2002年9月四川建筑科学研究
BUILDINGSCIENCERESEARCHOFSICHUAN
55
高强高性能混凝土中的集料研究
吴历斌1,颜志勇2,江 莞1
(11中科院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷国家重点实验室,上海 200050;21东华大学材料学院,上海 200051)
摘 要:试验研究了粗集料最大粒径、级配、不同针片状含量以及不同胶凝材料用量和不同水胶比条件下,砂率对高强混凝土工作性和力学性能的影响。结果表明,在所设计配合比的情况下,对混凝土强度而言,存在最佳的最大集料粒径、最优针片状含量以及最佳砂率等。
关键词:集料;级配;砂率;混凝土;强度;弹性模量中图分类号:TU502 文献标识码:A 文章编号:1008—1933(2002)03—0055—04
1 前言
312 集料级配对混凝土性能的影响
混凝土中,集料占总体积的3/4,集料的性能如最大粒径、颗粒形状、弹性模量等均会对混凝土的强度、体积稳定性以及耐久性等性能产生重要的影响。普通混凝土中,集料强度通常比水泥石和界面强度高,集料的影响不甚明显;而高强高性能混凝土的水泥石强度和界面强度均较高,承载时,集料受压破坏的几率大大增加,因而,集料性质对高强高性能混凝土的力学性能的影响不容忽视。
2 试验设计
(1)粗集料研究。混凝土配合比为:水泥∶矿粉∶砂∶石
研究资料表明,级配良好的集料具有较大的堆积密度,同时也具有较小的空隙率。并发现,在其他条件相同的情况下,堆积密度最大,即空隙率最小的集料,其级配是比较理想的。
为了得到石子的最紧密堆积(最小空隙),以不同大
(Dmin>10mm)小(Dmax<10mm)石子拌合,试图找出某种符
合条件的比率。试验结果见图2。
子=1∶015∶1163∶2145。调整用水量,保持混凝土坍落度为20±2cm。
(2)砂率研究。①不同胶凝材料用量:胶凝材料用量为600kg/m3时,(C+Slag)∶Slag∶W=1∶0.30∶0.33;胶凝材料用
量为550kg/m3时,(C+Slag)∶Slag∶W=1∶0.30∶0.35;胶凝材料用量为500kg/m3(矿粉掺量为150kg/m3)时,调整混凝土用水量,保持坍落度在20±2cm。②不同水胶比:保持胶凝材料用量为600kg/m3,设计两种水胶比分别为0125和0130。
3 试验结果与讨论
311 集料最大粒径对混凝土力学性能的影响
图1 抗压强度与集料最大粒径关系
试验选取石子的粒径系列为40.0mm,3115mm,25mm,
20mm,16mm五个档次。同时,适当调整其各级累计筛余,
图2 堆积密度随级配的变化
使之完全符合普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法(JGJ53—92)的要求。
图1是各龄期抗压强度随集料最大粒径不同变化的趋势图。由图1可见,集料最大粒径为20mm的混凝土强度7
d和28d龄期最高。说明对一定的水泥用量与砂率,混凝土
由图2可以看出:石子的堆积密度并不是随粗石子的增加而逐渐增大,也不是随之增加而简单降低;而是存在一个合适的粗、细石子比率,处于这个恰当的比例时,石子存在最大的堆积密度,即此时的石子的空隙率最小。图2的变化趋势同时表明,在石子最大粒径不是太大且级配保持相对不变的情况下,即使是单粒级(如10～20mm,10～25mm)的集料,其空隙率也未必比连续级配的集料要大。
中水泥浆量一定,混凝土的强度存在集料最大粒径效应,保持一定的坍落度时,最大粒径为16mm的混凝土因其表面积增大,相同坍落度下需水量增大,对应的水灰比明显增大,或相同配合比条件下,混凝土的工作性变差,混凝土内部缺陷增多,从而引起强度的降低。对于试验所给配合比,混凝土中粗集料最佳的最大粒径值为20mm。
收稿日期:2001204219
作者简介:吴历斌(1976-),男,湖南涟源人,硕士,主要从事新型建材与环境材料、高性能陶瓷与超微结构的研究。
56四川建筑科学研究第28卷
根据以上试验结果,通过调整各粒径的分布以实现其级配的变化,研究探讨级配改变对混凝土抗压强度的影响。石子级配改变前后的筛分结果见表1。另外,从连续级配的石子中,筛分出符合公称粒级为10～20mm要求的单粒级粗集料A3。
表1 级配改变前后的筛分结果
标准筛孔/mm
原始级配的累计筛余/%A1改变级配的累计筛余/%A2
2.5099.099.4
5.0093.690.5
10.056.670
20.02.87.5
25.000
针片状集料与一般粒形集料并没有本质区别,主要特点是比表面积较大并有较多尖锐棱角。掺入针片状颗粒的粗集料,会影响单位体积中粗集料的含量,进而影响集料的振实堆积密度和空隙率。图4与图5为针片状含量A%与集料振实堆积密度及空隙率的关系。
利用上述所配石子,固定配合比C∶Slag∶S∶G=0.67∶
0.33∶1.63∶1.09条件下,研究级配对混凝土力学性能的影响。试验采用525#普通硅酸盐水泥,胶凝材料用量为600kg/m3,掺优质磨细宝田矿粉,掺量为胶凝材料用量的1/3,等由图4,5可见,集料的空隙率、堆积密度随针片状含量变化显示出相当一致的变化趋势,即空隙率随A%的增加先减后增,堆积密度随A%的增加先增后减,充分证明针片状集料的掺入对单位重量的粗集料整体体积有显著影响,将直接影响单位体积混凝土粗集料和砂浆含量。本文试验条件下,重要的峰值出现在针片状含量占粗集料总体积12%左右。
314 不同胶凝材料用量时,砂率对混凝土性能的影响
量取代水泥,高效减水剂为自制,掺量为1%。试验结果见图3。
表3是胶凝材料量为600kg/m3时,砂率对高性能混凝土工作性和抗压强度影响的试验结果。
图3 级配对混凝土强度的作用
表3 砂率对高性能混凝土性能的影响
试样
编号
S21S22S23S24S25
B=600kg/m3
可以看出,在其他条件完全相同的情况下,级配改变导致混凝土的抗压强度发生较大变化,28d强度变化近10%。同时注意到,JA1,JA2的级配改变,其实只是改变了粗集料中粗石子(>10mm)的体积百分含量,即由5616%提高到
70%,强度却有了较大幅度的提高。据前述紧密堆积试验,
配合比砂率坍落度
(C+Slag)∶Slag∶W∶S∶G/%/cm
1∶0.30∶0.33∶0.68∶2.041∶0.30∶0.33∶0.82∶1.911∶0.30∶0.33∶0.95∶1.771∶0.30∶0.33∶1.09∶1.631∶0.30∶0.33∶1.23∶1.50
2530354045
18.020.019.018.517.5
抗压强度/MPa
3d
7d
28d
53.764.880.253.066.581.548.559.376.747.359.174.746.956.874.2
粗石子的体积百分含量在70%时,集料的堆积密度最大,空隙率最低。因此,在这种情况下的集料的级配也是比较理想的,混凝土的强度也相对最高。
313 集料粒形对高强高性能混凝土的力学性能影响
表4是胶凝材料用量为550kg/m3时,砂率对高性能混凝土坍落度及抗压强度影响的试验结果。
表4 砂率对高性能混凝土性能的影响 试样
编号
S11S12S13S14S15
B=550kg/m3
通过改变混凝土所用粗集料中针片状颗粒的含量,研究集料粒形对高强高性能混凝土工作性和力学性能的影响。调整粗集料的针片状颗粒含量分别为2%,7%,12%,17%和
22%,并按针片状含量拌制五组混凝土试样。
配合比砂率坍落度
(C+Slag)∶Slag∶W∶S∶G/%/cm
1∶0.30∶0.35∶0.79∶2.381∶0.30∶0.35∶0.95∶2.221∶0.30∶0.35∶1.11∶2.061∶0.30∶0.35∶1.27∶1.901∶0.30∶0.35∶1.43∶1.74
2530354045
16.519.021.020.520.0
抗压强度/MPa
3d
7d
28d
51.662.177.848.867.378.046.967.479.344.461.874.339.957.071.4
由表2中数据可知,针片状含量与混凝土强度存在一种特殊关系:既不是针片状含量越高,强度越低,也不是针片状含量越高,强度越高,而是存在一个最佳针片状值(12%),在这个值附近,混凝土的抗压强度最高。
表2 集料粒形对高强高性能混凝土力学性能的影响配合比
B∶W∶G∶S
试验结果表明,当胶凝材料用量为550kg/m3时,混凝土的坍落度随砂率变化的趋势与胶凝材料用量为600kg/m3的混凝土基本相同,即坍落度先随砂率的增大而逐渐增加,而后又降低。表明混凝土坍落度与砂率并不是一个简单的线
4
试样针片状坍落度抗压强度/MPa
编号量/%/cm7d28d
Z1Z2Z3Z4Z5
27121722
21.520.522.019.018.5
57.060.061.158.357.7
69.669.872.467.267.3
弹性模量
/MPa
1∶0.298∶1.63∶1.091∶0.298∶1.63∶1.091∶0.298∶1.63∶1.091∶0.298∶1.63∶1.091∶0.298∶1.63∶1.09
—
4.04×10
性关系,而是存在一个最佳值。而且,这个最佳值随胶凝材料用量的增加而相应降低,如图6、图7所示。
分析抗压强度试验结果可知,砂率对混凝土抗压强度的影响存在同样的变化趋势,即抗压强度与砂率并不是一个简
4.76×104
—
2002No.3吴历斌,等:高强高性能混凝土中的集料研究 57
值。这个最佳值随胶凝材料用量的不同而有所不同,但保持在30%～40%之间。
315 不同水胶比条件下,砂率对混凝土性能的影响
保持胶凝材料用量为600kg/m3,设计两种水胶比(0125和0130),配制五种砂率30%,35%,40%,45%,50%混凝土,测试其坍落度和28d抗压强度,如图10、图11和图12所示。
图6 坍落度随砂率变化趋势(600kg/m3)
图9 砂率对混凝土强度的影响
图7 坍落度随砂率变化趋势(550kg/m3)
单的线性关系,同样存在最佳砂率值。综合考虑砂率对混凝土工作性及抗压强度的影响,在本试验条件下,当胶凝材料用量分别为600kg/m3和550kg/m3时,最佳砂率值相应为
30%和35%,如图8所示。
图10 坍落度随砂率变化(W/B=0.25)
图8 砂率对混凝土抗压强度的影响规律
表5是胶凝材料用量为500kg/m3(矿粉掺量为150kg/
m3),坍落度保持在20±2cm时,混凝土用水量、弹性模量、
抗拉强度以及抗压强度随砂率变化的试验结果。
表5 砂率对高性能混凝土性能的影响
试样砂率用水量坍落度编号/%/(kg/m3)/cm
S01S02S03S04S05
2530354045
158158166175170
17.518.019.021.020.0
3.50×104
B=500kg/m3
图11 坍落度随砂率变化(W/B=0.30)
弹性模量/MPa
3.94×1043.79×10
4
抗拉强
度/MPa
10.0310.6110.50
抗压强度/MPa
3d
7d
28d
48.563.266.044.063.777.144.465.179.843.555.873.143.550.871.1
试验结果表明,当水灰比不同时,最大坍落度所对应的砂率值有所不同,并随水灰比的降低,最佳砂率值也随之降低。这是因为,相同条件下,粗细集料表面积的多少对混凝土拌合物工作性有显著影响,砂率增大,集料的总表面积增加。因此,要保证相同的坍落度势必增加用水量。从和易性来看,水灰比分别为0125和0130时,尽管最优砂率也有所不同,但都在35%～45%之间,超过此范围后,坍落度减小。
分析结果可知:随着砂率的增大和集料比表面积的增加,为了达到要求的坍落度(20±2cm),混凝土拌合物所需的用水量呈增大趋势;且随着砂率的增大,混凝土的抗压强度和抗拉强度呈先增大后减小的变化趋势,表明其存在一个最佳砂率值,如图9所示。比较发现,随着龄期的增长,混凝土强度的这种走势越趋明显;同时,与抗拉强度相比较而言,砂率对抗压强度的作用更显著。
从上面的讨论结果可以发现,砂率对混凝土的工作性、抗压强度以及弹性模量都有不同程度的影响,其中,混凝土的工作性受砂率的影响尤为显著,并且存在一个最佳砂率
图12 砂率对混凝土抗压强度的作用
图12绘出了两种水灰比下,混凝土抗压强度随砂率变化的趋势。可以看出,随着砂率的增加,混凝土的抗压强度呈先增大后降低的趋势,且随水灰比的不同,达到理想强度
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的砂率值有所不同。
四川建筑科学研究第28卷
对混凝土工作性的影响尤为显著;随着胶凝材料用量的增加,获得最佳工作性和抗压强度的砂率值有所不同。砂率最佳值为30%～40%。
(5)水灰比分别为0125,0130的两组高性能混凝土抗压
综合考虑砂率对混凝土坍落度和抗压强度的影响,当水灰比为0125～0130时,最佳砂率值为35%～45%。
4 结论
(1)对本文所研究的混凝土配合比,当混凝土粗集料的
强度和坍落度所对应的最佳砂率值均在35%～45%之间。参考文献:
[1] 吴历斌,孙振平,王新友,等1高强高性能混凝土中集料对力学
最大粒径为20mm时,混凝土的强度较高;砂率为35%时,混凝土的强度与弹性模量均较高。
(2)集料的级配对混凝土的影响显著,在本文所采用的
研究方法中,较粗的石子占70%时,集料的级配是比较理想的。
(3)集料中针片状含量对混凝土性能的影响存在一特殊
性能的影响[J]1混凝土,2001,(1)1[2] NeveilleA,AitcinPC.Highperformanceconcrete2Anoverview[J].
Materialsandstructures,Vol31,March1998.[3] 吴历斌1集料对高性能混凝土力学性能的影响研究[D]1同济
关系,即存在有别于以往研究结果的较优的针片状含量。在本文所研究的配合比与条件下,这个较优的含量约为12%。(4)对胶凝材料用量在550～600kg/m的高性能混凝3大学,20011[4] 柳恒伟1高强高性能预拌泵送混凝土原材料的优选[J]1混凝
土,2000,(5)1
土,砂率对混凝土的工作性、强度有不同程度的影响,其中,
Studyonaggregateinhighstrengthandhighperformanceconcrete
WULi2bin1,YANZhi2yong2,JIANGWan1
(1.ShanghaiInstituteofCeramicsAcademyofSciences,Shanghai 200050,China
2.InstituteofMaterialScienceandEngineering,DonghuaUniversity,Shanghai 200051,China)
Abstract:Theinfluenceofaggregate,whichdistinguishfromthemaximumdimension,theaggregategrading,differentcontentofneedleorplatetosandrateunderdifferentBandW/B,hasbeeninvestigatedinthisarti2cle.Itisconcludedthattheoptimummaximumdimension,optimumcontentofneedleorplateandoptimumsandrateisexisted.
Keywords:aggregate;grading;sandrate;concrete;strength;elasticmodules
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