天然骨料对混凝土力学及变形性能的影响.pdf
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1、2 0 1 3 年 第 1 1期 (总 第 2 8 9 期 ) Nu mb e r I 1 j n 2 0l 3( To t a l No 2 8 9) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EAR CH 天然骨料对混凝土力学及变形性能的影响 沈化荣 1 ,2 。高培伟 。何卫中 ( 1 淮阴 I 学院 i : 小 I 程系,江苏 淮安 2 2 3 0 0 1 ;2 南京航空航天大学 土木_ I 程系,汀苏 南京 2 1 0 0 1 6 ) 摘要 : 主要讨论天然骨料的级配、 最大粒径 、 表面几何彤状和表面状态以及骨料品种对混凝土力学性能的影响
2、, 如抗压强度 、 弹性模量和断裂韧性等的影响, 也包含天然骨料里杂质对混凝土性能的不 良影响。 同时也简要概述_灭然骨料对混凝土变彤性能, 如 f : 燥收缩 、 温度膨胀系数等的影响 关键词 : 天然骨料 ;级配;抗 强度;杂质;十燥收缩 中图分类号 : T U 5 2 8 0 1 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 1 - 0 0 1 4 0 4 E ff e c t s o f n a t u r a l a g g r e g a t e s o n me c h a n i c a l a n d de f o r ma t i
3、 o n p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e SHEN Hu a r o n g , GAOPe i we i , HE We i z ho n g ( 1 De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g, Hu a i y i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g yHu a i a n 2 2 3 0 0 1 , C h i n a ; 2 D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i
4、 n g , N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s , N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 , C h i n a ) Abs t r ac t : Th i s s t u d y ma i n l y di s c u s s e d t h e i nfl ue n c e o f t he i n flu e n c e o f t h e gr a d i n g o f na t u r a l a g g r e g a t
5、 e s , t h e ma x i mu m d i me n s i o n, t h e s h a p e a n d s u r f a c e t e x t u r e o f n a t u r a l a ggre g a t e s , n a t u r a l a g g r e g a t e t y p e s o n me c h a n i c a l pe r f o r ma n c e s o f c o n c r e t e, s uc h a s t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h, t h e e
6、 l a s t i c mo d u l u s , t h e fra c tur e t o ug h n e s s a n d S O o n, i n c l u d i n g t h e l i ke l y e f f e c t s o f i mpu r i t i e s a s s o c i a t e d wi t h n a t u r a l a g gr e g a t e s I t a l s o br i e fly d e pi c t e d t h e i nflu e nc e o f n a t u r a l a g g r e g a t
7、 e s o n d e f or ma t i o n p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e, s u c h a s t h e d r yi n g s hr i n k a g e o f c o nc r e t e, t h e t h e rm a l c o e ffi c i e n t o f e x p a n s i o n o f c o n c r e t e a nd S O o n Ke y w or ds : n a t u r a l a g g r e g a t e s ; gra d i n g; c o mp
8、 r e s s i v e s t r e n g t h; i mp u r i t i e s ; d r yi n g s h r i nk a g e ( ) 引言 公元 5 6 0 0 年前, 人类就认识到使用混凝土修筑河 的堤 岸 , 已发现最古老的混凝土是由破碎岩石 、 砂和石灰 组成 。 许多年以来 , 交通运输限制 J , 骨料的选择 , 在许多情 况 下只能就近取材 , 从罗马时代起就 已经认识到混凝 土内 同骨料性能的差异l l1 。 骨料是混凝 土的重要组成部分 , 粗 、 细骨料的体积约 占混 凝土总体积的 7 0 8 0 。 骨料按 采集场所与加 1 方 式的不同
9、分 为天然骨料和人1 骨料。 天然骨料是从天然河 流 中或山上或海 中采集 的砂 、 砾石 , 经过适 当的筛洗加 而外形呈圆形 , 表 面光滑 、 质地坚硬 , 是 比较理想的混凝土 原材料。 天然 骨料种类繁多 , 成分复杂 , 级配通常不理想 , 有时还含有一些针片状和软弱颗粒。 在一些采石场 , 凶沉积 年代久远 , 表 面风化 , 通常含有或黏附一些 稳定 的化学 物质 和有害成分, 对混凝土性能将产生不 良影响。 本研究主要分析和讨论天然骨料对混凝土力学性能的 影响, 如抗压强度 、 弹性模量和断裂韧性等的影响 , 也包 含 天然骨料里杂质对混凝士 l生 能的不 良影响, 也包括天
10、然骨料 对混凝土变形性能 , 如十燥收缩 、 温度膨胀系数等的影响。 1 天然骨料对混凝土强度及主要力学性能的 影 响 天然骨料对混凝 土强度 及其 力学性能的J k 个主 曼影 响L大 J 素 , 目前还难以做 【 I 定 量的分析, 这主要是 m J : : 难 以进行定量的测定水泥石与骨料之 日 】 的黏结强度 ; 缺乏 能够用统计方法来表征骨料的儿何特征 、 颗粒 度 、 粒径 分布等参数 的物理量 ; 混凝土强度具有敏感性 , 内部 只 要有局部破 坏 , 便 可导致整个结构解体 , 而并非是混凝上 内部结构全部产生破坏才发生断裂。 从细观层次来 考察混 凝土的断裂过程 , 混凝土内
11、部裂缝扩展属 于随机现象 , 试 验研究 已定性或半定量地提 r天然骨料对混凝土性能 主要影响因素 。 1 1 天然骨料级 配的影响 图 1 表 明和易性一致 的情况下粗骨料级配 的变化埘 抗压强度 的影响。 级配的变化对硬化混凝土性能影响较小 所有 的混凝土坍落度为 5 0 m l T l 。 值得注意的是 B S 8 8 2 混凝 土天然骨料 的英国标准规范对通过 1 0 m m筛的 2 0 5 m m 的骨料 比例 限制是 3 0 6 0 。 在这个范 围内曲线实 际 上 是一条水平线。 图 2 反映和易性一致的情况下 , 砂级配的变 收稿 日期 :2 0 1 3 ) 5 2 8 基金项
12、目:“ 8 6 3 ” 高新技术( 2 0 0 9 A A 0 3 Z 5 0 8 ) ; 家 门然科学基金( 6 0 6 7 2 1 6 6 ) l 4 通 过 1 0mm筛 的2 0 - 5mm的 骨 料 白分 比 , 图 1 粗集料级配对抗压强度的影响 化对混凝 土强度 的影响。 砂级配的变化对混凝土强度影响 相当小。 值得注意的是曲线的峰值即 B s对通过 6 0 0 m 试验 筛砂 的 比例的总的限制 , 在 中点处或多或少会减小 。 级配对新拌混凝土的影响较大 。 和易性 , 黏聚力 , 强度都会 受 到级配影 响。 限制级配通常是为了保持与使用材料 的一 致性 、 通 过0 6m
13、m筛 的 白分 比 图 2砂级 配对 抗压 强度 的影 响 当骨料表 面积最小时 , 骨料级配的理论 目 标 是提供骨 料 占据的最大相对体积。 这是 因为混凝土混合料里没有被 骨料 占据 的空间肯定被水泥净浆填充满 , 而且因为混合料 里所有密 实体 的表面肯定潮湿。 较好的骨料级配应当是 : 空 隙率小 , 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 _3 _ 。 在实际 中, 许 多要求在某些方面会发生冲突 , 因此需要协调 。 现代配合比设计方法意味着可以使用级配 范 围相当广泛 的骨料。 但是材料仍然需要保持
14、统一性和一 致性 。 1 2 天然骨料 最大粒径的影响 陈兵等 研究 了不同骨料尺寸对混凝土抗压强度和断 裂参数的影响。 试验结果表 明随着骨料尺寸增大其抗压强 度断裂能和断裂韧性都随着增大 ; 对于给定条件下混凝土 材料 , 弹性模量和抗弯强度随着骨料尺寸增大而增大 。 骨料 的粒径越大 , 其 比表面积越小 , 因此所需的水泥浆量减少 , 在 和易性和水泥用量一定的条件下 , 减少用水量可以提高 混凝 土强度 , 从这个意义上说 , 骨料 的粒径应尽量选用 大 一 些 的_5 _ 。 然而 , 并不是粒径越大越好 , 一是较大尺寸 的骨 料在装运和放置时存在一些困难 , 尤其是针对钢筋混凝
15、土 ; 二 是骨料尺寸大不仅不能通过密集钢筋 , 而且会超过钢筋 保 护层厚度 ; i是颗粒 内部存在缺 陷 , 随粒径增大存在 的 几率也增大 ; 四是骨料粒径越 大 , 界面黏结强度越低 , 混凝 土工作性 能变差旧 。 大颗粒 的另一个 问题是 当表 面区域减 小时需要的湿度较小 , 也会给净浆和集料的黏结提供较小的 区域。 这减小了黏聚力。 也会产生较大的黏结应力 , 导致混凝 士性能便差。 碎石中大的颗粒不仅有缺陷, 而且通常 比同种 材料较小颗粒差。 冲击矿层里有稀少的大尺寸颗粒。 总体来 说 , 大尺寸骨料对 劣质配合比有利( 如有可能至 1 5 0 mm) 。 在普通混凝 土中
16、, 碎石的最大粒径是根据构件 的截面尺寸 和钢筋间距来确定 , 粒径 的大小对强度影响不大 。 最有利的 最大尺寸通常在 2 0 、 4 0 1 T II F I 之间。 对于强度高 的混凝土来 说 , 可能是 凶为黏结力改善 的原凶, 1 0 mm的骨料最好 。 1 3 天然骨料的几何形状和表面状态的影响 天然骨料的几何形状和表面状态对新拌混凝土和硬化 后的混凝土 的力学性能都有很大关系 。 骨料颗粒的几何形 状会影响对水 的需求和和易性 , 流动性 , 可修整性和强度 。 同样形状的颗粒 比较好。 针片状颗粒对混凝土不利。 针片状 颗粒不仅影响混凝土的和易性 、 水泥用量和强度 , 同样会
17、影 响其耐久性 , 往往会恶化混凝土的性能 , 造成骨料的空隙率 增大 , 混凝 土单位用水量增加 , 强度下降。 吴历斌嘲 研究了骨 料的粒彤和针片状含量对混凝土1 一 作性能和力学性能的影 响 , 认 为混凝 土 中最佳针 片状 含量 , 在 这个值附近 , 混凝 土强度最 高 , 超过或低 于该 值 , 混凝 土强度将降低 , 针对 试 验数据提 出最佳针 片状 含量为 1 2 。 国外一些学 者也 作 了研究 , 认 为针 片状颗粒含量应 陔严格限制在 1 5 内。 而且 , 无棱 角颗粒 比碎石颗粒或者有棱角颗粒有更好 的T 作性 能。 骨料颗粒的表面状态在玻璃状态, 光滑 , 颗粒
18、状 , 粗糙 , 晶体和蜂 窝结 构之间变化 。 仅仅在抗 弯强度很重要 的位 置 , 或者对高强混凝土来说 , 研究表 面状态才有意义。 在这 两种 情况下 , 因为骨料的水 泥净浆 黏结 力得到 了改善 , 粗 糙 的纹理获得较高的强度 , 其他所有表面状态获得的强度 是一样的。 图 3 表 明碎石的水泥含量和抗压强度之间的关系。 水 泥含量越高 , 有棱角的粗糙 碎石 的混凝土强度越高 , 因为 混凝土的黏结力得到了改善。 水泥含量低或中等 , 在T作性 能相 同的情况下 , 光滑无棱角的海洋砾石比碎石需水少 , 因 为需要潮湿 的表面积较小。 水 尼售 量 图3水泥含量和抗压强度关系
19、最常见的形状测试是片状指数。 粗骨料颗粒用一个特 殊测量仪表测。 如果颗粒的最小尺寸小于基本尺寸的 6 0 , 它会通过测量仪器 , 然后分成薄片状。 片状指数定义为样 本中片状颗粒的质量百分率。 欧洲薄片试验标准也用了类 似的规范 , 使用长方形孔径的筛子 , 而不是方孔筛 。 令人疑 惑的是如果颗粒最小尺寸小于它上层筛尺寸的 5 0 , 该试 1 5 验就可以区分片状颗粒。 试验已经确定该两种指标之间相 近的关系。 该试验研究表明英国标准要求未压碎碎石最大 片状指数为 5 0 , 压碎碎白片状指数为 4 0 , 这种要求分别与 欧洲标准未压碎碎石指数为 5 0 , 压碎碎石 3 5 相当。
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