孫南屏，祁玲

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州510090）

1 引言

《建筑用卵石、碎石》GB/T14685-2001規(guī)定的粗集料中針片狀顆粒含量如下：

表1 粗集料中針片狀顆粒含量

經(jīng)作者實(shí)測，粒徑在40㎜以下的普通機(jī)制碎石中針片狀顆粒含量大多在15 %～40%范圍，針片狀顆粒在粒徑小的集料中的含量相對高些，超出表1范圍的集料非常多。目前集料資源日益匱乏，充分認(rèn)識針片狀顆粒對集料和混凝土性能的影響，從而按材使用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

2 雙組分體系的理論堆砌問題

堆砌理論[1，2]是描述復(fù)合材料增強(qiáng)體或填料之間以何種方式堆砌以及堆砌緊密程度的理論。以有多少種粒徑的顆粒參加堆砌來分堆砌體系，可分為單組分體系（單一粒徑顆粒參加堆砌），雙組分體系（兩種粒徑顆粒參加堆砌），多組分體系（多于兩種粒徑顆粒參加堆砌）。用參加堆砌顆粒的形狀來描述，堆砌體系主要有雙球堆砌體系、纖維堆砌體系以及球-纖維堆砌體系等。

理論密堆砌度λ是描述堆砌體系狀態(tài)的主要參數(shù)，定義為堆砌體系中固體顆粒體積（真實(shí)體積）占體系總體積（表觀體積）的百分率。λ反映了顆粒堆砌的緊密程度。λ表達(dá)式為:

式中 vs—— 顆粒的真實(shí)體積；

vb—— 顆粒的表觀體積。

單一粒徑球體理論密堆砌度為62.5%[2]。

雙組分體系的堆砌狀況一般用如圖1、圖2所示的理論堆砌曲線描述。曲線的橫坐標(biāo)代表堆砌體系的顆粒組成，縱坐標(biāo)代表相對表觀密度，定義相對表觀體積為體系的表觀體積與真實(shí)體積的比值，也即λ的倒數(shù)。

2.1 雙球堆砌體系的理論堆砌曲線[2]

兩種粒徑球體的理論堆砌曲線見圖1。圖中參數(shù)及線段的含義：

R—— 大球直徑與小球直徑之比；

C—— 實(shí)驗(yàn)測定的大球理論密堆砌體積；M—— 實(shí)驗(yàn)測定的小球理論密堆砌體積；

X，Y—— 大球和小球的體積分?jǐn)?shù)，總體積為1。

橫坐標(biāo)（水平軸）代表體系中大、小球混合物的組成。

CA—— 小球加到大球中的濃縮曲線，曲線方程為V=Cx。

MB——大球加到小球中的濃縮曲線，曲線方程為V=x+My。

縱坐標(biāo)代表相對表觀體積（λ的倒數(shù)）。相對表觀體積理論值在1.0～1.6范圍，當(dāng)體系固體物料的理論密堆砌度為1時(shí)，體系堆砌最緊密，無空隙，相對表觀體積為1；當(dāng)體系固體物料達(dá)單一粒徑球體理論密堆砌度即62.5%，體系堆砌最松散，此時(shí)的相對表觀體積為1.6。相對表觀體積和理論密堆砌度互為倒數(shù)。相對表觀體積越接近1，顆粒堆砌的緊密程度越高。

圖1中的實(shí)線表示大小球粒徑比R為無窮大時(shí)的理論堆砌曲線。當(dāng)大、小球的直徑比為無窮大時(shí)，堆砌曲線為兩條直線。

圖1 雙球堆砌體系的理論堆砌曲線

從圖1看出：

1)不同粒徑的球體摻配可以提高體系的堆砌度，R越大，體系的堆砌度越大；

2)小球加到大球中將較快達(dá)到最大密堆砌狀態(tài)。

2.2 球-纖維體系的理論堆砌曲線[2]

球-纖維的理論堆砌曲線見圖2。

圖2中參數(shù)及線段的含義：

R—— 球直徑除以纖維的直徑。

S—— 表示50%實(shí)體+50%空隙時(shí)球的堆砌，相對整體體積等于2.0。

F—— 表示25%實(shí)體+75%空隙時(shí)纖維的堆砌，相對整體體積等于4.0。

x，y—— 球體和纖維的體積分?jǐn)?shù)，x+y=1。

SE—— 較小直徑的纖維加入到較大直徑的球中填充空隙時(shí)的濃縮曲線，直線方程為V=Sx。

FC—— 大直徑的球取代小直徑的纖維以及與之相關(guān)聯(lián)的空隙時(shí)的濃縮曲線，該直線方程為V=x+Fy。

A—— SE和FC的交點(diǎn)，R值無窮大時(shí)，纖維填充球間隙的最大理論密堆砌度。

FD—— 較小直徑的球填入到較大直徑的纖維之間空隙時(shí)的濃縮曲線，直線方程為V=Fy。

SH—— 用粗纖維取代小球及其相關(guān)聯(lián)的空隙時(shí)的濃縮曲線，直線方程為V=y+Sx。

B—— FD和SH的交點(diǎn)，為R=0時(shí)的最大理論堆砌密度。從圖2看出：

1) 球-纖維的混合可以提高體系的堆砌度。球-纖維堆砌體系中出現(xiàn)了點(diǎn)A、B兩個(gè)最大理論密堆砌度，兩者所對應(yīng)的球-纖維的組成比例不同，但相對表觀體積相同。

2) 纖維加到球中將較快達(dá)到最大密堆砌狀態(tài)。

3) 比較圖1、圖2，盡管雙組分體系的顆粒形狀不同，但理論堆砌規(guī)律相似。

圖2 球-纖維體系的理論堆砌曲線

3 針片狀顆粒對集料堆砌的影響

針片狀顆粒與非針片狀顆粒的組合實(shí)際上是一種雙組分體系的堆砌問題，應(yīng)該具有上述雙組分體系的堆砌規(guī)律。

3.1 材料準(zhǔn)備

將5～40㎜集料中針片狀顆粒手工撿出，然后按質(zhì)量百分比與非針片狀顆粒摻配成針片狀顆粒含量分別為0%、15%、30%、45%、60%、100%的混合粗集料備用。

3.2 針片狀顆粒含量與粗集料振實(shí)表觀密度的關(guān)系

針片集料含量與粗集料振實(shí)表觀密度的關(guān)系見圖3。圖3所示的堆砌規(guī)律與圖1、2相似。

圖3 針片集料含量（%）與粗集料振實(shí)表觀密度的關(guān)系

4 針片狀顆粒對混凝土性能的影響

4.1 針片狀顆粒對混凝土流動性的影響

采用單位質(zhì)量石子標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量（以下稱A）來研究，試驗(yàn)方法如下：

1）做水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量試驗(yàn)，得W/C。以此W/C拌制水泥漿，測其展開度值，得標(biāo)準(zhǔn)稠度水泥漿的展開度；

2）將水泥、砂以1∶2配比拌合，不斷調(diào)整水灰比，使砂漿的展開度與（1）中水泥漿的展開度相等，得此時(shí)的（W/C）s；

3）以（W/C）s拌和1∶2砂漿，測此砂漿的VB稠度值；

4） 將水泥、砂、石以1∶2∶3.5 [用料量2500∶5000∶8750（g）]配合比拌合，不斷調(diào)整水灰比，使其VB值與3）中砂漿的VB值相等，得此時(shí)的（W/C）h。

單位質(zhì)量石子標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量:

設(shè)B為粗集料中針片狀顆粒的含量，測定B分別為0%、15%、30%、45%、60%、100%時(shí)的A值，研究結(jié)果見圖4。

圖4 針片集料含量（B）與需水量（A）的關(guān)系

由圖4見，B在30%以內(nèi)，A小幅減少；B＞30%以后，A迅速增大。B為100%時(shí)的A約為B在30%以內(nèi)A值的兩倍。比較圖4和圖3，兩圖的變化規(guī)律相似。

4.2 針片狀集料含量對混凝土成型密實(shí)性和強(qiáng)度的影響

研究用32.5礦渣水泥(GB175—2007)，配合比為水泥∶砂∶石=1∶1.55∶3.01，W/C＝0.45，水泥用量為400kg/m3。B分別為0%、15%、30%、45%、60%、100%時(shí)混凝土的振實(shí)表觀密度和100mm×100mm×300mm試件28d抗壓強(qiáng)度見圖5、6。

5 分析與結(jié)論

5.1 分析

對比圖3與圖1、圖2，針片狀顆粒與非針片狀顆粒的組合符合雙組分體系的堆砌規(guī)律，與球-纖維體系的理論堆砌規(guī)律尤為接近。

與純纖維一樣，100%針片狀顆粒的堆砌度很低。適量針片狀顆粒加入非針片狀顆粒中有明顯的提高堆砌度的作用 （圖3）。

針片狀顆粒含量對堆砌度（圖3）、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量（圖4）和混凝土的振實(shí)表觀密度（圖5）的影響規(guī)律相似。堆砌度高時(shí)標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量小，混凝土的振實(shí)表觀密度也大。

針片狀顆粒含量超過30%以后混凝土混合料的流動性明顯變差（圖4），混凝土成型時(shí)的密實(shí)性即振實(shí)表觀密度大大下降（圖5）。針片狀顆粒含量為100%時(shí)混凝土與針片狀顆粒含量為30%時(shí)混凝土的表觀密度比為 94.15%，5.85%的變化應(yīng)主要是孔隙率增大。密實(shí)度下降、孔隙率增大也使混凝土強(qiáng)度下降（圖6）。可以推論，混凝土的耐久性也隨之下降。

圖5 針片集料含量與混凝土振實(shí)表觀密度的關(guān)系

圖6 針片集料含量與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

實(shí)測10～15㎜粒徑針片狀顆粒760粒/kg，非針片狀顆粒590粒/kg；15～20㎜粒徑針片狀顆粒372粒/kg，非針片狀顆粒270粒/kg。加入針片狀顆粒會使集料間接觸點(diǎn)增多，體系穩(wěn)定性提高。圖4現(xiàn)象說明，針片狀顆粒堆砌時(shí)有很大的機(jī)械咬合力，針片狀顆粒超過30%以后集料堆砌結(jié)構(gòu)迅速增強(qiáng)，混凝土的振動液化效果迅速變差。

5.2 結(jié)論

1）針片狀顆粒與非針片狀顆粒的組合符合雙組分體系,尤其是球-纖維體系的堆砌規(guī)律。適量摻入針片狀顆粒，可增大體系的堆砌度。

2）針片狀顆粒堆砌時(shí)有很大的機(jī)械咬合力。機(jī)械咬合力會影響混凝土的密實(shí)成型，進(jìn)而影響混凝土的其他性能。

3）從研究結(jié)果看，普通混凝土中，增加集料中針片狀顆粒的含量至30%不會對混凝土性能有不良影響；在克服成型密實(shí)時(shí)增大的機(jī)械咬合力的前提下，使用針片狀顆粒含量30%～40%的粗集料也不會對混凝土性能有明顯的影響。

由于集料粒形極其不規(guī)則，即使依照標(biāo)準(zhǔn)從集料中逐粒挑選針片狀顆粒，結(jié)果仍會因人而異。因此，有關(guān)針片集料含量的精確數(shù)據(jù)規(guī)定實(shí)際操作起來會有偏差。

[1]曾凡，胡永平.礦物加工顆粒學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[2]孫可偉，李如燕.廢棄物復(fù)合成材技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3]JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]GB/T14685—2001建筑用卵石、碎石[S].

[5]孫南平，祁玲. 針片狀集料對水泥混凝土若干性能的影響[J]. 廣西工學(xué)院學(xué)報(bào),1994(1):16-21.

[6]布然諾夫 (蘇).混凝土工藝學(xué) [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1985.