巫向暉，甘 偉

（1、廣州立墻墻體材料有限公司 廣州510800；2、廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州510006）

0 引言

骨料作為混凝土的重要組成部分，約占混凝土總體積的60%～75%［1］。除骨料類型與強(qiáng)度、骨料粒徑與粒形外，混凝土中骨料含量對(duì)新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的密實(shí)度、力學(xué)性能［2，3］以及耐久性等影響顯著［4］。骨料體積率越大，漿體相對(duì)減少，骨料搭接導(dǎo)致流變阻力增大，混凝土拌和物坍落度降低［5］。骨料與漿體的比值越大，界面過(guò)渡區(qū)厚度越小，起始微裂縫長(zhǎng)度降低［6］，抗氯離子滲透能力越強(qiáng)［7］。水膠比為0.3 時(shí)，當(dāng)骨料體積率從0%提高到40%時(shí)，砂漿彈性模量不斷增加［8］，而低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中骨料體積率從40%提高到75%，彈性模量、特征長(zhǎng)度lch、斷裂能GF、斷裂韌度KIC均有所增加［9-12］。Tasdemir 等人［10］研究指出，當(dāng)骨料體積小于50%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨體積含量增加而增大，之后基本保持穩(wěn)定，而Stock［13］對(duì)直徑為100 mm、高為200 mm 的圓柱體試件的試驗(yàn)結(jié)果表明，抗壓及劈裂強(qiáng)度最小值出現(xiàn)在骨料體積率為40%左右時(shí)，但超過(guò)該值后，強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速（見(jiàn)圖1）。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高時(shí)，其變化規(guī)律的一致性有待進(jìn)一步研究，且礦物摻合料如粉煤灰、硅灰等的摻入也使得傳統(tǒng)混凝土在微觀層次上得到改善［14-16］，并可通過(guò)宏觀力學(xué)性能有所體現(xiàn)。

圖1 骨料體積含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of Aggregate Content on Compressive and Splitting Tensile Strength of Concrete

1 原材料

試驗(yàn)采用P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.8，屬Ⅱ區(qū)中砂，篩分曲線如圖2 所示，表觀密度2 620 kg/m3，堆積密度1 442 kg/m3，空隙率為45%。粗骨料為石灰?guī)r碎石，最大粒徑為20 mm，表觀密度2 720 kg/m3，堆積密度1 573 kg/m3，空隙率為42%。試驗(yàn)用減水劑為聚羧酸系高效減水劑，密度為1.06 g/cm3，減水率31%。

表1 試驗(yàn)用水泥技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Properties of Cement Used

圖2 細(xì)骨料篩分曲線Fig.2 Size Distribution of Fine Aggregates

通過(guò)改變混凝土中骨料含量，對(duì)其相應(yīng)力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，總骨料體積率（Va）分別為0%、20%、40%、60%、65%、70%及75%。試驗(yàn)用水膠比為0.30，成型試件均為100 mm3塊。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 表觀密度

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后將試件取出，測(cè)試不同骨料體積率下混凝土的表觀密度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 骨料體積率對(duì)水泥基材料表觀密度的影響Fig.3 Apparent Density of Cementitious Materials as a Function of Aggregate Volume

隨著骨料體積率的增大，單位水泥基材料的質(zhì)量逐漸增大，且基本成線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。根據(jù)擬合結(jié)果可知，水泥基材料表觀密度與骨料體積率的關(guān)系如下：

2.2 抗壓強(qiáng)度

在進(jìn)行完表觀密度試驗(yàn)之后，測(cè)定各組水泥基材料的抗壓強(qiáng)度，骨料體積率的影響規(guī)律如圖4 所示。從圖4 中可以明顯看出，在骨料體積率由0%增大到80%的過(guò)程中，水泥基材料的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且在50%骨料體積率左右時(shí)最低。

通過(guò)對(duì)所有抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到水泥基材料抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu與骨料體積率Va的關(guān)系如下：

2.3 劈裂強(qiáng)度

圖4 骨料體積率對(duì)水泥基材料抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Compressive Strength of Cementitious Materials as a Function of Aggregate Volume

按照同樣方法，對(duì)不同骨料體積率水泥基材料的劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行整理和分析，如圖5 所示。與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律不同，當(dāng)骨料體積率超過(guò)60%時(shí)，水泥基材料的劈裂強(qiáng)度開(kāi)始下降，可能原因?yàn)楣橇象w積率的增加使得骨料與水泥漿之間的界面增大，而在強(qiáng)度較低的水泥基材料中，界面過(guò)渡區(qū)是材料的薄弱環(huán)節(jié)，受拉應(yīng)力作用時(shí)最先發(fā)生開(kāi)裂導(dǎo)致破壞。根據(jù)0%～80%骨料體積率下水泥基材料的劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果，擬合出如下關(guān)系，供不同骨料體積率下的受拉能力作為參考。

圖5 骨料體積率對(duì)水泥基材料劈裂強(qiáng)度的影響Fig.5 Splitting Tensile Strength of Cementitious Materials as a Function of Aggregate Volume

2.4 脆性

通?？蓪⑼徊牧系目估瓘?qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值作為衡量該材料脆性的簡(jiǎn)單指標(biāo)，將不同骨料體積率水泥基材料的拉/壓強(qiáng)度比（fts/fcu）計(jì)算并匯總，如圖6 所示。結(jié)合水泥基材料的特性可知，當(dāng)骨料含量由0%增大到80%時(shí)，水泥基材料的脆性呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這對(duì)于工程中骨料含量的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。也就是說(shuō)，當(dāng)骨料含量過(guò)大時(shí)，材料的脆性特征更為明顯，結(jié)構(gòu)在受荷作用時(shí)更容易出現(xiàn)極劇破壞的現(xiàn)象，值得引起足夠的重視。

3 結(jié)論

圖6 骨料體積率對(duì)水泥基材料拉/壓強(qiáng)度比的影響Fig.6 Splitting Tensile/Compressive Strength of Cementitious Materials with Different Aggregate Volume

本文采用試驗(yàn)方法研究了不同骨料體積率對(duì)水泥基材料表觀密度、抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度以及脆性的影響規(guī)律，主要得出以下結(jié)論：

⑴水泥基材料的表觀密度隨骨料含量的增大呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

⑵在骨料體積率由0%增大到80%的過(guò)程中，水泥基材料的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且在50%骨料體積率左右時(shí)最低。

⑶當(dāng)骨料體積率超過(guò)60%時(shí)，水泥基材料的劈裂強(qiáng)度開(kāi)始下降，骨料與漿體之間的界面起決定性作用。

⑷當(dāng)骨料含量由0%增大到80%時(shí)，水泥基材料的脆性呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。