集料對高強混凝土力學性能的影響

　　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性能具有協(xié)同作用，表現(xiàn)出復合材料的力學行為。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度、彈性模量及變形等方面的影響規(guī)律進行闡述。
　　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文獻標識碼: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、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性能的協(xié)同作用，在此基礎上，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度、彈性模量等的影響規(guī)律作進一步闡述。
　　1水泥基材料中集料相與基體相的協(xié)同效應
　　
　　越來越多的研究表明，隨著水泥基材料力學性能的提高，其性能并非由單一的基體相決定，而是充分表現(xiàn)出復合材料的行為。基體相與集料相的相對性能變化對水泥基材料力學性能的影響就是復合材料行為的具體表現(xiàn)。這主要是因為在受到荷載作用時，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。
　　
　　當混凝土中基體相與集料相的性能相匹配時，有利于充分發(fā)揮各組成相的最大潛能，并可使混凝土復合材料性能達到最佳。
　　
　　Mohamed等采用微觀力學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)部裂紋擴展的影響，指出集料相與基體相之間的抗拉強度比是決定材料內(nèi)部裂紋擴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)成的復合材料，混凝土組成相之間在物理性能、力學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烈的協(xié)同作用。這種作用是高強高性能、超高性能水泥基材料配合比設計時應該考慮的因素。
　　
　　2集料對混凝土力學性能的影響集料對混凝土力學性能的影響主要表現(xiàn)在強度、彈性模量和耐久性等方面。
　　
　　2.1集料品種對混凝土力學性能的影響
　　
　　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計劃”期間對安山巖、硬質(zhì)砂巖和石灰?guī)r進行了對比，結(jié)果是:當混凝土強度為100MPa-120MPa時，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，強度降低。
　　
　　有試驗結(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度，而吸水率最高的輝綠巖混凝土的抗壓強度最低。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，混凝土強度存在集料最大粒徑效應。根據(jù)實驗，當坍落度一定時，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，從而引起強度的降低。從微觀角度認為，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)，會減弱混凝土的強度。
　　
　　2.3集料粒形對混凝土力學性能的影響
　　
　　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，有利于強度的發(fā)展。在進行混凝土的配合比設計及原材料選擇時，為了獲得所要求的混凝土強度和密實性等性能，采取了限制粗集料中針片狀顆粒的含量的要求，這是因為針片狀增多，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，混凝土構(gòu)筑物中集料的針片狀顆粒含量較多時，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。
　　
　　也有試驗研究表明，針片狀顆粒含量與混凝土強度存在一種特殊的關(guān)系，即不是針片狀含量越高，強度越低，也不是針片狀含量越低，強度越高，而是存在一個最佳針片狀值，在這個值附近，混凝土的抗壓強度最高。同時，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。