分粒行不規則顆粒，影響混凝土拌合物流動性，因此雖然棱角系數較小，以其配制的混凝土工作性能卻較組合碎石（G3）略低。對比不同粒形的粗骨料，粒形越接近球形的顆粒越易于運動[4]，因此混凝土水膠比保持不變時，粗骨料粒形為圓球形、球形和近球形的混凝土工作性能較好；粗骨料粒形為次棱角形或棱角形時，粗骨料顆粒不僅本身運動困難，且不規則粗骨料顆粒較大的比表面積需要更多的漿體包裹，雙重因素導致混凝土工作性能迅速下降。

3.2 粗骨料粒形對混凝土力學性能的影響

以不同粒形的碎石為粗骨料配制混凝土，檢測硬化混凝土的力學性能，檢測結果如表 4 和圖 2、3 所示。

表4 不同粒形粗骨料的混凝土力學性能檢測結果

圖2 使用不同粒形粗骨料的混凝土抗壓強度變化

圖3 使用不同粒形粗骨料的混凝土抗折強度變化

結果表明：粗骨料的棱角系數小于 1.5 時，混凝土的抗壓強度隨棱角系數的增加而略有增加；粗骨料棱角系數超過 1.5 時，混凝土的抗壓強度大幅降低；與抗壓強度相比，混凝土抗折強度對棱角系數的敏感性較低。一般來說，表面粗糙、略帶棱角的粗骨料與硬化水泥石之間黏結較好[4]，因而混凝土的強度略高于使用圓潤光滑粗骨料的混凝土；但粗骨料的不規則性過高也會使得混凝土內部缺陷增多，從而導致混凝土強度降低。

4 結論

（1）混凝土內粗骨料的棱角系數較低時，混凝土工作性能隨粗骨料棱角系數的增加略有降低，當粗骨料棱角系數超過 1.5 時，混凝土工作性能迅速下降。

（2）粗骨料棱角系數低于 1.5 時，隨棱角系數增加混凝土抗壓強度略有提高，粗骨料棱角系數超過 1.5時，混凝土抗壓強度大幅下降；與抗壓強度相比，混凝土抗折強度對粗骨料粒形的敏感性較低。

（3）對于混凝土來說，粗骨料粒形為球形或近球形較好，圓球形稍次，次棱角形較差。