骨料对混凝土的强度及耐久性的影响

1、摘要：混凝土骨料是混凝土的重要组成成分。研究人员通常 把研究重点放在水泥、水灰比、减水剂、活性矿物掺合料等方面， 而忽视了占混凝土体积四分之三左右的骨料。随着高性能混凝土 的发展，骨料的重要作用才真正被研究人员所认识和重点研究。 但是以往的研究缺乏系统性，而且多数研究只偏重于混凝土强度， 而忽视了骨料对于混凝土工作性能及耐久性能方面的影响。实际 上骨料的几何特性、物理性能、化学成分等对水泥混凝土早期的 工作性能、硬化后的力学性能及耐久性能都存在不可忽视的影响。从工程角度看，强度仍是结构混凝土最重要的性能。多少年来， 混凝土组分与强度之间的关系一直是人们研究的内容。粗骨料对 混凝土强度的影响，主

2、要由于粗骨料本身的强度和骨料的形貌特 征。随着粗骨料压碎指标增大，混凝土强度下降；粗骨料的表面愈 粗糙,其配制的混凝土强度愈高。 粗骨料最大粒径在515mm之间, 随着集料粒径增大，混凝土的强度提高；而在高于 15mm后，粗骨料 粒径愈大，混凝土强度愈低。粗骨料对高强混凝土力学性能的影响 比对普通混凝土力学性能影响显著，即粗骨料在高强混凝土中发 挥作用更加明显。关键词：骨料、混凝土、耐久性、强度、级配目录 TOC o 1-5 h z 1混凝土耐久性的定义12骨料的定义13粗骨料强度对混凝土强度的影响 24粗骨料的级配对混凝土性能的影响 35粗骨料的粒径和粒形对混凝土强度的影响 45.1粗骨料的

3、最大粒径55.1.1骨料的细度模量（mz）55.1.2骨料的质量系数k 56粗骨料中有害物对混凝土耐久性的影响 67现状与问题78小结8参考文献 10混凝土是近现代使用最广泛的建筑材料。长期以来，人们一 直以为混凝土是一种非常耐久的材料，从而忽视了它的耐久性问 题。然而，近四五十年来，混凝土结构物因材料耐久性不足而过 早劣化的事例在国内外屡见不鲜，各国为此付出了惨重代价。为 提高混凝土的耐久性，发达国家自20世纪80年代中期掀起了一个以改善混凝土材料耐久性为主要目标的“高性能混凝土”开发 研究的高潮，并取得了一些可喜的研究成果，这些成果被不断地 应用于工程实践并指导混凝土结构的耐久性设计。1混

4、凝土耐久性的定义混凝土是一种重要的结构材料，在结构中主要发挥其抗压强 度高的特点，因此抗压强度是混凝土最为重要的指标。混凝土抗 压强度比较容易通过试验获得，因此抗压强度不仅常用作为一般 评定混凝土质量的指标，也是结构物设计时必要的参数，而且混 凝土抗压强度与其他很多性能之间存在较好的相关性，通过混凝 土抗压强度测试结果还可以一定程度上推测混凝土其他性能。混凝土耐久性设计已成为确保混凝土结构达到设计使用年 限的前提和基础，所谓混凝土的耐久性主要指其抵抗物理和化学 侵蚀，如冻融、高温、碳化，以及硫酸盐侵蚀等等的能力。这种能力主要取决于混凝土抵抗腐蚀性介质侵入的能力；也取决于硬化后体积稳定性，体积稳

5、定性好，无裂缝发生，抵抗腐蚀性介质 侵入的性能高；也取决于硬化水泥浆中毛细管空隙率，以及有意 无意引入的空气量。如侵蚀性介质侵入混凝土中，混凝土耐腐蚀 性能将受水化产物的组分和分布的影响。2骨料的定义骨料在混凝土中约占70%，是混凝土的主要组成成分。顾名 思义，骨料就是作为混凝土骨架的材料。混凝土骨料有粗、细之分，细骨料粒径范围是0.15-5mm，如天然砂与石屑；粗骨料的粒径范围在5-150mm，如卵石、碎石及碎卵石等。在混凝土中，骨料具有重要的技术和经济作用，正确 的选择骨料的品种，符合有关技术标准的要求，是配制混凝土的 基础。以下本文中只对粗骨料对混凝土的影响做以研究。3粗骨料强度对混凝土

6、强度的影响混凝土对粗骨料料强度的要求，一般认为粗骨料抗压强度应 选择为混凝土设计强度的 2倍左右，至少应在1. 5倍以上。这对 普通混凝土是容易到达的。但对于高强混凝土而言，骨料的差别 对混凝土的强度影响很大。骨料能起到骨架和抵抗变形的作用， 如果仅仅增加水泥用量、减小水灰比，而粗骨料的强度不提高， 则对混凝土强度的提高将不大会有效果。也有人提出，对于强度 小于40MPa的普通混凝土，骨料的性能不会影响混凝土的强度， 认为骨料与水泥石的界面才是影响混凝土强度的主要因素。吴中 伟【1】认为，对于强度等级在 C50-C80左右的混凝土来说，骨料 本身的强度并不是最重要的。戴朝阳【2】的试验研究则认

7、为无论高强混凝土还是普通混凝土，骨料种类不同，力学性能就相差很大，但其对普通混凝土的影响要明显小一些。而普通混凝土中，玄武 岩和卵石配制的混凝土具有相同的抗压强度，石灰岩混凝土的强 度较高，关于不同种类粗骨料对普通混凝土和高强混凝土抗压、 抗折、折压比等的影响的试验研究，得出的结论是粗骨料种类对普通混凝土的抗折强度影响较大，而对高强混凝土的抗折、折压 比的影响无明显影响。蒋广京根据实践得出，粗骨料岩石的立方 体抗压强度值宜为所配凝土标号的1.3倍。制配C40混凝土的粗骨料岩石的立方体抗压强度不得低于50 MPa，碎石和砾石的压碎值不应大于16 %，变质岩或火成岩的最大压碎值不得大于20 %。有

8、学者提出即使粗骨料强度差一些，有时也能配出强度较高的混 凝土。4粗骨料的级配对混凝土性能的影响粗骨料的级配对混凝土的和易性、力学性能和经济性能都有 着很大的影响，直接影响混凝土的强度、抗渗、耐久性能。所以 人们对粗骨料的级配以及级配对混凝土性能影响方面做了大量研 究。粗骨料级配可以分为两种：连续级配和间断级配。较好的粗骨料级配应当有较大的堆积密度，较小的空隙率， 以减少水泥用量并保证密实度；总表面积小，以减少湿润骨料表 面的需水量；有少量的细颗粒以满足和易性的要求。武历斌等用 大小尺寸不同的粗骨料混合试验得出，当粗石子占总石子的70 %时，堆积密度最大，空隙率最低，混凝土强度也最高，耐久性也

9、好，见图1。堆积密度图1堆积密度随机配变化曲线当粗骨料级配不好时，即没有或很少中间颗粒时，混凝土含 有过多而且不易密实的砂浆，造成混凝土内部均匀性差，强度变 异性大。而且还会造成混凝土拌合物流动性差，离析严重，容易 在内部形成蜂窝孔洞等缺陷，从而直接降低了混凝土的强度。陈 素梅的试验表明用连续级配的碎石配制的混凝土抗折强度组内极 差比单粒级的小，强度离散性较小，拌合物具有较好的匀质性。 所以混凝土用粗骨料，既要求级配合格（空隙率要小），也要粗 细、大小适中，所以要综合评骨料好坏，采用粗骨料质量系数。此外，粗骨料的级配还对混凝土耐久性有重要影响，这是人 们常常忽视问题。吴沙和通过对比三种不同级配

10、粗骨料配制的混 凝土的抗渗性，并运用混凝土界面结构理论对抗渗机理分析，如 果粗骨料间大小石子比例不合适，空隙率大，密实性不好；或者是粗骨料中小石子居多，级配单一，则虽然混凝土密实性有所提 高，但由于粗骨料间水泥浆层较薄透水性差，因而混凝土抗渗性 同样较差。覃维祖指出，粗骨料的颗粒分布与级配对路面板的耐 磨耗性能，乃至整个路面的使用寿命都有很大的关系。粗骨料级 配的好坏直接影响其堆积的密实程度，从而影响混凝土所需要的 砂浆量，间接地决定了路面渗透性能的优劣。5粗骨料的粒径和粒形对混凝土强度的影响粗骨料合理最大粒径的大小也是研究人员比较关心的一个 问题。因为粗骨料最大粒径的尺寸直接影响着混凝土的工

11、作性能、 强度及生产成本。粗骨料最大粒径对混凝土性能的影响是个复杂 的问题。国内外对这个方面的研究有很多。从提高混凝土工作性 能，减少水泥用量的角度上分析，粗骨料的粒径越大，其比表面 积越小，因此所需包裹骨料的水泥浆量相应减少，在一定的和易 性和水泥用量的条件下，则能减少用水量而提高混凝土强度。而且粗骨料能阻碍裂缝的发展，提高断裂韧度，有利于混凝土强度提高。但是随着粗骨料尺寸增大，粗骨料比表面积减少导致界面 粘结强度下降，而且较大粗骨料对水泥浆约束较大，易引起水泥 浆中的附加内应力，导致混凝土强降低。5.1粗骨料的最大粒径粗骨料的公称粒径的上限为该粒径的最大粒径。粗骨料的最 大粒径大，比表面积

12、小，孔隙率也比较小。这就可以省水泥与用 水量，提高混凝土密实度、抗渗性、强度，减小混凝土收缩。所 以一般都尽量选用较大的骨料最大粒径。5.1.1骨料的细度模量（M z）骨料的细度模量M【9】也是评价粗骨料质量的一个重要指标。其计算方法与细骨料的相似。可用有关筛孔的筛子（40，20，10，5，2.5，1.25，0.63，0.315及0.16mm）进行粗骨料的筛分，求出 各筛上累计筛余量（表 1），并按下公式计算 M。表1骨料的筛分结果筛孔尺寸（mm）累计筛余量（%）筛孔尺寸（mm）累计筛余量（%）40A = a1.25A = a + a + a + a116123420A = a + a0.63

13、A = a + a + a + a2127123410A = a + a + a0.315A = a + a + a + a3123812345A = a + a + a + a0.16A = a + a + a + a41234912342.5A = a + a + a + a51234因粗骨料的d 5mm，故小于5mm筛孔的累计筛余量均相同。a, （A + A + A + A + A + A + A + A ）-6A M =234567891100 A15.1.2骨料的质量系数 k质量系数K是一个综合评价混凝土骨料质量的指标。即可用于细骨料，又可用于粗骨料。K = Mz （50 P）式中K

14、 骨料的质量系数；Mz 骨料的细度模量;尸一一骨料的空隙体积百分率。K值与细度模量Mg和骨料的空隙体积百分率P有关。K值大， 骨料质量高，级配好。6粗骨料中有害物对混凝土耐久性的影响粗骨料中常见有害作用的矿物有云母、泥及泥块、石粉等， 云母吸水率高，强度及抗磨性差。粗骨料的含泥量是指粒径小于 75 w的颗粒含量。含泥量一般 会降低混凝土的和易性、抗冻性、抗渗性增加干缩。而且对于高 强度的混凝土的抗压、抗折、轴压、弹性模量、收缩、抗渗、抗冻等性能均有较大影响。因此，如果粗骨料含泥量过多时，要进 行清洗。碎石、卵石中的泥块含量是指颗粒粒径大于4.75mm，经水洗、手捏后变成颗粒小于 2.36mm颗

15、粒的含量。粗骨料中的泥块 对混凝土的各项性能均产生不利的影响，降低混凝土拌和物的和 易性和抗压强度；对混凝土的抗渗性、收缩及抗拉强度影响更大。 混凝土的强度越高，影响越明显。当粗骨料表面包裹吸附石粉时，在骨料与水泥砂浆之间形成 一层薄弱结合层。所以混凝土抗压强度有所降低。但当包裹的石 粉较多时，在搅拌的过程中大部分石粉脱落分散到水泥浆体之中。 这部分石粉相当于外加的石粉微骨料。一方面，微骨料的填充效 应使得混凝土更加密实。另一方面，由于石粉的吸水效应，虽然 混凝土拌合时总体的含水量是相同的，但实际的水灰比下降了。 同时混凝土的保水性增强，减少了自由水在界面的聚集，有利于 骨料界面改善。石粉中的

16、 CaC03微粒还具有一定的活性作用，能 和C3A反应生成碳铝酸盐。同时石粉在水泥水化的过程中起到一定的“晶核”作用，加速水泥中的C3S水化。所以当包裹的石粉较多之后，混凝土抗压强度有所回升，甚至高于洁净骨料混凝土 的抗压强度。考虑到实际施工中一般不会专门包裹大量的石粉， 而石灰岩类碎石又容易因搬运等原因包裹吸附石粉，所以建议使 用前尽量将石料冲洗洁净，延长搅拌时间，必要时可适当提高混 凝土配置强度。7现状与问题我国目前大量采用的粗骨料大多为石灰质岩，骨料的粒径一 般在大于25mm，甚至30mm以上；而针片状含量较多，空隙率 大，高者达53%，用这样的骨料配置混凝土，必定要多用水泥浆， 不然使

17、混凝土在搅拌后达不到所需要的工作性，和易性较差，容 易泌水，坍落度损失比较严重，影响混凝土的强度和耐久性。因 此，需要调整其级配，降低空隙率。碱-骨料反应仍是一个需要解决的问题。能与水泥或混凝土中 的碱发生化学反应的骨料称为碱活性骨料。碱 -骨料反应，就是水 泥中的碱与混凝土骨料中的活性二氧化硅发生化学反应，生成新 的硅酸盐凝胶而产生膨胀的一种破坏作用。骨料具有碱活性是发生碱骨料反应的必要条件。因此在对骨 料的选型以前，首先要确定骨料是否具有碱活性（这可以通过各 种试验来确定）。一般我们将骨料分为三类，既碱活性、潜在碱 活性和无碱活性。如果骨料是碱活性骨料，则不能使用这类骨料； 如果骨料具有潜

18、在碱活性，则要有条件地使用，如限制混凝土中 的碱含量、使用粉煤灰等外掺剂、混凝土表面涂刷高分子涂料以 堵塞水及碱的外部通道等方法；而无碱活性骨料则可以相对自由 地使用。随着建设事业的发展，混凝土材料在工程中获得了更加广泛 的应用。许多专家学者预言，21世纪混凝土仍为主要的建筑材料。 一般情况下，设计者往往只对钢筋混凝土的强度感兴趣。但是， 很多工程的钢筋混凝土结构，往往会发生过早破坏，其原因不是 由于强度，而是耐久性不足。这是很多设计者意识到耐久性的重 要。所以，在考虑结构强度的同时，注重其耐久性，按照这样的 目标，对骨料的选择时就必须考虑文中还提到的几个问题：（1）不能含软弱颗粒的骨料或风化骨料。JGJ53-92规定，岩石抗压强度应为混凝土强度的1.5倍。采用50mm立方体或50 X 50mm圆柱体，在饱水状态下测定抗压强度值，不宜低于 80MPa。压碎指标V 10%。（2 ）空隙率尽可能低；这样达到相同流动性时，水泥的用 量低，混凝土的自收缩变形低，水化热低，体积稳定性好，对强 度耐久性均好。所以混凝土用骨料，既要求级配合格（空隙率要 小），也要粗细、大小适中，所以要综合评价骨料好坏，采用骨 料质量系数。（3 ）骨料的表观密度和堆积密度要大。吸水率要低，表面 要粗糙，粒形好。表观密度 2.65，堆积密度