粗骨料特性对混凝土性能的影响研究

张荣华 吴 鑫

（四川华西绿舍建材有限公司）

0 前言

混凝土骨料质量直接影响混凝土工作性能、力学性能及耐久性能，近年来，广大学者开展了较多关于骨料对混凝土性能影响的研究。王德辉[1]指出在砂浆基材性能良好的情况下，粗骨料的粒形和级配等成为了影响自密实混凝土工作性能的重要因素。适当的颗粒整形使粗骨料配制混凝土的流动度有较大提升的同时不降低强度[2]。王立久等[3]介绍了粗骨料种类、颗粒形状和表面特征、最大粒径和颗粒级配以及粗骨料在混凝土中的含量对混凝土性能的影响。北京建筑大学开展了高品质混凝土骨料主要技术要求的研究、粗骨料粒形对混凝土性能的影响研究等，提出了条形筛法等新的评价方法，并对比研究了国标、欧标、条形筛法等评价方法[4-6]。扬州大学徐飞[7]提出了粗骨料颗粒球度和形状指数的概念。李北星等[8]研究了粗骨料的等轴率、圆度和球度及其相互关系。王宝媛等[9]研究了粗骨料最大粒径对混凝土性能的影响，指出混凝土强度随粗骨料最大粒径的增加呈增大趋势。

然而，目前相关研究虽然指出了粗骨料特性会对混凝土性能产生影响，但仍未明确给出粗骨料各特性参数对混凝土性能的具体影响规律。因此，针对粗骨料级配，本研究从骨料紧密堆积出发，引出富余浆体厚度对性能的影响，进而探究出粗骨料级配（大小石比例）对富余浆体厚度及拌合物性能的影响，给出粗骨料级配控制参数；从骨料粒形出发，结合试验和图像分析研究了粗骨料粒形对混凝土性能的影响，给出粒形参数的具体控制指标。

1 粗骨料级配对混凝土性能的影响

1.1 紧密堆积理论的应用及分析

紧密堆积理论模型主要包括Andreasen模型、Dinger-Funk连续分布模型、可压缩堆积模型、固体悬浮模型、颗粒线性堆积密度模型等[10]。Dinger-Funk理论模型方法是被研究和应用最广泛的理论模型法，本研究也采用Dinger-Funk紧密堆积理论。Dinger-Funk方程如式⑴所示。

式中：

U（Dp）——粒径小于Dp的颗粒的体积分数；

Dp——颗粒粒径；

Dpl——体系中最大颗粒的粒径；

Dmin——体系中最小颗粒的粒径；

q——Fuller指数（分布指数）。

试验研究了Dinger-Funk理论模型不同q值所对应骨料级配对混凝土性能的影响，级配分布分别如表1所示。

表1 5～20mm粗骨料在不同q值时的级配分布

对上述3个q值所对应级配的骨料进行混凝土试配研究，当基准胶材用量为330㎏/m3时发现混凝土拌合物较为干稠，流动性差，尤其是C30等中低等级混凝土，表现为浆体量不够。分析其原因为紧密堆积虽然有利于降低骨料孔隙率，但粗骨料中4.75～9.5mm的小石头含量较多，使得粗骨料总比表面积较大，从而表现为拌合物浆体量偏少、流动性差。同样针对0.075～20mm骨料应用Dinger-Funk理论模型，q值选取了0.50（砂率 46.6%）、0.54（砂率 44.5%）、0.58（砂率 42.4%）三个值。同样，在基准胶材用量为330㎏/m3时发现不论砂率值的大小其拌合物均比较干稠、流动性较差。分析其原因为粗骨料中4.75～9.5mm小石头占比太大，其比例达到40%以上，导致了粗骨料总比表面积过大，在浆体量一定时，骨料表面浆体厚度太薄，从而表现为流动性较差。

因此，在粗骨料级配控制时，在保证紧密堆积减小孔隙率的同时，需要充分考虑总比表面积对拌合物性能的影响，即需要充分考虑粗骨料中大小石所占的比例。

1.2 富余浆体厚度对流变性的影响

为进一步明确富余浆体厚度对拌合物性能的影响，结合文献资料[11]，分别用式⑵和式⑶计算骨料比表面积和富余浆体厚度，结合试验情况进行分析。

式中：

AS——比表面积；

Ki——第i级粒径骨料所占总骨料的质量分数；

Di——第i级粒径骨料的中间粒径；

ρ——表观密度。

式中：

tpaste——富余浆体厚度，m；

Vpaste——总浆体体积，m3；

Vvoid——填充骨料空隙的浆体体积，m3；

MS——细骨料质量，㎏；

AS,C——细骨料比表面积，m2/㎏；

MG——粗骨料质量，㎏；

AG,C——粗骨料比表面积，m2/㎏。

试验通过调节水胶比和外掺石粉等方式获得不同富余浆体厚度的混凝土拌合物，分析不同富余浆体厚度对混凝土性能的影响，具体试验分析见表2。

表2 富余浆体厚度对C30混凝土性能的影响

从试验结果看，要保障混凝土拌合物具有良好的工作性能，需要保证富余浆体厚度在28μm以上，当C30混凝土富余浆体厚度达到30μm以上时，需适当调整外加剂用量或调整矿物掺合料等，以保证拌合物具有一定的粘稠度并且不出现泌水等现象。从浆体量考虑，C30混凝土浆体量宜控制在315～330L/m3（包括砂中石粉）。

1.3 粗骨料级配优化研究

混凝土拌合物获得良好性能的关键在于获得较优的富余浆体厚度。在粗骨料中，骨料级配影响空隙率和总比表面积。5～10mm颗粒的相对含量对粗骨料总比表面积影响最大，且粗骨料生产中控制5～10mm含量相对较容易。因此，针对实际生产应用的5～20mm、5～25mm、5～31.5mm三种粒径范围骨料，探究其中5～10mm颗粒含量对混凝土性能的影响规律。

5～20mm骨料中5～10mm、10～20mm骨料使用情况对混凝土性能的影响探究如表3所示。

表3 5～25mm骨料中5～10mm骨料含量对混凝土性能的影响

试验结果分析如图1所示。

从图1可以看出，随着5～10mm颗粒占比的增加，混凝土的坍落/扩展度逐渐减小。从结果分析可以得出：针对 5～10mm、10～20mm两种粒级骨料，5～10mm颗粒占比宜为10%≤X≤20%。

图1 5～20mm骨料中5～10mm骨料含量对混凝土工作性的影响

5～25mm骨料中5～10mm、10～25mm骨料使用情况对混凝土性能的影响探究如表4所示。

表4 5～25mm骨料中5～10mm颗粒含量对混凝土性能的影响

其拌合物状态分别如图2（a～d）所示。

图2 5～25mm粗骨料中5～10mm颗粒含量不同的混凝土拌合物状态

从图2可以看出，随着5～10mm骨料含量的增加，混凝土拌合物性能先变好后变差。当5～10mm骨料含量较少时，拌合物包裹性、粘聚性相对较差；当5～10mm骨料含量较多时，拌合物变得干稠。针对5～25mm骨料，其中5～10mm骨料的含量宜为20%≤X＜30%。

5～31.5mm骨料中5～10mm、10～31.5mm骨料比例对混凝土性能影响试验方案如表5所示。

表5 5～10mm、10～31.5mm骨料比例对混凝土性能的影响

试验结果分析如图3所示。

图3 5～31.5mm骨料中5～10mm骨料含量对混凝土工作性的影响

从结果分析可以得：出针对5～10mm、10～31.5mm两种粒级骨料，5～10mm颗粒占比宜为20%≤X＜40%。

2 粗骨料粒形对混凝土性能的影响

2.1 条形筛法分析骨料粒形的影响

按标准JG/T568-2019《高性能混凝土用骨料》试验分析了石的不规则颗粒含量对混凝土性能的影响，发现石的不规则颗粒含量对混凝土流动性和强度无明显影响。分析石的不规则颗粒含量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响，如图4所示。

图4 石的不规则颗粒含量对混凝土抗氯离子渗透性的影响

从分析结果可以看出，随着石的不规则颗粒含量的增加，混凝土的电通量增加，抗氯离子渗透性能有降低的趋势。其原因可能是片状、针状的颗粒容易在混凝土内部形成定向分布，石和基体的界面过渡区孔隙率相对较高，从而容易形成定向通道，使得混凝土抗氯离子渗透性能降低。

2.2 图像法分析骨料粒形的影响

利用数字图像处理（digital image process，DIP）分析骨料圆度，再探究不同圆度值的骨料对混凝土性能的影响。圆度计算公式为[8]：

式中：

δ——圆度；

A——骨料颗粒投影面积；

L——骨料颗粒投影轮廓周长。

试验研究过程中，首先测试了不同粒径的骨料的长径比和圆度值，测试分析界面如图5所示。

图5 骨料圆度测试分析界面

试验应用两种圆度值的粗骨料开展混凝土试配研究，试验配合比及结果如表6所示。

表6 不同圆度值骨料的混凝土试配研究

从分析结果可以看出，圆度值大、粒形更好的骨料坍落/扩展度更大，且中低等级混凝土对骨料圆度更加敏感。圆度值更大的骨料其混凝土流动性更好，因此，在保证工作性及强度的情况下，应用圆度值更好的骨料可以达到减少胶凝材料以降低成本的目的。

2.3 骨料整形分析

在研究过程中采用球磨机自磨进行模拟整形处理，研究分析整形处理对骨料特性及混凝土性能的影响。对普通碎石骨料进行不同时间的模拟整形，其结果如表7所示。

表7 模拟整形时间对骨料特性的影响

从试验结果可以看出，模拟整形可以提高骨料圆度、提高堆积密度、减小限制堆积角，且随着模拟整形时间的延长，颗粒的圆润度增加。针对不同模拟整形时间的骨料进行混凝土试配研究，试验方案及结果如表8所示。

表8 骨料模拟整形时间对混凝土性能的影响

从试验结果可以看出，整形处理可以改善拌合物流动性，并且对力学性能有一定改善作用。结合上述图像分析结果，粗骨料的平均圆度值宜控制在0.83以上，堆积角宜小于35°。

2.4 骨料表面粗糙度的影响

选择两种表面粗糙度不同的碎石进行试验研究，以分析其对混凝土性能的影响。试验所用两种粗骨料如图6所示，左边为石灰岩破碎的粗骨料，其压碎值为6.8%，表面棱角相对较多，颗粒表面更为粗糙；右边为河卵石破碎的粗骨料，其压碎值为4.5%，表面较为光滑。

图6 表面粗糙度不同的两种粗骨料

试验配合比及物理力学性能如表9所示。

表9 表面粗糙度对混凝土性能的影响

从试验结果可以看出，石灰石骨料虽然表面粗糙，比表面积相对较大，但其整体圆润度更好，因此其拌合物流动度相比卵碎石混凝土差别不大。对于C30混凝土，其受压破坏主要是界面过渡区破坏而非骨料破坏，石灰石压碎值虽然大于卵碎石，但石灰石颗粒更为粗糙，因此其界面粘结力更好，表现为混凝土抗压强度更高。

3 结论

通过研究得出以下主要结论：

⑴要使混凝土获得良好的工作性能，需在粗骨料紧密堆积的同时充分考虑富余浆体厚度的影响，泵送混凝土富余浆体厚度应控制在28μm以上，从浆体量考虑，C30混凝土浆体量宜控制在315～330L/m3。

⑵粗骨料级配控制：5～20mm骨料中5～10mm颗粒含量宜控制在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颗粒含量宜控制在20%≤X＜40%。

⑶对于中低等级混凝土，粗骨料表面粗糙度和粒形对混凝土性能的影响大于压碎值的影响。

⑷粗骨料平均圆度值宜达到0.83以上，堆积角宜小于35°，骨料整形有利于改善骨料粒形、减小空隙率，进而改善混凝土流变性和力学性能。