粗骨料粒徑對低水膠比砼強度及和易性的影響
2005-08-17 00:00
摘 要：本試驗采用邯鄲當?shù)氐幕炷猎牧?，利用正交設計方法，試驗研究和分析了粗骨料最大粒徑、水膠比、粉煤灰摻量、砂率對低水膠比混凝土的強度及和易性的影響。結果表明：粗骨料的最大粒徑對混凝土強度、和易性有明顯影響，但水膠比仍是影響混凝土強度及和易性的主要因素。
關鍵詞：粗骨料；最大粒徑；正交設計；強度；和易性
中圖分類號： TU502 文獻標識碼：A
混凝土是當今世界上應用最廣泛的結構材料。隨著現(xiàn)代建筑技術的發(fā)展， 對混凝土性能的要求愈來愈高。目前已經(jīng)研制成功并投入使用的高流動性、高強度、高耐久性、高體積穩(wěn)定性的高性能混凝土，其強度已大于100MPa ， 耐久年限已由原來的40～50 年提高到100 年以上。雖然高性能混凝土還沒有得到普遍使用，但實際使用的混凝土強度卻在不斷提高，低水膠比的混凝土用于建筑工程中已很常見，隨著混凝土水膠比的降低，影響混凝土強度的因素也越來越復雜了。原本對普通混凝土影響不大的的一些因素例如粗骨料的粒徑、粒形等對低水膠比混凝土的影響卻較大。骨料在混凝土中約占70%～80% ， 是組成混凝土的骨架，粗骨料的強度、最大粒徑、顆粒形狀、級配、彈性模量等均會對混凝土的強度，堿集料反應，體積穩(wěn)定性以及耐久性等性能產(chǎn)生重要影響[ 1 ]。在普通混凝土中的粗骨料一般都具有足夠的強度，且骨料強度通常比水泥石和界面強度高，因此，對骨料沒有特別的要求。再者，骨料對普通混凝土的強度影響不明顯；但骨料的級配、最大粒徑對混凝土的工作性有較大影響。而低水膠比的混凝土，水泥石強度和界面強度都較高，受力時骨料受壓破壞的機率大大增加，因而集料的性質(zhì)對低水膠比的混凝土強度及和易性的影響是不可忽視的。本試驗利用邯鄲當?shù)氐幕炷猎牧?，研究四種粗骨料最大粒徑在不同水膠比，不同粉煤灰摻量和不同砂率下，對低水膠比混凝土強度及和易性的影響。
1 試驗原材料
1) 水泥： 選用太行山牌42.5R普通硅酸鹽水泥。主要性能見表1 。
2) 粗骨料：對于一般的碎石粗骨料，其強度并不是影響混凝土性能最重要的因素，碎石中雜質(zhì)含量，針片狀含量，顆粒級配等方面對其性能影響很重要，尤其是骨料級配。本試驗選用邯鄲本地市場供應的幾種粒徑的石子經(jīng)摻配后使用，以達到使其孔隙率盡可能小。本試驗需要5-10 mm 、5-16mm 、5-20mm 、5-25mm 四種級配的碎石，經(jīng)摻配后的石子級配基本符合要求。其物理力學性能見表2。
3) 細骨料：對于低水膠比的混凝土應選用細度模數(shù)較大的砂，但由于本地區(qū)只產(chǎn)細砂，為了就地取材，充分利用本地資源，所以本試驗采用當?shù)禺a(chǎn)的細砂，其物理力學性能見表3。
表1 水泥性能指標
|
抗折強度MPa |
抗壓強度MPa | |||||||
|
測試項目 |
細度% |
安定性 |
初 凝 |
終 凝 |
| |||
|
|
|
|
|
3 天強度28 天強度 |
3 天強度 28 天強度 | |||
|
測試結果 |
27. 6 |
合格 |
2h46min |
3h39min |
4. 95 |
28. 0 |
8. 52 |
54. 6 |
表2 粗骨料的各項指標
|
針片狀含量(%) 含泥量(%) 壓碎指標(%) 密度(g/cm3) 容重(kg/m3) |
|
4. 7 0. 6 0. 72 2. 71 1400 |
表3 細骨料的各項指標
|
含泥量 |
堆積密度 |
表觀密度 |
細度模數(shù) |
(篩孔尺寸) 累計篩余(%) | |||||
|
(%) |
(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 試驗方案及結果
(MPa)
|
試驗
號 |
A 石子粒徑 |
B 水膠比 |
C砂率 |
D粉煤灰摻量 |
E空列 |
坍落度 |
抗壓強度 | |
|
(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 強度的極差計算
|
7d 強度各因素的和與極差 |
56d 強度各因素的和與極差 |
| |||||||||
|
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) 高效減水劑：高效減水劑是低水膠比、塑性混凝土的必要組份，為確保其流動性，必須摻入高效減水劑。高效減水劑具有強烈的分散作用，能大幅度降低用水量，顯著改善混凝土工作性，提高混凝土強度。我們在試驗中選用邯鄲華冶建材廠生產(chǎn)的FDN高效減水劑。
5) 粉煤灰：粉煤灰的摻入可分散水泥顆粒，使水泥水化更充分，提高了水泥漿的密實度，降低混凝土的泌水，有利于混凝土中骨料-水泥界面強度的提高； 改善混凝土的耐久性。為了解邯鄲粉煤灰在混凝土中的作用，試驗中摻入了一定量邯鄲熱電廠的稍加磨細的原狀粉煤灰。其細度為(0.080mm方孔篩篩余)20%。
2 方案設計及試驗結果
本試驗利用正交設計的方法，在試驗方案設計中，主要研究粗骨料最大粒徑、水膠比、粉煤灰摻量、砂率對混凝土強度及和易性的影響。粗骨料最大粒徑為四個水平，其余的為兩個水平。試驗結果見表4。高效減水劑FDN的摻量是膠凝材料的1.5%。
3 試驗結果的的極差分析[ 2 ]
1) 抗壓強度的極差計算見表5 。
2) 抗壓強度的極差分析：
① 影響7d和56d強度的主次序均為B→D→A→C， 即水膠比是影響強度的主要因素； 砂率對混凝土強度的影響不大。粉煤灰摻量和粗骨料最大粒徑有一定的影響。綜合分析后最佳配比為A2B1C2D2。即水膠比為0.3 、粉煤灰摻量為15%、粗骨料最大粒徑為16mm、砂率為35%。
② 骨料最大粒徑的增大，混凝土的強度的變化在各齡期是不完全相同的： 各齡期的混凝土強度在最大粒徑為16mm 和20mm 時一般有強度的較高值。這說明了粗骨料最大粒徑對高性能混凝土具有最大粒徑效應，如圖(由于粉煤灰的摻量不同故對強度有一定的影響) 。因此骨料粒徑對混凝土強度的影響是不可忽視的。
③ 隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土強度普遍有所降低，見圖2 。
④ 對坍落度的影響： 粗骨料粒徑和砂率對混凝土和易性影響比較大。在水膠比為0.35 時，隨著粗骨料粒徑的增大，坍落度是增加的趨勢；當水膠比為0.30 時，坍落度的變化不大。如圖3。
4 結果分析
4. 1 骨料最大粒徑對強度的影響
骨料的最大粒徑對混凝土的強度有明顯的影響，尤其是對低水膠比的混凝土。具體的影響有： 1) 顆粒小的骨料存在缺陷的幾率小，相對比較致密，因為破碎時消除了控制強度的最大裂縫[3 ] 故強度比大顆粒的高；2) 小顆粒的骨料可降低骨料與水泥石界面的應力差；3) 水泥漿與單個石子界面的過渡層周長和厚度都小，難以形成較大的缺陷；4) 小顆粒的骨料增加了與水泥漿的粘結面積，使粘結強度提高；5) 在混凝土拌合物中，顆粒大的骨料下沉速度快，造成的混凝土內(nèi)部分布不均勻，影響混凝土的強度。但是粗骨料的顆粒也不能太小， 過小的顆粒會大幅度增加表面積和孔隙率； 加工時粘附在小顆粒上的粉塵比較多會影響界面的粘結強度；一些強度很小的小顆粒也不宜剔除。
4. 2 粉煤灰對混凝土強度的影響
利用邯鄲熱電廠的粉煤灰，采用等量取代法， 摻量是水泥用量的百分數(shù)?？紤]到所使用的粉煤灰是稍加粉磨的原狀灰，由于顆粒較粗會影響到混凝土的和易性并對其強度有一定影響，所以取代水泥量較低為15% 和20%。
從圖4(a) 水膠比相同時，早期強度差別較大， 56d 強度均比較接近； (b) 早期強度(7d) 中，粉煤灰摻量少的強度明顯高； (c) 水膠比相同時，基準混凝土(基準混凝土的水膠比為0.35) 的7d 強度最高， 但56d強度相差不大。
粉煤灰摻量大的混凝土強度低； 尤其是早期強度，56d 的強度相差不大；說明粉煤灰顆粒粗，仍具有一定活性。
5 結論
1) 粗骨料的最大粒徑對混凝土強度、和易性有明顯影響，最佳粒徑為16mm和20mm； 但水膠比仍是影響混凝土強度及和易性的主要因素。
2) 對于低水膠比的混凝土，在細砂的情況下， 其砂率也不宜小于30% ， 否則影響強度。
3) 稍加粉磨的粉煤灰也可用于低水膠比的混凝土中，7d 強度雖較低但56d 強度與基準混凝土相當，但摻量不宜過大，否則對早期強度及和易性影響較大。
參考文獻
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[2] 蔡正永，王足獻. 正交設計在混凝土中的應用[M] . 中國建筑工業(yè)出版社，2000.
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[4] 王繼宗，梁曉穎，梁賓橋.混凝土配合比設計方法的研究進展[J] . 河北建筑科技學院學報，2003，20(2)：30
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