粗骨料对混凝土性能影响的研究现状

    混凝土是将砂、石、胶凝材料和水按一定比例混合在一起而形成的一种多相复合材料，作为建筑材料中用量最多的原料，其国内每年消耗量约达13～14×108m³。虽然在混凝土中骨料的总体积含量达70%以上，但大部分学者的研究重点主要集中在外加剂、矿物掺合料以及配合比等对混凝土性能的影响，而把骨料仅当作一种惰性填充料，忽略了其对混凝土性能的影响。我国幅员辽阔，粗骨料的种类繁多，其化学成分和力学性能等均存在着较大差异，因此由不同骨料制备的混凝土性能差别也较大，特别是在进行高强高性能混凝土设计时，粗骨料的性能成为主要考虑因素之一。文中将通过对国内外学者的研究成果进行整理、分析，探讨粗骨料对混凝土性能影响的基本规律与存在的一些问题。

1粗骨料对混凝土性能的影响

粗骨料作为混凝土中含量最多的组分，其在混凝土内起着刚性骨架的作用。通常混凝土承受压力荷载时，主要是通过内部粗骨料间进行力传递，当发生破坏时主要变现为砂浆与粗骨料胶结面处先出现微裂缝，之后裂缝随着荷载增加而逐渐变大，最后混凝土发生破坏，可见采用优质的粗骨料对提升混凝土的性能意义重大。

1.1粗骨料化学成分对混凝土性能的影响

国内外的学者一直认为粗骨料是一种惰性填充材料，实际上粗骨料并不是没有活性，粗骨料的种类不同，其所含的化学成分也不相同，当与水泥等矿物掺合料接触后会发生化学反应，这对混凝土性能都将产生较大的影响。杨桂权通过“砂浆棒快速法”发现碱性骨料中某些成分能与水泥发生化学反应，使砂浆的体积发生膨胀，7d时的膨胀率达到0.28%，14d时甚至能达到0.35%，远超过规范中14d时小于0.2%的要求。

Turandzturan通过试验发现粗骨料为石灰岩时，混凝土28d时的抗压抗拉强度比由玄武岩或砾石所制成的混凝土高10%～20%左右，这是因为在石灰岩表面含有能与水泥发生化学反应，其生成物水化碳铝酸钙等物质能使骨料与砂浆界面胶结强度提高。P.C.Aitcin等研究发现花岗岩与硅质砾石、辉绿岩碎石和石灰岩碎石的强度相差不大，但由于花岗岩内含有浊沸石，致使由其配制的混凝土在28d和56d的抗压强度只有其它碎石作粗骨料配制混凝土抗压强度的84%。可见粗骨料本身的化学成分对混凝土的性能有较大影响，骨料中碱性成分可以使混凝土的强度减小，而另外一些化学成分可以使混凝土的强度增加。因此，在选择骨料时要尽量避免选用碱性骨料，如果不能避免也要采取措施，减小骨料中的碱性成分对混凝土强度的影响。

1.2粗骨料的强度对混凝土强度的影响

粗骨料自身的强度对混凝土的力学性能影响较大，尤其是对于水灰比低于0.4的高强混凝土，制约其抗压强度大小的已不是由硬化后水泥砂浆和骨料间的界面胶结强度，而是骨料自身的强度。吴科如等通过试验研究石英岩、花岗岩、石灰石、大理石四种不同强度粗骨料对水灰比为0.26、0.44、0.55混凝土强度的影响，结果发现对于水灰比为0.55的普通混凝土，骨料种类对混凝土的抗压强度影响较小，但对于水灰比为0.26和0.44的高强混凝土，其抗压强度随粗骨料强度的提高而逐渐变大，在H.Beshr以水灰比为0.35、粗骨料分别为钙质石灰岩、白云灰岩、石英岩和钢渣所制成的混凝土性能研究中也得到了相同的结论。

由国内外学者的研究成果可知，粗骨料强度对混凝土抗压强度的影响程度随着水灰比的减小而逐渐增大。这是因为在未受荷时，普通混凝土由于水灰比较大，水泥砂浆和骨料间的界面过渡区强度较低，存在的初始微裂缝较多，在荷载作用下，这些微裂缝逐渐扩展直至粗骨料和砂浆沿着界面过渡区的裂缝相互联通发生破坏。而对于高强度混凝土，由于水胶比较小，水泥砂浆和骨料之间的界面过渡区微裂缝相对较少，荷载主要由粗骨料相互传递，混凝土内部微裂缝部分虽能沿着界面过渡区发展但不能相互连通。因此骨料强度对普通混凝土的影响较小，而对于高强混凝土，其强度随着粗骨料强度的增大而逐渐增大。

1.3粗骨料吸水率对混凝土性能的影响

不同种类的粗骨料，其吸水率也会有一定程度的差别，骨料吸水率对新拌混凝土的流动性和硬化后的力学性能都有着很大的影响。陈习云通过试验发现，级配基本相同的碎石，吸水率在1.9%之内时，对混凝土流动性和强度影响较小，当碎石吸水率≥3.0时，混凝土初期坍落度明显减小。Aiten和WassermanＲ等人的试验结果表明，吸水率大的骨料，可以提高混凝土的强度，其他学者的研究成果也证实了混凝土的强度随着骨料吸水率的增加而逐渐增大。这一方面是由于在水灰比不变的情况下，粗骨料吸水率的增加，相当于减小了骨料周围的水灰比，增加了骨料和砂浆之间的粘结性能，提高混凝土的强度等级;另一方面，由于骨料吸收的水不会扩散到混凝土表面，这些水在后期可以对混凝土内部起到养护作用，进而能提高混凝土的强度。

1.4粗骨料颗粒形状对混凝土性能的影响

粗骨料的颗粒形状作为骨料一个重要物理性能，对混凝土的性能影响也较为突出。由于针片状碎石在混凝土内是滑动移动的，摩擦阻力大，致使混凝土的坍落度和扩展度都变小，影响混凝土的可泵性和施工。陈习云等人的研究结果表明，新拌混凝土的坍落度随碎石中针片状含量的增加而变小，继而导致混凝土的和易性变差，一般可以认为碎石针片状含量控制在8%以内，对混凝土和易性和强度的影响都不是太大，所以在实际施工中，为了增强混凝土的流动性必须尽量控制针片状碎石的含量。

粗骨料按照形状可分为圆形、不规则形和有棱角形，有研究指出混凝土粗骨料骨料形状为接近球形或较规则的多面体时其强度最高。但邢心魁等人利用PFC2D模拟总结分析得出非圆形粗骨料与砂浆基质的接触面积较圆形骨料大，其混凝土破坏所需的应变能、边界能和摩擦能更大，混凝土的强度进而得以提高。于本田等通过灰色关联分析方法发现混凝土的抗氯离子渗透性与粗骨料的针片状颗粒含量关联度最大，通过降低针片状颗粒含量，提高破碎面所占比例可使混凝土获得较高的抗压强度和抗氯离子渗透性。可见，混凝土中针片状粗骨料的含量较多时会降低其强度和耐久性，但关于哪种骨料形状混凝土的强度最高，现有的研究成果中还有矛盾之处，有待进一步研究。

1.5粗骨料表面特征对混凝土性能的影响

粗骨料按照表面粗糙程度不同可分为碎石和卵石，碎石因为表面比卵石粗糙，所以它与砂浆的界面粘结力更强，由表面粗糙度大的碎石所制成的混凝土强度将更高。何宇航等人的超声－回弹综合法试验发现泵送碎石混凝土的强度大于卵石混凝土的强度。陈习云和G.Appa Ｒao等人的研究结果也表明粗骨料表面越光洁，颗粒形状越圆滑，混凝土的流动性越好，但抗压强度降低。这是因为碎卵石表面光滑，与混凝土界面粘结力小，而碎石表面粗糙，有棱角，可以与水泥浆体更好的粘结，提高了骨料与水泥浆体之间的粘结强度，有利于增强混凝土的整体抗压强度。

1.6粗骨料最大粒径和级配对混凝土性能的影响

骨料的粒径大小对混凝土的工作性能和经济效益都有一定的影响，当骨料体积一定粒径较大时，因骨料总比表面积减小，覆盖骨料表面所需的水泥砂浆也将会变少，能节约生产混凝土的成本。吴历斌通过对骨料最大粒径为31.5、25、20、16mm的混凝土性能进行对比研究，发现在砂率和水泥用量一定时，最大粒径为20mm的高强混凝土在7d和28d时抗压强度最大。戴朝阳等人通过试验研究发现，无论是高强混凝土还是普通混凝土，其抗压强度都随粗骨料粒径的增大而变大，当粗集料最大粒径超过20mm后，抗压强度略有下降。同样，在混凝土抗拉强度方面也有相同的结论。李树山等人的研究指出，粗骨料粒径越大，致使包裹骨料的水泥砂浆用量越小，骨料间起润滑流动作用的砂浆变多，从而导致新拌混凝土的坍落度变大。总之，混凝土的抗压和抗拉强度都是随骨料粒径的大小先升后降，在最大粒径为20mm时取得最优值，而混凝土的流动性一直都是随粗骨料粒径的增大而逐渐变大。因此，从混凝土性能角度出发，骨料粒径不宜过大，因为骨料粒径的增大会削弱粗骨料与水泥浆体的黏结，同时混凝土内部存在缺陷的概率也会变大。

粗骨料的级配作为另一个重要性能指标，对混凝土的和易性、强度、弹性模量都有一定的影响。研究资料表明，集料级配对混凝土性能，尤其是高强高性能混凝土的性能的影响是非常显著的。在其他条件相同的情况下，级配良好的集料具有较大的堆积密度，由其所制备的混凝土抗压强度和抗拉强度都会随之变高。但在连续级配和间断级配的选择上还有一定的分歧，莫林辉认为连续级配对改善混凝土的性能更为有益，而孙凤阁在其试验中认为间断级配更好。所以，在实际工程中，要尽量选用级配较好的骨料，但具体是采用连续级配还是间断级配，应根据实验室试配的结果进行选用。

1.7粗骨料用量对混凝土性能的影响

粗骨料与水泥相比，性能稳定，价格便宜，所以从经济角度考虑应该尽可能多的使用粗骨料，但是对于混凝土性能而言粗骨料存在着一个最佳掺量。已有研究表明粗骨料对水泥浆体的徐变起着一个约束作用，当普通混凝土骨料含量在50%～80%(以体积计)时，混凝土的徐变随骨料的增加而减小。谢丽通过试验研究发现，混凝土的收缩随着粗骨料含量的增加而逐渐减小。刘昊在对自密实混凝土的粗骨料与砂浆体积比(Vg/Vm)进行研究后指出自密实混凝土的抗压强度与劈拉强度均随Vg/Vm的增加而降低，且混凝土的劈拉强度受Vg/Vm的影响更为显著。Mohammed Seddik Meddah等人的研究结果表明增大骨料含量能提高混凝土的抗压强度，但当骨料含量增加到某一数值后，混凝土的强度开始降低。从上述研究成果可知，随着粗骨料用量的增加，混凝土的抗压强度逐渐增大，但其存在着一个最佳掺量，与普通混凝土不同的是自密实混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度会随着骨料含量的增加而逐渐减小，可见在种类不同的混凝土中粗骨料的用量要求也会不同。

2结语

为改善混凝土的性能，提高混凝土的强度应尽量避免选用含碱性和针片状含量高的骨料，粗骨料最大粒径的提高能增大混凝土的流动性且在20mm左右时是提高其强度的最优选择，粗骨料强度的提高对高性能混凝土的作用效果更明显，适当选择吸水率大的骨料能改善混凝土的内部结构，碎石比卵石对提高混凝土的强度更有利，在一定范围内提高粗骨料的用量能降低混凝土的徐变和收缩。

由于试验材料和试验方法不同以及试验条件有限，粗骨料对混凝土性能的影响研究还不够完善，已有的成果中也还有未达成一致的部分，如粗骨料的弹性模量对混凝土性能的影响研究还较少，对提高混凝土的强度该选择何种形状何种级配的粗骨料也还没达成一致共识，在今后的研究中这些都有待进一步探讨。