摘 要：本试验采用邯郸当地的混凝土原材料，利用正交设计方法，试验研究和分析了粗骨料最大粒径、水胶比、粉煤灰掺量、砂率对低水胶比混凝土的强度及和易性的影响。结果表明：粗骨料的最大粒径对混凝土强度、和易性有明显影响，但水胶比仍是影响混凝土强度及和易性的主要因素。
关键词：粗骨料；最大粒径；正交设计；强度；和易性
中图分类号： TU502 文献标识码：A
混凝土是当今世界上应用最广泛的结构材料。随着现代建筑技术的发展， 对混凝土性能的要求愈来愈高。目前已经研制成功并投入使用的高流动性、高强度、高耐久性、高体积稳定性的高性能混凝土，其强度已大于100MPa ， 耐久年限已由原来的40～50 年提高到100 年以上。虽然高性能混凝土还没有得到普遍使用，但实际使用的混凝土强度却在不断提高，低水胶比的混凝土用于建筑工程中已很常见，随着混凝土水胶比的降低，影响混凝土强度的因素也越来越复杂了。原本对普通混凝土影响不大的的一些因素例如粗骨料的粒径、粒形等对低水胶比混凝土的影响却较大。骨料在混凝土中约占70%～80% ， 是组成混凝土的骨架，粗骨料的强度、最大粒径、颗粒形状、级配、弹性模量等均会对混凝土的强度，碱集料反应，体积稳定性以及耐久性等性能产生重要影响[ 1 ]。在普通混凝土中的粗骨料一般都具有足够的强度，且骨料强度通常比水泥石和界面强度高，因此，对骨料没有特别的要求。再者，骨料对普通混凝土的强度影响不明显；但骨料的级配、最大粒径对混凝土的工作性有较大影响。而低水胶比的混凝土，水泥石强度和界面强度都较高，受力时骨料受压破坏的机率大大增加，因而集料的性质对低水胶比的混凝土强度及和易性的影响是不可忽视的。本试验利用邯郸当地的混凝土原材料，研究四种粗骨料最大粒径在不同水胶比，不同粉煤灰掺量和不同砂率下，对低水胶比混凝土强度及和易性的影响。
1 试验原材料
1) 水泥： 选用太行山牌42.5R普通硅酸盐水泥。主要性能见表1 。
2) 粗骨料：对于一般的碎石粗骨料，其强度并不是影响混凝土性能最重要的因素，碎石中杂质含量，针片状含量，颗粒级配等方面对其性能影响很重要，尤其是骨料级配。本试验选用邯郸本地市场供应的几种粒径的石子经掺配后使用，以达到使其孔隙率尽可能小。本试验需要5-10 mm 、5-16mm 、5-20mm 、5-25mm 四种级配的碎石，经掺配后的石子级配基本符合要求。其物理力学性能见表2。
3) 细骨料：对于低水胶比的混凝土应选用细度模数较大的砂，但由于本地区只产细砂，为了就地取材，充分利用本地资源，所以本试验采用当地产的细砂，其物理力学性能见表3。
表1 水泥性能指标
|
抗折强度MPa |
抗压强度MPa | |||||||
|
测试项目 |
细度% |
安定性 |
初 凝 |
终 凝 |
| |||
|
|
|
|
|
3 天强度28 天强度 |
3 天强度 28 天强度 | |||
|
测试结果 |
27. 6 |
合格 |
2h46min |
3h39min |
4. 95 |
28. 0 |
8. 52 |
54. 6 |
表2 粗骨料的各项指标
|
针片状含量(%) 含泥量(%) 压碎指标(%) 密度(g/cm3) 容重(kg/m3) |
|
4. 7 0. 6 0. 72 2. 71 1400 |
表3 细骨料的各项指标
|
含泥量 |
堆积密度 |
表观密度 |
细度模数 |
(筛孔尺寸) 累计筛余(%) | |||||
|
(%) |
(g/cm3) |
(g/cm3) |
(%) |
5.0 |
2.5 |
1.25 |
0.63 |
0.315 |
0.16 |
|
4.9 |
1420 |
2680 |
1.60 |
0.08 |
0.56 |
1.35 |
13.56 |
60.98 |
84.08 |
表4 试验方案及结果
(MPa)
|
试验
号 |
A 石子粒径 |
B 水胶比 |
C砂率 |
D粉煤灰掺量 |
E空列 |
坍落度 |
抗压强度 | |
|
(mm) |
|
(%) |
(%) |
|
(mm) |
7d |
56d | |
|
1 |
1(10) |
1(0.3) |
2(35) |
1(20) |
2 |
5 |
50.7 |
68.5 |
|
2 |
3(20) |
2(0.35) |
2(35) |
1(20) |
1 |
36 |
44.5 |
65.1 |
|
3 |
2(16) |
2(0.35) |
2(35) |
2(15) |
2 |
59 |
46.0 |
67.5 |
|
4 |
4(25) |
1(0.3) |
2(35) |
2(15) |
1 |
9 |
51.1 |
69.0 |
|
5 |
1(10) |
2(0.35) |
1(30) |
2(15) |
1 |
26 |
46.2 |
64.9 |
|
6 |
3(20) |
1(0.3) |
1(30) |
2(15) |
2 |
9 |
52.1 |
69.8 |
|
7 |
2(16) |
1(0.3) |
1(30) |
1(20) |
1 |
7 |
46.0 |
68.9 |
|
8 |
4(25) |
2(0.35) |
1(30) |
1(20) |
2 |
80 |
42.8 |
64 |
表5 强度的极差计算
|
7d 强度各因素的和与极差 |
56d 强度各因素的和与极差 |
| |||||||||
|
A |
B |
C |
D |
E |
A |
B |
C |
D |
E | ||
|
K1 |
96.9 |
199.9 |
187.5 |
184 |
187.8 |
133.4 |
267.6 |
266.6 |
266.5 |
267.9 | |
|
K2 |
92.0 |
179.5 |
192.3 |
195.8 |
192 |
136.4 |
261.5 |
270.1 |
271.2 |
269.8 | |
|
K3 |
96.6 |
|
|
|
|
134.9 |
|
|
|
| |
|
K4 |
93.9 |
|
|
|
|
133 |
|
|
|
| |
|
R |
4.9 |
20.4 |
4.8 |
11.8 |
4.2 |
3.4 |
14.7 |
2.5 |
4.7 |
1.9 | |
4) 高效减水剂：高效减水剂是低水胶比、塑性混凝土的必要组份，为确保其流动性，必须掺入高效减水剂。高效减水剂具有强烈的分散作用，能大幅度降低用水量，显著改善混凝土工作性，提高混凝土强度。我们在试验中选用邯郸华冶建材厂生产的FDN高效减水剂。
5) 粉煤灰：粉煤灰的掺入可分散水泥颗粒，使水泥水化更充分，提高了水泥浆的密实度，降低混凝土的泌水，有利于混凝土中骨料-水泥界面强度的提高； 改善混凝土的耐久性。为了解邯郸粉煤灰在混凝土中的作用，试验中掺入了一定量邯郸热电厂的稍加磨细的原状粉煤灰。其细度为(0.080mm方孔筛筛余)20%。
2 方案设计及试验结果
本试验利用正交设计的方法，在试验方案设计中，主要研究粗骨料最大粒径、水胶比、粉煤灰掺量、砂率对混凝土强度及和易性的影响。粗骨料最大粒径为四个水平，其余的为两个水平。试验结果见表4。高效减水剂FDN的掺量是胶凝材料的1.5%。
3 试验结果的的极差分析[ 2 ]
1) 抗压强度的极差计算见表5 。
2) 抗压强度的极差分析：
① 影响7d和56d强度的主次序均为B→D→A→C， 即水胶比是影响强度的主要因素； 砂率对混凝土强度的影响不大。粉煤灰掺量和粗骨料最大粒径有一定的影响。综合分析后最佳配比为A2B1C2D2。即水胶比为0.3 、粉煤灰掺量为15%、粗骨料最大粒径为16mm、砂率为35%。
② 骨料最大粒径的增大，混凝土的强度的变化在各龄期是不完全相同的： 各龄期的混凝土强度在最大粒径为16mm 和20mm 时一般有强度的较高值。这说明了粗骨料最大粒径对高性能混凝土具有最大粒径效应，如图(由于粉煤灰的掺量不同故对强度有一定的影响) 。因此骨料粒径对混凝土强度的影响是不可忽视的。
③ 随着粉煤灰掺量的增加，混凝土强度普遍有所降低，见图2 。
④ 对坍落度的影响： 粗骨料粒径和砂率对混凝土和易性影响比较大。在水胶比为0.35 时，随着粗骨料粒径的增大，坍落度是增加的趋势；当水胶比为0.30 时，坍落度的变化不大。如图3。
4 结果分析
4. 1 骨料最大粒径对强度的影响
骨料的最大粒径对混凝土的强度有明显的影响，尤其是对低水胶比的混凝土。具体的影响有： 1) 颗粒小的骨料存在缺陷的几率小，相对比较致密，因为破碎时消除了控制强度的最大裂缝[3 ] 故强度比大颗粒的高；2) 小颗粒的骨料可降低骨料与水泥石界面的应力差；3) 水泥浆与单个石子界面的过渡层周长和厚度都小，难以形成较大的缺陷；4) 小颗粒的骨料增加了与水泥浆的粘结面积，使粘结强度提高；5) 在混凝土拌合物中，颗粒大的骨料下沉速度快，造成的混凝土内部分布不均匀，影响混凝土的强度。但是粗骨料的颗粒也不能太小， 过小的颗粒会大幅度增加表面积和孔隙率； 加工时粘附在小颗粒上的粉尘比较多会影响界面的粘结强度；一些强度很小的小颗粒也不宜剔除。
4. 2 粉煤灰对混凝土强度的影响
利用邯郸热电厂的粉煤灰，采用等量取代法， 掺量是水泥用量的百分数。考虑到所使用的粉煤灰是稍加粉磨的原状灰，由于颗粒较粗会影响到混凝土的和易性并对其强度有一定影响，所以取代水泥量较低为15% 和20%。
从图4(a) 水胶比相同时，早期强度差别较大， 56d 强度均比较接近； (b) 早期强度(7d) 中，粉煤灰掺量少的强度明显高； (c) 水胶比相同时，基准混凝土(基准混凝土的水胶比为0.35) 的7d 强度最高， 但56d强度相差不大。
粉煤灰掺量大的混凝土强度低； 尤其是早期强度，56d 的强度相差不大；说明粉煤灰颗粒粗，仍具有一定活性。
5 结论
1) 粗骨料的最大粒径对混凝土强度、和易性有明显影响，最佳粒径为16mm和20mm； 但水胶比仍是影响混凝土强度及和易性的主要因素。
2) 对于低水胶比的混凝土，在细砂的情况下， 其砂率也不宜小于30% ， 否则影响强度。
3) 稍加粉磨的粉煤灰也可用于低水胶比的混凝土中，7d 强度虽较低但56d 强度与基准混凝土相当，但掺量不宜过大，否则对早期强度及和易性影响较大。
参考文献
[1] 吴历斌. 高性能混凝土中的集料研究[J] . 新型建筑材料， 2002，(3)：18-21.
[2] 蔡正永，王足献. 正交设计在混凝土中的应用[M] . 中国建筑工业出版社，2000.
[3] 郑娟荣. 高性能混凝土各组成材料的选择及试验研究[J] . 建筑技术，2002，(1)：22-24.
[4] 王继宗，梁晓颖，梁宾桥.混凝土配合比设计方法的研究进展[J] . 河北建筑科技学院学报，2003，20(2)：30
