粗骨料特性對混凝土性能的影響研究

張榮華 吳 鑫

（四川華西綠舍建材有限公司）

0 前言

混凝土骨料質量直接影響混凝土工作性能、力學性能及耐久性能，近年來，廣大學者開展了較多關于骨料對混凝土性能影響的研究。王德輝[1]指出在砂漿基材性能良好的情況下，粗骨料的粒形和級配等成為了影響自密實混凝土工作性能的重要因素。適當的顆粒整形使粗骨料配制混凝土的流動度有較大提升的同時不降低強度[2]。王立久等[3]介紹了粗骨料種類、顆粒形狀和表面特征、最大粒徑和顆粒級配以及粗骨料在混凝土中的含量對混凝土性能的影響。北京建筑大學開展了高品質混凝土骨料主要技術要求的研究、粗骨料粒形對混凝土性能的影響研究等，提出了條形篩法等新的評價方法，并對比研究了國標、歐標、條形篩法等評價方法[4-6]。揚州大學徐飛[7]提出了粗骨料顆粒球度和形狀指數的概念。李北星等[8]研究了粗骨料的等軸率、圓度和球度及其相互關系。王寶媛等[9]研究了粗骨料最大粒徑對混凝土性能的影響，指出混凝土強度隨粗骨料最大粒徑的增加呈增大趨勢。

然而，目前相關研究雖然指出了粗骨料特性會對混凝土性能產生影響，但仍未明確給出粗骨料各特性參數對混凝土性能的具體影響規律。因此，針對粗骨料級配，本研究從骨料緊密堆積出發，引出富余漿體厚度對性能的影響，進而探究出粗骨料級配（大小石比例）對富余漿體厚度及拌合物性能的影響，給出粗骨料級配控制參數；從骨料粒形出發，結合試驗和圖像分析研究了粗骨料粒形對混凝土性能的影響，給出粒形參數的具體控制指標。

1 粗骨料級配對混凝土性能的影響

1.1 緊密堆積理論的應用及分析

緊密堆積理論模型主要包括Andreasen模型、Dinger-Funk連續分布模型、可壓縮堆積模型、固體懸浮模型、顆粒線性堆積密度模型等[10]。Dinger-Funk理論模型方法是被研究和應用最廣泛的理論模型法，本研究也采用Dinger-Funk緊密堆積理論。Dinger-Funk方程如式⑴所示。

式中：

U（Dp）——粒徑小于Dp的顆粒的體積分數；

Dp——顆粒粒徑；

Dpl——體系中最大顆粒的粒徑；

Dmin——體系中最小顆粒的粒徑；

q——Fuller指數（分布指數）。

試驗研究了Dinger-Funk理論模型不同q值所對應骨料級配對混凝土性能的影響，級配分布分別如表1所示。

表1 5～20mm粗骨料在不同q值時的級配分布

對上述3個q值所對應級配的骨料進行混凝土試配研究，當基準膠材用量為330㎏/m3時發現混凝土拌合物較為干稠，流動性差，尤其是C30等中低等級混凝土，表現為漿體量不夠。分析其原因為緊密堆積雖然有利于降低骨料孔隙率，但粗骨料中4.75～9.5mm的小石頭含量較多，使得粗骨料總比表面積較大，從而表現為拌合物漿體量偏少、流動性差。同樣針對0.075～20mm骨料應用Dinger-Funk理論模型，q值選取了0.50（砂率 46.6%）、0.54（砂率 44.5%）、0.58（砂率 42.4%）三個值。同樣，在基準膠材用量為330㎏/m3時發現不論砂率值的大小其拌合物均比較干稠、流動性較差。分析其原因為粗骨料中4.75～9.5mm小石頭占比太大，其比例達到40%以上，導致了粗骨料總比表面積過大，在漿體量一定時，骨料表面漿體厚度太薄，從而表現為流動性較差。

因此，在粗骨料級配控制時，在保證緊密堆積減小孔隙率的同時，需要充分考慮總比表面積對拌合物性能的影響，即需要充分考慮粗骨料中大小石所占的比例。

1.2 富余漿體厚度對流變性的影響

為進一步明確富余漿體厚度對拌合物性能的影響，結合文獻資料[11]，分別用式⑵和式⑶計算骨料比表面積和富余漿體厚度，結合試驗情況進行分析。

式中：

AS——比表面積；

Ki——第i級粒徑骨料所占總骨料的質量分數；

Di——第i級粒徑骨料的中間粒徑；

ρ——表觀密度。

式中：

tpaste——富余漿體厚度，m；

Vpaste——總漿體體積，m3；

Vvoid——填充骨料空隙的漿體體積，m3；

MS——細骨料質量，㎏；

AS,C——細骨料比表面積，m2/㎏；

MG——粗骨料質量，㎏；

AG,C——粗骨料比表面積，m2/㎏。

試驗通過調節水膠比和外摻石粉等方式獲得不同富余漿體厚度的混凝土拌合物，分析不同富余漿體厚度對混凝土性能的影響，具體試驗分析見表2。

表2 富余漿體厚度對C30混凝土性能的影響

從試驗結果看，要保障混凝土拌合物具有良好的工作性能，需要保證富余漿體厚度在28μm以上，當C30混凝土富余漿體厚度達到30μm以上時，需適當調整外加劑用量或調整礦物摻合料等，以保證拌合物具有一定的粘稠度并且不出現泌水等現象。從漿體量考慮，C30混凝土漿體量宜控制在315～330L/m3（包括砂中石粉）。

1.3 粗骨料級配優化研究

混凝土拌合物獲得良好性能的關鍵在于獲得較優的富余漿體厚度。在粗骨料中，骨料級配影響空隙率和總比表面積。5～10mm顆粒的相對含量對粗骨料總比表面積影響最大，且粗骨料生產中控制5～10mm含量相對較容易。因此，針對實際生產應用的5～20mm、5～25mm、5～31.5mm三種粒徑范圍骨料，探究其中5～10mm顆粒含量對混凝土性能的影響規律。

5～20mm骨料中5～10mm、10～20mm骨料使用情況對混凝土性能的影響探究如表3所示。

表3 5～25mm骨料中5～10mm骨料含量對混凝土性能的影響

試驗結果分析如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著5～10mm顆粒占比的增加，混凝土的坍落/擴展度逐漸減小。從結果分析可以得出：針對 5～10mm、10～20mm兩種粒級骨料，5～10mm顆粒占比宜為10%≤X≤20%。

圖1 5～20mm骨料中5～10mm骨料含量對混凝土工作性的影響

5～25mm骨料中5～10mm、10～25mm骨料使用情況對混凝土性能的影響探究如表4所示。

表4 5～25mm骨料中5～10mm顆粒含量對混凝土性能的影響

其拌合物狀態分別如圖2（a～d）所示。

圖2 5～25mm粗骨料中5～10mm顆粒含量不同的混凝土拌合物狀態

從圖2可以看出，隨著5～10mm骨料含量的增加，混凝土拌合物性能先變好后變差。當5～10mm骨料含量較少時，拌合物包裹性、粘聚性相對較差；當5～10mm骨料含量較多時，拌合物變得干稠。針對5～25mm骨料，其中5～10mm骨料的含量宜為20%≤X＜30%。

5～31.5mm骨料中5～10mm、10～31.5mm骨料比例對混凝土性能影響試驗方案如表5所示。

表5 5～10mm、10～31.5mm骨料比例對混凝土性能的影響

試驗結果分析如圖3所示。

圖3 5～31.5mm骨料中5～10mm骨料含量對混凝土工作性的影響

從結果分析可以得：出針對5～10mm、10～31.5mm兩種粒級骨料，5～10mm顆粒占比宜為20%≤X＜40%。

2 粗骨料粒形對混凝土性能的影響

2.1 條形篩法分析骨料粒形的影響

按標準JG/T568-2019《高性能混凝土用骨料》試驗分析了石的不規則顆粒含量對混凝土性能的影響，發現石的不規則顆粒含量對混凝土流動性和強度無明顯影響。分析石的不規則顆粒含量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響，如圖4所示。

圖4 石的不規則顆粒含量對混凝土抗氯離子滲透性的影響

從分析結果可以看出，隨著石的不規則顆粒含量的增加，混凝土的電通量增加，抗氯離子滲透性能有降低的趨勢。其原因可能是片狀、針狀的顆粒容易在混凝土內部形成定向分布，石和基體的界面過渡區孔隙率相對較高，從而容易形成定向通道，使得混凝土抗氯離子滲透性能降低。

2.2 圖像法分析骨料粒形的影響

利用數字圖像處理（digital image process，DIP）分析骨料圓度，再探究不同圓度值的骨料對混凝土性能的影響。圓度計算公式為[8]：

式中：

δ——圓度；

A——骨料顆粒投影面積；

L——骨料顆粒投影輪廓周長。

試驗研究過程中，首先測試了不同粒徑的骨料的長徑比和圓度值，測試分析界面如圖5所示。

圖5 骨料圓度測試分析界面

試驗應用兩種圓度值的粗骨料開展混凝土試配研究，試驗配合比及結果如表6所示。

表6 不同圓度值骨料的混凝土試配研究

從分析結果可以看出，圓度值大、粒形更好的骨料坍落/擴展度更大，且中低等級混凝土對骨料圓度更加敏感。圓度值更大的骨料其混凝土流動性更好，因此，在保證工作性及強度的情況下，應用圓度值更好的骨料可以達到減少膠凝材料以降低成本的目的。

2.3 骨料整形分析

在研究過程中采用球磨機自磨進行模擬整形處理，研究分析整形處理對骨料特性及混凝土性能的影響。對普通碎石骨料進行不同時間的模擬整形，其結果如表7所示。

表7 模擬整形時間對骨料特性的影響

從試驗結果可以看出，模擬整形可以提高骨料圓度、提高堆積密度、減小限制堆積角，且隨著模擬整形時間的延長，顆粒的圓潤度增加。針對不同模擬整形時間的骨料進行混凝土試配研究，試驗方案及結果如表8所示。

表8 骨料模擬整形時間對混凝土性能的影響

從試驗結果可以看出，整形處理可以改善拌合物流動性，并且對力學性能有一定改善作用。結合上述圖像分析結果，粗骨料的平均圓度值宜控制在0.83以上，堆積角宜小于35°。

2.4 骨料表面粗糙度的影響

選擇兩種表面粗糙度不同的碎石進行試驗研究，以分析其對混凝土性能的影響。試驗所用兩種粗骨料如圖6所示，左邊為石灰巖破碎的粗骨料，其壓碎值為6.8%，表面棱角相對較多，顆粒表面更為粗糙；右邊為河卵石破碎的粗骨料，其壓碎值為4.5%，表面較為光滑。

圖6 表面粗糙度不同的兩種粗骨料

試驗配合比及物理力學性能如表9所示。

表9 表面粗糙度對混凝土性能的影響

從試驗結果可以看出，石灰石骨料雖然表面粗糙，比表面積相對較大，但其整體圓潤度更好，因此其拌合物流動度相比卵碎石混凝土差別不大。對于C30混凝土，其受壓破壞主要是界面過渡區破壞而非骨料破壞，石灰石壓碎值雖然大于卵碎石，但石灰石顆粒更為粗糙，因此其界面粘結力更好，表現為混凝土抗壓強度更高。

3 結論

通過研究得出以下主要結論：

⑴要使混凝土獲得良好的工作性能，需在粗骨料緊密堆積的同時充分考慮富余漿體厚度的影響，泵送混凝土富余漿體厚度應控制在28μm以上，從漿體量考慮，C30混凝土漿體量宜控制在315～330L/m3。

⑵粗骨料級配控制：5～20mm骨料中5～10mm顆粒含量宜控制在10%≤X≤20%；5～25㎜粗骨料中5～10mm骨料的含量宜控制在20%≤X＜30%；5～31.5mm骨料中5～10mm顆粒含量宜控制在20%≤X＜40%。

⑶對于中低等級混凝土，粗骨料表面粗糙度和粒形對混凝土性能的影響大于壓碎值的影響。

⑷粗骨料平均圓度值宜達到0.83以上，堆積角宜小于35°，骨料整形有利于改善骨料粒形、減小空隙率，進而改善混凝土流變性和力學性能。