粗骨料空隙率對混凝土性能影響

劉東，劉霞，張武宗，袁文韜，張遠

（中建西部建設西南有限公司，四川 成都 610052）

0 前言

隨著建設的發展，超高層建筑和大跨徑建筑不斷興起，對混凝土的質量要求也越來越高，而混凝土是由膠凝材料包裹砂石骨料形成的一種工程復合材料，其組成材料的特性很大程度上決定了混凝土的性能。而粗骨料作為混凝土的主要成分之一，占據了混凝土體積含量的一半以上，其對混凝土的性能有著重要的影響[1]。一般而言，粗骨料在混凝土中起著填充降費、骨架支撐等多方面的作用，其空隙率直接影響著混凝土內部所需砂漿的數量以及粗骨料間的搭接，從而對混凝土的流變性能、力學性能和長期性能等產生較大影響，因而研究粗骨料空隙率對混凝土性能的影響具有重要意義。然而粗骨料由大于 4.75mm 的多種粒徑顆粒組合而成，可以是連續級配，也可以是間斷級配的，如何將多種粒級的顆粒進行組合是較為復雜和不確定的。

美國 Ttart-Ease 公司開發的 Design-Expert 系列軟件，適用于不同類型的多因素試驗設計和分析的試驗設計，可以通過少量的、可靠的試驗數據來推測其余情況下試驗結果，從而進一步得出試驗的最優化配方[2]。因此，本文通過對不同組合的粗骨料進行空隙率測定，采用 Design-Expert 10.0 對其進行分析，從而通過較少的試驗設計得到不同空隙率時的粗骨料各粒級組合情況，并根據組合情況配制混凝土，研究粗骨料不同空隙率下混凝土的性能。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及其性能

（1）水泥：試驗采用四川華新水泥股份有限公司生產的 P·O42.5 水泥，其主要技術性能指標見表 1。

表 1 水泥主要技術性能指標

（2）粉煤灰：試驗采用仁壽Ⅰ級粉煤灰，其細度為 5.4%，需水量比為 94%，燒失量為 2.1%，28 天活性指數為 89%。

（3）礦粉：試驗采用成都市嘉豐礦粉制品有限公司生產的 S95 礦粉，比表面積為 440m2/kg，28 天活性指數為 97%，燒失量為 1.2%。

（4）粗骨料：試驗采用成都福鑫砂石有限公司生產的 5～31.5mm 石灰石碎石，表觀密度為 2767kg/m3，壓碎值為 7.8%，針片狀含量為 8%，含泥量為 0.5%。

（5）細骨料：試驗采用江油龍鳳鎮云龍機制砂廠生產的機制砂，表觀密度為 2630kg/m3石粉含量為5.8%，亞甲藍值為 1.2。

（6）外加劑：試驗采用中建西部建設新材料科技有限公司四川廠生產的 ZJ-1001 型聚羧酸減水劑，固含量為 14.2%，減水率為 17.5%。

（7）水：試驗采用普通自來水。

1.2 試驗方法

（1）空隙率測定：粗骨料空隙率測試參照 GB/T 14685—2011《建設用卵石和碎石》進行試驗，試驗量筒容積經過標定為 9.9L，取 3 次測試結果的平均值作為最終測定值。

（2）混凝土性能測試：工作性能和力學性能測試參照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》和 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。

2 粗骨料空隙率測試與分析

目前工程實際應用中常用的粗骨料粒徑大都為 5～31.5mm，將 5～31.5mm 的粗骨料分為三個粒級區間，其中 A 粒級為 5～10mm 顆粒，B 粒級為 10～20mm 顆粒，C 粒級為 20～31.5mm 顆粒。已知粗骨料的表觀密度為 2767kg/m3，將不同粒級區間的骨料顆粒進行組合，得出不同區間組合的粗骨料的緊密堆積密度和空隙率，詳情見表 2 所示，其中 G-0 為粗骨料篩分前的原始組合。

表 2 粗骨料不同組合堆積密度和空隙率試驗

根據表 2 中粗骨料空隙率測試結果，運用軟件Design-Expert 10.0 得出了不同粒級組合情況下的空隙率預測結果，其預測趨勢圖如圖 1 所示。圖 1 中預測結果繪成了一條條等空隙率曲線，即在同一條曲線上的粗骨料空隙率相等，而最小的等空隙率線為 36.73%的曲線，由此可以看出預測的粗骨料最小空隙率小于36.73%。為確認預測曲線的正確性，在不同等空隙率曲線上個選取幾個點來進行試驗驗證，驗證結果如表 3 所示。

圖 1 不同粒級組合的粗骨料空隙率預測趨勢圖

表 3 不同粒級組合的粗骨料空隙率驗證測試結果

從表 3 的驗證結果來看，試驗測試的空隙率與Design-Expert 10.0 軟件預測圖中的理論空隙率相差不大，即可以運用預測結果來確定粗骨料空隙率的最小值以及不同空隙率時的粗骨料的粒級組合。因而可以通過圖 1 來確定：當粒級區間組合為 A:B:C=38:10:52 時，可得粗骨料的最緊密堆積密度為 1755kg/m3，而其所對應的最小空隙率為 36.57%。同時，需要指出要實現準確的預測粗骨料的空隙率粒級組合，前期應當具有一定數量的空隙率測試結果，并且測試數量越多，其預測結果越可靠。

3 粗骨料空隙率對混凝土性能的影響

3.1 配合比設計

為了研究粗骨料空隙率對普通混凝土性能的影響，將混凝土的水膠比固定為 0.50，P·O42.5 水泥用量為 250kg/m3，Ⅰ級粉煤灰用量為 50kg/m3，S95 礦粉用量為 30kg/m3，用水量為 165kg/m3，機制砂用量為850kg/m3，粗骨料用量為 1050kg/m3，外加劑按照膠凝材料的百分比摻加并且根據混凝土狀態進行調整，粗骨料的粒級組合及試驗結果如表 4 所示。

表 4 粗骨料各粒級搭配及對混凝土性能影響試驗結果

3.2 試驗結果分析

從表 4 中可以看出，當粗骨料的空隙率較小時，其配制的混凝土的工作性能較好，混凝土的容重也越大，而粗骨料構成的空隙率越大，由其所配制的混凝土工作性便相對較差，很難滿足現代逐漸發展的超高層超遠距等泵送工程的需求，同時混凝土的容重也越小。粗骨料空隙率對混凝土抗壓強度的影響如圖 2 所示，從圖 2 中可以看出，混凝土的抗壓強度基本隨著粗骨料空隙率的增大而下降，并且在粗骨料的空隙率最小為 36.57%時，混凝土的抗壓強度取得最大值。

圖 2 粗骨料空隙率與混凝土抗壓強度關系

由此可見，粗骨料空隙率會對混凝土的工作性能和力學性能等產生較大的影響。在水泥混凝土體系中，砂漿一方面填充粗骨料骨架中的空隙，另一方面填充后富余的砂漿驅使混凝土流動，表現為混凝土的工作性能。因此，要使空隙率較大的粗骨料配制的混凝土獲得相同的工作性能，必然要增加包裹粗骨料表面的砂漿的數量，從而降低了用于混凝土自由流動的砂漿的數量，混凝土的工作性能由此變差。此外，根據吳中偉院士的“粒子干涉理論”，粗骨料顆粒之間存在著明顯的“干涉現象”，即較粗顆粒之間的空隙應當由較細顆粒來填充，其所余空隙再由更細的骨料顆粒來填充，當填充空隙的顆粒粒徑尺寸不大于空隙的間距時，才能形成更小的空隙率，否則會發生顆粒間的“干涉現象”。當顆粒形成最緊密堆積密度，即最小空隙率時，所形成的連續級配能夠很大程度上提升混凝土的工作性能和抗壓強度。“干涉松動現象”的存在會在一定程度上對骨料的空隙率和容重產生影響，進而影響混凝土的性能和經濟性[3]。從填充理論分析來說，若兩種或兩種以上骨料的顆粒之間較大顆粒的空隙由次一級顆粒填充且不發生粒子間干涉時，則各組成粒子間將存在一個合理的比例，使得組合骨料的堆積密度最大和空隙率最小。從企業生產成本來看，配制的粗骨料緊密密度最大時，所需包裹粗骨料的砂漿數量就越少，還可能降低膠凝材料的用量，從而使得企業的生產成本明顯的下降[4]。

因此，在對混凝土配合比設計及實際生產過程中對原材料的質量控制，不應僅僅只關注膠凝材料、外加劑及礦物摻合料的質量，還應該重視砂石質量的控制。搭配合理的骨料能夠使得混凝土拌合物分散均勻，各方面均擁有較好的性能，滿足目前對高性能混凝土日益增長的需求。

同時，也注意到采用粗骨料空隙率分析其對混凝土性能的影響也具有一定的局限性，即同樣的空隙率下，粗骨料擁有不同的組合，無法弄清粗骨料間不同顆粒的搭配情況對混凝土性能的影響，不能很好地確定粗骨料的組合。因此，緊密堆積密度在配制混凝土中可以作為參考值，并不能作為粗骨料搭配情況的決定性因素，需要根據 Design-Expert 10.0 軟件得出的預測圖來綜合考慮多種粒級骨料顆粒的搭配組合。

4 結論

（1）采用 Design-Expert 10.0 軟件可以在少量粗骨料粒級組合的情況下較為準確預測出粗骨料不同顆粒組合下粗骨料的空隙率，從而找出粗骨料最小空隙率情況下的顆粒搭配。

（2）混凝土的抗壓強度隨著粗骨料空隙率的增大而降低，在粗骨料的空隙率最小，混凝土的抗壓強度取得最大值。