集料對高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的影響

　　摘要:集料在水泥基材中具有重要的作用。混凝土材料中集料相與基體相對水泥基材料力學(xué)性能具有協(xié)同作用，表現(xiàn)出復(fù)合材料的力學(xué)行為。本文主要從集料品種、最大粒徑、粒形、級配、堿活性等方面對混凝土強(qiáng)度、彈性模量及變形等方面的影響規(guī)律進(jìn)行闡述。
　　關(guān)鍵詞:　集料相　基體相　最大粒徑　堿活性
　　中圖分類號:量u526.31文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671一9107(2007)05一0044一03
　　
　　集料在水泥基材中具有重要的作用。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為普通混凝土性能的好壞主要取決于基體相的性能，而集料的影響相對較小，因而集料的作用并沒有引起足夠的重視。然而，隨著水泥基材料性能的提高(如各種高強(qiáng)、高性能混凝土材料的出現(xiàn))，集料在這些材料中的作用逐漸突出。本文著重介紹混凝土材料宏觀組成相—集料相與基體相對水泥基材料力學(xué)性能的協(xié)同作用，在此基礎(chǔ)上，從集料品種、最大粒徑、粒形、級配及集料含量等方面對混凝土強(qiáng)度、彈性模量等的影響規(guī)律作進(jìn)一步闡述。
　　1水泥基材料中集料相與基體相的協(xié)同效應(yīng)
　　
　　越來越多的研究表明，隨著水泥基材料力學(xué)性能的提高，其性能并非由單一的基體相決定，而是充分表現(xiàn)出復(fù)合材料的行為?；w相與集料相的相對性能變化對水泥基材料力學(xué)性能的影響就是復(fù)合材料行為的具體表現(xiàn)。這主要是因?yàn)樵谑艿胶奢d作用時(shí)，水泥基材料內(nèi)部性能不同的宏觀組成相之間由于荷載傳遞而引起的協(xié)同作用所造成的。
　　
　　當(dāng)混凝土中基體相與集料相的性能相匹配時(shí)，有利于充分發(fā)揮各組成相的最大潛能，并可使混凝土復(fù)合材料性能達(dá)到最佳。
　　
　　Mohamed等采用微觀力學(xué)模型研究了混凝土材料在受荷情況下宏觀組成相的相對性能對其內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的影響，指出集料相與基體相之間的抗拉強(qiáng)度比是決定材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展途徑最為重要的因素。
　　
　　另外，混凝土作為土木工程中最常用的建筑材料之一，其基體相與集料相在宏觀尺度上和力學(xué)性能上亦存在較大差別。宏觀尺度上，粗集料最大粒徑為厘米級，未水化的水泥顆粒為微米級，而水泥水化產(chǎn)物的尺度則更小而在力學(xué)性能上，普通混凝土中集料相與基體相的彈性模量之比在5.0以上，高性能混凝土中集料相與基體相之間的彈性模量之比也在3.0左右。上述研究表明，作為由多組分構(gòu)成的復(fù)合材料，混凝土組成相之間在物理性能、力學(xué)性能上的匹配性對其整體性能起著重要的作用，混凝土中基體相與集料相對混凝土的整體性能具有強(qiáng)烈的協(xié)同作用。這種作用是高強(qiáng)高性能、超高性能水泥基材料配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的因素。
　　
　　2集料對混凝土力學(xué)性能的影響集料對混凝土力學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)在強(qiáng)度、彈性模量和耐久性等方面。
　　
　　2.1集料品種對混凝土力學(xué)性能的影響
　　
　　不同巖石粗集料對混凝土的彈性模量和收縮變形有影響。例如，日本在“新RC計(jì)劃”期間對安山巖、硬質(zhì)砂巖和石灰?guī)r進(jìn)行了對比，結(jié)果是:當(dāng)混凝土強(qiáng)度為100MPa-120MPa時(shí)，用安山巖和硬質(zhì)砂巖的混凝土彈性模量為40G戶a，用石灰?guī)r的是50GPa關(guān)于干燥收縮變形，用安山巖的最大為6x10-4，而用石灰?guī)r的最大為4.lx10-4。
　　
　　混凝土拌合物的工作性能受集料的吸水性質(zhì)的影響，由于集料在拌合過程中，會直接吸走部分拌合用水，降低了混凝土的水灰比，使得混凝土拌合物的工作性變差，混凝土的坍落度減小，強(qiáng)度降低。
　　
　　有試驗(yàn)結(jié)果表明:用石灰石、花崗巖、玄武巖和輝綠巖4種集料配制的相同配合比的混凝土中，用吸水率較低的石灰石集料配制的混凝土獲得了最高的抗壓強(qiáng)度，而吸水率最高的輝綠巖混凝土的抗壓強(qiáng)度最低。此外，吸水率高的集料，其對混凝土的抗凍性和收縮變形亦有不利的影響。
　　
　　2.2集料最大粒徑對混凝土力學(xué)性能的影晌
　　
　　對于特定的水泥用量與砂率，混凝土中水泥槳量一定，混凝土強(qiáng)度存在集料最大粒徑效應(yīng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)坍落度一定時(shí)，最大粒徑的混凝土因其表面積增大，在相同坍落度下需水量增大，對應(yīng)的水灰比明顯增大或相同配合比條件下，混凝土的工作性變差，內(nèi)部缺陷增多，從而引起強(qiáng)度的降低。從微觀角度認(rèn)為，粗集料粒徑愈大，與水泥石粘結(jié)的表面積愈小，并且傾向于生成較弱的水泥石一集料界面，即較弱的過渡區(qū)，會減弱混凝土的強(qiáng)度。
　　
　　2.3集料粒形對混凝土力學(xué)性能的影響
　　
　　一般卵(礫)石具有球形顆粒外形與光滑表面構(gòu)造，碎石則為棱角顆粒和粗糙表面，粗糙表面具有良好的粘結(jié)作用，有利于強(qiáng)度的發(fā)展。在進(jìn)行混凝土的配合比設(shè)計(jì)及原材料選擇時(shí)，為了獲得所要求的混凝土強(qiáng)度和密實(shí)性等性能，采取了限制粗集料中針片狀顆粒的含量的要求，這是因?yàn)獒樒瑺钤龆?，集料表面積增大，在其他材料用量不變的情況下，拌合物的砂漿數(shù)盆不足以包裹集料表面，使得集料之間的摩擦阻力增大，和易性變差。同時(shí)，混凝土構(gòu)筑物中集料的針片狀顆粒含量較多時(shí)，在疲勞荷載下針片狀集料極易折斷，從而影響混凝土的使用壽命。
　　
　　也有試驗(yàn)研究表明，針片狀顆粒含量與混凝土強(qiáng)度存在一種特殊的關(guān)系，即不是針片狀含量越高，強(qiáng)度越低，也不是針片狀含量越低，強(qiáng)度越高，而是存在一個最佳針片狀值，在這個值附近，混凝土的抗壓強(qiáng)度最高。同時(shí)，集料中針片狀含量與混凝土彈性模量有一定關(guān)系，隨針片狀含量增加，彈性模量有增大的趨勢。