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.
[3] 鄭娟榮. 高性能混凝土各組成材料的選擇及試驗研究[J] . 建筑技術，2002，(1)：22-24.
[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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