■吳曉龍

（寧德市公路局,寧德352000）

粗骨料對(duì)水泥混凝土路面抗彎拉強(qiáng)度的影響

■吳曉龍

（寧德市公路局,寧德352000）

彎拉強(qiáng)度是水泥混凝土路面施工質(zhì)量控制的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而作為占混凝土體積約二分之一以上的粗骨料對(duì)其強(qiáng)度有著顯著的影響，本文通過正交試驗(yàn)法分析研究粗集料的壓碎值指標(biāo)、針片狀含量、最大公稱粒徑等特性對(duì)水泥混凝土路面抗彎拉強(qiáng)度的影響，提出水泥混凝土路面粗骨料三大指標(biāo)的適宜范圍，以期為水泥混凝土設(shè)計(jì)和施工中粗骨料的合理使用及質(zhì)量控制提供參考。

粗骨料水泥混凝土路面抗彎拉強(qiáng)度影響

0 引言

粗骨料作為水泥混凝土中含量最多的組成材料，長(zhǎng)期以來的傳統(tǒng)理念將粗骨料視為混凝土結(jié)構(gòu)中的一種惰性材料，認(rèn)為其作用只是通過黏結(jié)和嵌擠作用與水泥漿、細(xì)集料等組成一個(gè)整體，然而近些年來國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，粗集料并非完全是惰性材料，其物理和化學(xué)性質(zhì)都會(huì)對(duì)混凝土的性能產(chǎn)生影響。

本文通過研究粗骨料的壓碎值指標(biāo)、針片狀含量、最大公稱粒徑等特性對(duì)水泥混凝土各方面性能的影響，提出水泥混凝土路面粗骨料三大指標(biāo)的適宜范圍，以期為水泥混凝土設(shè)計(jì)和施工中粗骨料的合理使用及質(zhì)量控制提供參考。

1 原材料的選取

1.1 不同壓碎值粗骨料的準(zhǔn)備

選取5個(gè)不同的碎石加工廠作為試驗(yàn)料源，測(cè)試骨料巖石抗壓強(qiáng)度和壓碎指標(biāo)值。測(cè)試壓碎指標(biāo)前，先去除骨料中的針片狀顆粒，消除針片狀顆粒對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。不同壓碎值粗骨料的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 粗骨料主要技術(shù)指標(biāo)

注：A為安溪碎石、B為中輕碎石、C為三盛碎石、D為東石碎石、E為水頭林連勝碎石。

圖1 粗骨料巖石抗壓強(qiáng)度與壓碎指標(biāo)值關(guān)系圖

由圖1可以看出，隨著巖石抗壓強(qiáng)度的增大，粗骨料的壓碎指標(biāo)逐漸減小，兩者存在一定的負(fù)線性關(guān)系。

1.2 不同最大粒徑粗骨料的準(zhǔn)備

根據(jù)《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG F30-2014)有關(guān)要求，用于水泥混凝土路面的碎石最大公稱粒徑不應(yīng)大于31.5mm，本試驗(yàn)分別選取最大公稱粒徑為19.0mm、26.5mm、31.5mm和37.5mm。

不同最大公稱粒徑材料的制備方法：將碎石材料分級(jí)過篩，根據(jù)規(guī)范要求的級(jí)配范圍進(jìn)行配制，取規(guī)范要求的級(jí)配范圍中值，根據(jù)表2級(jí)配進(jìn)行碎石配制。

1.3 不同針片狀顆粒含量骨料的準(zhǔn)備

采用人工方法挑出碎石中全部的針片狀顆粒，經(jīng)過篩，按所需針片狀顆粒含量要求配制不同針片狀顆粒含量的粗骨料。針片狀顆粒按級(jí)配比例摻入。

1.4 其它原材料的準(zhǔn)備

（1）水泥：選取泰州楊灣海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積356m2/kg，密度為3.1g/cm3。

表2 粗集料級(jí)配范圍

（2）細(xì)集料：選取官田中砂，其細(xì)度模數(shù)為2.76。

（3）抗折劑：選取廈門市創(chuàng)慧工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的XH-Ⅱ普通型混凝土抗折劑，其氯離子含量為0.06%，含水率為4.25%。

（4）礦渣粉：選取三鋼集團(tuán)（龍海）礦微粉有限公司生產(chǎn)的S95礦渣粉，其比表面積為424m2/kg，密度為2.92g/cm3。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于單因素或兩因素試驗(yàn)，因其因素少，試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、實(shí)施與分析都比較簡(jiǎn)單。但在實(shí)際工作中，常常需要同時(shí)考察3個(gè)或3個(gè)以上的試驗(yàn)因素，若進(jìn)行全面試驗(yàn)，則試驗(yàn)的規(guī)模將很大，往往因試驗(yàn)條件的限制而難于實(shí)施。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)就是安排多因素試驗(yàn)、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

2.1 正交試驗(yàn)的基本概念

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用正交表來安排與分析多因素試驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法。它是由試驗(yàn)因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)的，通過對(duì)這部分試驗(yàn)結(jié)果的分析了解全面試驗(yàn)的情況，找出最優(yōu)的水平組合。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)主要檢測(cè)粗骨料的指標(biāo)：針片狀含量、壓碎值指標(biāo)、最大公稱粒徑對(duì)路面混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響，級(jí)配均采用規(guī)范要求的級(jí)配范圍的中值，采用3水平3因素9處理的正交試驗(yàn)表格（見表3）。

表3 正交試驗(yàn)表

根據(jù)《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F30-2003)對(duì)粗骨料的技術(shù)要求，結(jié)合原材料情況及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定各因素水平。本次試驗(yàn)暫定各因素水平見表4。

表4 因素水平表

將因素水平表放入正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表中，得出各試驗(yàn)中粗骨料的性能指標(biāo)如表5。

表5 粗骨料性能指標(biāo)表

2.3 基準(zhǔn)配合比

基準(zhǔn)配合比采用表6的配合比，試驗(yàn)中只改變粗骨料（碎石），其他原材料保持不變。

表6 試驗(yàn)基準(zhǔn)配合比

2.4 測(cè)試指標(biāo)

混凝土坍落度、觀察各盤混凝土和易性，測(cè)試7d、28d抗彎拉強(qiáng)度、7d、28d抗壓強(qiáng)度。

2.5 正交試驗(yàn)結(jié)果

各正交試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 試驗(yàn)結(jié)果表

2.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)的極差分析見表8。由表8可以看出，粗骨料三大指標(biāo)對(duì)水泥混凝土路面28d抗彎拉強(qiáng)度的影響程度為：針片狀含量指標(biāo)的影響最大，其次為最大公稱粒徑指標(biāo)，影響最小的為壓碎值指標(biāo)。當(dāng)粗骨料針片狀含量為15%，壓碎值為15.7%，公稱最大粒徑為26.5mm時(shí)，混凝土28d抗彎拉強(qiáng)度處于最優(yōu)水平，即混凝土28d抗彎拉強(qiáng)度值最高。

表8 極差分析

3 單一因素對(duì)水泥混凝土路面彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究

3.1 粗骨料針片狀含量對(duì)水泥混凝土路面彎拉強(qiáng)度的影響

粗骨料的表面特征及幾何形狀對(duì)路面用水泥混凝土的力學(xué)性能有較大的影響，理想的路面用水泥混凝土粗骨料形狀應(yīng)該是接近正多面體或球體的。骨料中針片狀粒料含量越多，骨料整體的孔隙率及比表面積就越大，骨料表面的吸水率增加，相應(yīng)的摩阻力加大，混凝土的和易性降低。且在混凝土成型受力時(shí)針狀及片狀顆粒很容易斷裂，造成混凝土強(qiáng)度的降低。

試驗(yàn)過程保持配合比中其它材料用量不變，選擇A號(hào)料（安溪碎石）作為試驗(yàn)粗骨料，人工改變粗骨粒的針片狀顆粒含量，針片狀顆粒含量從0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%連續(xù)變化，測(cè)試混凝土坍落度、觀察各盤混凝土的和易性，測(cè)試7d、28d抗彎拉強(qiáng)度，7d、28d抗壓強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果如表9。

表9 不同針片狀含量的混凝土工作性能及強(qiáng)度結(jié)果表

分析上表的試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）新拌路面用水泥混凝土的坍落度隨著針片狀顆粒含量的增加而減小，當(dāng)針片狀含量超過15%時(shí)，混凝土開始出現(xiàn)分層、離析等現(xiàn)象。

（2）新拌路面用水泥混凝土的初始坍落度隨著針片狀顆粒含量的增加有所下降，當(dāng)含量超過15%時(shí)，降幅比較明顯，降幅度達(dá)到13%，同時(shí)混凝土0.5h后坍落度損失也明顯增大。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著針片狀含量的增加，混凝土離析現(xiàn)象較嚴(yán)重，這是因?yàn)槠瑺铑w粒易在漿體流動(dòng)時(shí)造成互相之間的機(jī)械嚙合，使得骨料互相之間的阻礙翻轉(zhuǎn)作用增大；同時(shí)由于片狀骨料的比表面積較大，需要更多的水泥漿包裹，直接造成坍落度損失較大。

（3）粗骨料針片狀顆粒含量對(duì)路面用水泥混凝土抗壓強(qiáng)度影響較大，當(dāng)其含量超過20%時(shí)，路面用水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土（針片狀含量為0）降低13%左右。

（4）粗骨料針片狀顆粒含量對(duì)路面用水泥混凝土抗彎拉強(qiáng)度影響較明顯，隨著針片狀顆粒含量的增加，抗彎拉強(qiáng)度逐漸減小。

①當(dāng)針片狀含量在5%～10%時(shí)，對(duì)道路混凝土抗彎拉強(qiáng)度影響不大，與基準(zhǔn)混凝土（針片狀含量為0）相比較，兩者彎拉強(qiáng)度值相差不超過2%；

②當(dāng)針片狀含量大于15%以后，抗彎拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土（針片狀含量為0）降低幅度超過8%；

③當(dāng)針片狀含量由25%增加30%時(shí)，混凝土28d的抗彎拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土(（針片狀含量為0）減小19%～25%左右，降幅度之大造成路面用水泥混凝土抗彎拉強(qiáng)度難于滿足技術(shù)要求。

綜上所述，對(duì)于本項(xiàng)目路面用水泥混凝土而言，粗骨料的針片狀顆粒含量不宜超過15%。

3.2 粗骨料壓碎值對(duì)水泥混凝土路面彎拉強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)過程保持配合比中其它材料用量不變，選擇A、B、C、D、E號(hào)料作為試驗(yàn)粗骨料，使其壓碎值大致在10%、15%、20%、25%、30%之間連續(xù)變化，測(cè)試抗彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果如表10。

表10 不同壓碎值指標(biāo)的混凝土工作性能及強(qiáng)度結(jié)果表

圖2 粗集料壓碎值與抗彎拉強(qiáng)度線性關(guān)系圖

圖3 粗集料壓碎值與抗壓強(qiáng)度線性關(guān)系圖

圖4 粗集料壓碎值與壓折比關(guān)系圖

分析上表的試驗(yàn)結(jié)果可得出以下結(jié)論：

(1）對(duì)于路面用水泥混凝土，粗骨料的壓碎值指標(biāo)增大，抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度都會(huì)降低。

(2）混凝土的壓折比隨著粗骨料的壓碎值指標(biāo)增大而逐漸增大，當(dāng)壓碎指標(biāo)大于15%時(shí)，混凝土的壓折比逐漸減小，說明當(dāng)壓碎指標(biāo)大于15%時(shí)，骨料的壓碎值指標(biāo)對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響程度大于壓碎值指標(biāo)對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度影響程度。

綜上所述：針對(duì)不同等級(jí)道路，粗骨料的壓碎值指標(biāo)應(yīng)控制在適宜的范圍內(nèi)。粗骨料的壓碎值與抗彎拉強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表11所示。

表11 壓碎值與普通道路混凝土抗彎拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.3 粗骨料公稱最大粒徑對(duì)水泥混凝土路面彎拉強(qiáng)度的影響

粗骨料公稱最大粒徑控制是配制路面用水泥混凝土?xí)r考慮的一個(gè)重要因素。在非均質(zhì)的混凝土中混合物的相互作用除了各種材料間的粘結(jié)作用外，粗骨料間的機(jī)械咬合作用也是其強(qiáng)度形成的一個(gè)重要因素。

試驗(yàn)過程保持配合比中其它材料用量不變，選擇D號(hào)料作為試驗(yàn)粗骨料，粗骨料其它指標(biāo)保持不變，改變粗骨料的公稱最大粒徑，公稱最大粒徑分別為19mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm，測(cè)試抗彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表12。

表12 不同粒徑的混凝土工作性能及強(qiáng)度結(jié)果表

分析上表的試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）隨著粗骨料公稱最大粒徑的增大，路面用水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度呈增大的趨勢(shì)，最大增幅度為9%。

（2）隨著粗骨料公稱最大粒徑的增大，路面用混凝土的抗彎拉強(qiáng)度呈降低的趨勢(shì)，降低幅度為9%～13%。減小粗骨料的公稱最大粒徑有利于提高路面用水泥混凝土的抗彎拉強(qiáng)度。

（3）隨著粗骨料公稱最大粒徑的增大，混凝土的坍落度呈增大的趨勢(shì)，有利于小型機(jī)具的施工,但同時(shí)伴隨著混凝土分層、離析和泌水現(xiàn)象的加劇，因而不利于道路混凝土的其它性能。

（4）根據(jù)不同公稱最大粒徑的路面用水泥混凝土路用性能和施工性能的相關(guān)試驗(yàn)，提出滿足不同等級(jí)的路面用水泥混凝土粗骨料的公稱最大粒徑范圍，見表13。

表13 不同等級(jí)的路面用水泥混凝土粗骨料的公稱最大粒徑范圍

4 結(jié)語

（1）通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究粗骨料三大指標(biāo)對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響，找出了粗骨料技術(shù)指標(biāo)對(duì)混凝土彎拉強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋横樒瑺詈浚咀畲蠊Q粒徑＞壓碎值。

（2）粗骨料的針片狀含量對(duì)路面用水泥混凝土的強(qiáng)度有很重要的影響，針片狀含量增加時(shí)混凝土的強(qiáng)度會(huì)降低，且幅度較大，對(duì)于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為5.0MPa的路面用水泥混凝土而言，粗骨料的針片狀顆粒含量不宜超過15%。

（3）研究分析隨著路面用水泥混凝土粗骨料壓碎值指標(biāo)的增大；抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度都會(huì)降低，且當(dāng)壓碎指標(biāo)大于15%時(shí)，粗骨料的壓碎值指標(biāo)對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響程度大于壓碎值指標(biāo)對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度影響程度，針對(duì)不同設(shè)計(jì)等級(jí)路面混凝土，粗骨料的壓碎值指標(biāo)可參照表11取值。

（4）綜合分析最大公稱粒徑對(duì)路面用水泥混凝土各方面性能的影響，并考慮抗彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，建議彎拉強(qiáng)度值大于或等于5.0MPa時(shí)，粗集料最大公稱粒徑不宜大于26.5mm；彎拉強(qiáng)度值小于5.0MPa時(shí)，粗集料最大公稱粒徑應(yīng)不大于31.5 mm。

[1]JTG F30-2003,公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社.

[2]JTG E42-2005,公路工程骨料試驗(yàn)規(guī)程[S].中華人民共和國(guó)交通部.

[3]王立久,劉莎,董晶亮.粗集料對(duì)混凝土性能的影響[J].建材技術(shù)與應(yīng)用.

[4]劉國(guó)華,陳斌,曹學(xué)有.粗骨料對(duì)混凝土性能的影響與定量評(píng)價(jià)[J].浙江水利科技.

[5]張樹祿.粗骨料對(duì)混凝土性能影響的概述[J].山西建筑.