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粗骨料最大粒徑對混凝土性能影響的試驗研究

來源:王寶媛,劉秀杰,紀海軍,丁長鑫
時間:2015-02-04
摘要:在相同配合比條件下,對粗骨料最大粒徑為10 mm,20 mm,30 mm,40 mm和60 mm的5組混凝土試件進行了試驗研究。結果表明:混凝土的強度隨粗骨料最大粒徑的增加呈普遍增大的趨勢。彈性模量的實測值與經驗公式的計算值相差不大?;炷翑嗔秧g度隨粗骨料最大粒徑的改變而變化,當Dmax=40 mm時,斷裂韌度均達到最大值。
  關鍵詞:粗骨料最大粒徑;抗壓強度;彈性模量;斷裂韌度
  
  粗骨料的最大粒徑通常指骨料公稱粒級的上限值,用Dmax表示。骨料在混凝土的組成中占70%~80%左右,成為混凝土的重要骨架,粒徑大小對混凝土的各項力學性能具有很大的影響。關于混凝土的最大骨料粒徑Dmax與混凝土斷裂韌度KIC的關系問題,很多學者已經進行了大量的試驗研究,取得了許多有價值的成果和結論,但是由于研究方法的差別和具體試驗條件的差異,使得結果不盡相同[1]。文獻[2] 中進行混凝土斷裂試驗研究的粗骨料最大粒徑為20 mm,30 mm和40 mm,試驗結果表明:混凝土的斷裂韌度隨骨料粒徑增大而增大,但是其增大速率逐漸減小。文獻[3]中進行混凝土斷裂試驗研究的粗骨料最大粒徑分別為20 mm,40 mm,80 mm和150 mm,得出結論:斷裂韌度隨骨料最大粒徑Dmax的變化而變化,當Dmax<40 mm時,斷裂韌度KIC隨Dmax的增大而增大;當Dmax大于40 mm時,斷裂韌度KIC隨Dmax的增大而減小。其他一些學者也進行了類似的研究,研究結果不盡相同,為了繼續探究粗骨料最大粒徑與斷裂韌度的關系,本文對粗骨料最大粒徑為10 mm,20 mm,30 mm,40 mm和60 mm的混凝土進行了強度和斷裂韌度的試驗研究[1]。
  
  1 原材料和配合比
  

  試驗的原材料采用大連水泥廠生產的P.C32.5R復合硅酸鹽水泥;拌合及養護的用水為大連地下水。粗骨料采用不同粒徑大小的級配碎石;細骨料為中砂,最大粒徑為5 mm。配合比水泥:砂:石:水一1:2.02:3.3:0.53,采用粗骨料最大粒徑為10 mm,20 mm,30 mm,40 mm和60 mm的5種楔入劈拉混凝土試件,具體配比如表1所示,各組中碎石具體含量分配如表2所示[1]。



  2 試驗分析
  

  2.1 混凝土抗壓強度和彈模試驗結果


  試驗中分別測得了各組試件28 d的抗壓強度、試驗時的抗壓強度以及彈性模量的實測值和計算值,結果列于表3中,從表3中可以得出混凝土的強度隨粗骨料最大粒徑的增加呈普遍增大的趨勢[1]。彈性模量的實測值與經驗公式的計算值相差不大,在粗骨料最大粒徑為40 mm時,實測值與計算值幾乎吻合[1]。骨料的最大粒徑對混凝土強度變化的影響,主要是對于粒徑不同的骨料,比表面積差別很大,從而需要黏結骨料的水泥漿用量也不相同。在此試驗中,除了改變石子的粒徑大小之外,其他的材料用量完全相同,這就使得對比變得有針對性。當骨料的粒徑很小時,這些顆粒會大幅度增加拌合物的表面積和孔隙率,骨料表面的水泥漿就相對減少,另外,對于小顆粒的骨料,其表面會黏附大量的粉塵,影響骨料界面與水泥漿的黏結強度。當骨料粒徑不斷增大時,作為混凝土主要支架的骨料開始發揮其有效的抗壓作用,加上骨料表面相對水泥漿量的增加,增大了骨料之間的黏結強度。綜上所述,隨著骨料粒徑的增大,混凝土的強度不斷增加[1]。



  2.2 雙K斷裂韌度試驗結果
  

  按照公式計算各組試件的起裂韌度和失穩韌度。通過PH—CMOD曲線測定的最大水平荷載PHmax和裂縫口張開位移臨界值CMODc。將各組試件的起裂韌度平均值、失穩韌度平均值與粗骨料最大粒徑的關系統一繪于圖l中[1],從圖1中可以看出,混凝土的起裂韌度、失穩韌度隨Dmax的變化而變化,當Dmax≤40 mm時,、隨粗骨料最大粒徑的增大而增大;當Dmax>40 mm時,、隨Dmax的增大而減小[1]。


  粗骨料最大粒徑Dmax對斷裂韌度KIC的影響,主要和粗骨料對裂縫形成與擴展的黏結力的大小以及混凝土內部原生裂縫的開裂程度有關,對于中、小骨料(一般Dmax≤40 mm) 的混凝土,骨料的比表面積以及孔隙率相對增加,也就使得骨料單位面積獲得的水泥漿相對減少,而在斷裂試驗中,骨料的抗裂性能主要憑借裂縫處骨料之間的抗拉性能,如果骨料之間的水泥漿數量很少,那么就沒有足夠的黏結力抵抗裂縫的開裂和擴展,加上小顆粒的骨料容易附著灰塵,使得水泥漿與骨料的黏結力隨之下降,所以,此時混凝土的起裂韌度和失穩韌度都不高[1]。本文的試驗結果顯示了當Dmax=40 mm時,起裂韌度和失穩韌度最大,這也和以往很多學者研究的結果吻合[2-4]。此時,骨料比表面積減少,保證一定厚度潤滑層所需的水泥漿用量最適合,粗骨料對裂縫的形成與擴展的抵抗力以及粗骨料顆粒在混凝土中的機械嚙合作用最大[1]。因此,粗骨料的最大粒徑應在條件允許的情況下,盡量選用大一些的。在選用粗骨料時,最佳的骨料最大粒徑取決于混凝土材料的水泥用量[1]。在水泥用量較少的混凝土中,首選粒徑偏大的骨料。但并不是粗骨料的粒徑越大,斷裂韌度就一定會增加[5]。對于大骨料(一般指Dmax>40 mm)的混凝土拌合物,顆粒大的骨料下沉速度明顯變快,造成混凝土內部結構分布不均勻,從而增加了骨料界面裂縫表面的缺陷,使得裂縫容易在骨料缺陷處開裂并沿該骨料界面擴展[1]。另外,對于大骨料的混凝土機械咬合作用一般較低,混凝土的起裂韌度和失穩韌度也不會很高。在普通配合比的結構混凝土中,粗骨料的最大粒徑盡量不要超過40 mm[1]。



  3 結語
  
  (1) 通過對不同粗骨料粒徑的混凝土立方體試件28 d的抗壓強度和試驗時的強度進行對比分析,可以得出,混凝土的抗壓強度隨粗骨料最大粒徑的增加呈普遍增大的趨勢[1]。
  
  (2) 彈性模量的實測值與經驗公式的計算值相差不大,在粗骨料最大粒徑為40 mm時,實測值與計算值幾乎吻合[1]。
  
  (3) 對混凝土楔入劈拉試件進行分析,得出結論:混凝土的雙K斷裂參數、隨Dmax的變化而變化[1]。當Dmax≤40 mm時,、隨Dmax的增大而增大;當Dmax>40 mm時,、隨Dmax的增大而減??;當Dmax=40 mm時,、均達到最大值。


  參考文獻

  
  [1] 王寶嬡.混凝土斷裂性能及其影響因素的試驗研究[D] .大連:大連理工大學,2010.53—67.
  
  [2] A A Khrapkov.應用斷裂力學研究水壩大體積混凝土建筑物的裂縫[J].巖石、混凝土斷裂與強度,1983(1):52~56.
  
  [3] 吳智敏,徐世娘,劉紅艷,等.骨料最大粒徑對混凝土雙K斷裂參數的影響[J].大連理工大學學報,2000,40(3):358—361.
  
  [4] 徐華榮.朱冠美.混凝土斷裂韌度K祀的影響因素的研究[J].水利學報,1984(9):53—58.
  

  [5] 林辰,金賢玉,李宗津.粗骨料粒徑和硅灰對混凝土斷裂性能影響的試驗研究[J].混凝土,2004(10) :32—34.


  作者:王寶媛、丁長鑫,長春工程學院土木工程學院;劉秀杰,長春市產品質量監督檢驗院;紀海軍,中鐵九局集團大連建設有限公司


編輯:金哲

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