粗骨料形状对混凝土力学性能的影响

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摘要：本文研究了粗骨料形状对混凝土力学性能的影响，试验结果表明：粗骨料形状对其力学性能的有显著影响。粗骨料形状越接近球形，对混凝土抗压强度和弹性模量增长越有利，而对劈裂抗拉强度则未必有利。

关键词：骨料形状；骨料掺量；力学性能

骨料作为混凝土的重要组成部分，通常占到混凝土体积的70%-80%，其几何特性、物理性能对混凝土早期的工作性能、硬化后的力学性能以及耐久性能存在不可忽视的影响。很多研究都表明粗骨料的粒径、级配和形状等都会对混凝土的强度造成影响。实际工程的建设以及使用过程中暴露出的问题，很多都是由于骨料使用不当而造成的。砂石的生产和质量直接影响到混凝土能否可持续发展的问题。

骨料的形状作为骨料重要特征之一，对混凝土性能显然也有很大影响，混凝土骨料不同于一般工业产品，其粒形受到母岩材质、破碎工艺等影响，颗粒形态各异，没有统一的形态规格，以往这些指标很难准确地描述和定义。以往有关骨料在混凝土中的作用在国内外都没有定量的研究结果，要解释粗骨料的作用机理非常困难。因而有关这方面的研究还有待展开。

1、试验材料

1.1 水泥

各组试验所用水泥均采用湖北黄石华新水泥厂生产的52.5普通硅酸盐水泥，其物理性能见表1-1。

1.2 细骨料

细骨料选用杭州钱塘江江砂，由于选用砂子的含泥量较大，为避免土块对后续试验结果产生不良影响，应先将土块除去。具体做法是将砂子放入滚筒式混凝土搅拌机中，加入足量的水，经过数分钟时间的搅拌清洗除去土块。然后将砂子晒干并测得其物理性能指标：堆积密度为1 380 kg/m3，表观密度为2650 kg/m3，含水率为0.35%，吸水率为1.41%。

1.3 粗骨料

加工粗骨料：采用水晶玻璃作为材料，表观密度为2500kg/m3（含水率和吸水率都极小，配合比设计中不考虑其影响）。骨料形状控制短轴方向均为8mm，短长轴比分别为1：1、1：2和1：3，共3种规格尺寸骨料，见图1-1。

1.4 水

采用自来水，符合《混凝土拌合用水标准》JGJ63-890。

2、试验配合比

浆体中砂子的体积掺量为45%。粗骨料采用三种规格尺寸的加工粗骨料，分别编组为A、B和C。粗骨料体积掺量均为30%。水灰比取0.4、0.5和0.6，分别编组为后标1、2和3。A组试验配合比详见表2-8，B组合C组试验配合比与A组相同。

3、试件制作

力学性能测试试件按照《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T50081-2002）有关对试件形状的要求制作。各组试验均需要制作两种不同类型的试件：抗压强度和劈裂抗拉强度试验采用立方体非标准试件，边长为100 mm×100 mm×100 mm，3个试件为一组；弹性模量采用棱柱体非标准试件，边长100 mm×100mm×300 mm，6个试件为一组，其中3个用于测试混凝土轴心抗压强度，另外3个用于测试弹性模量。

4、抗压强度试验结果

4.1 抗压强度

掺不同粗骨料混凝土的强度呈现有规律的变化，即随着粗骨料短长轴比的增加而降低。出现这样的现象可以这样解释：已有的研究已经证实粗骨料的颗粒几何形状与混凝土的力学性质有很大关系，比较理想的粗骨料颗粒形状是接近于球体或正多面体，因而在该试验中掺球形粗骨料的混凝土强度会比掺椭球形粗骨料的高，且粗骨料越接近球形强度越高。预计当掺量继续增加时，现象还会更明显。

4.2 劈裂抗拉强度试验结果

掺不同粗骨料混凝土的劈拉强度随着粗骨料短长轴比例的增加而略有增加。这与抗压强度的规律恰好相反。

通过对劈拉后试件的观察发现（见图4-3和图4-4）：掺椭球形粗骨料混凝土的破坏基本上骨料破坏，试件中骨料大部分都断裂了；掺球形粗骨料混凝土则可以看到混凝土的破坏主要是沿骨料的界面，试件中骨料有相当部分未破坏。这说明，在劈拉试件中，椭球形骨料的强度得到了充分的发挥，球形骨料的强度只发挥了一部分。其原因可能是椭球形骨料长度更长，跨过的距离大，劈拉过程中对裂缝阻挡作用更明显。

4.3 弹性模量试验结果

掺不同粗骨料混凝土的弹性模量随着粗骨料短长轴比的增加而略有降低。弹性模量试验的结果与抗压强度结果相近，只是粗骨料形状对弹性模量的影响更明显些。分析其原因可从骨料自身特性出发：球形骨料的形状各个方向无差别，当被包裹于混凝土中时受力更合理，抵抗变形的能力强，对混凝土整体的弹模增强有利；而椭球形骨料呈长条状，混凝土受力时，抵抗变形的能力会弱很多，对混凝土弹模提高不利。粗骨料越接近球形时，混凝土弹性模量的增加趋势越明显。这再次说明粗骨料形状确实会对混凝土力学性能有所影响，随着粗骨料含量的增加，骨料形状越接近于球体或正多面体，不仅有利于提高混凝土的抗压强度，也利于提高其弹性模量。

5、结语

（1）对加工粗骨料混凝土抗压强度，掺不同粗骨料混凝土的强度呈现有规律的变化，即随着粗骨料短长轴比的增加而降低，粗骨料越接近球形，对混凝土强度的增长越有利。

（2）对加工粗骨料混凝土劈裂抗拉强度，掺不同粗骨料混凝土的劈拉强度随着骨料短长轴比的增加而略有增加。掺椭球形粗骨料的混凝土的破坏基本上骨料的破坏，掺球形粗骨料的混凝土主要是界面破坏，椭球形粗骨料反而对混凝土劈拉强度的增长有利。

（3）对加工粗骨料混凝土弹性模量，试验结果与抗压强度结果相近，球形粗骨料对混凝土弹性模量的增长有利。