Question

粗骨料的质量缺陷导致混凝土性能下降

Answer 1

随着高性能混凝土概念的提出及其在工程中的广泛应用，发现粗骨料的特性对混凝土的性能有非常重要的影响。

1.骨料材质对混凝土性能的影响

粗骨料材质对混凝土性能的影响，主要体现为两个方面：一是其某些化学成分与水泥发生化学反应，从而产生某些有利或者有害的影响；二是粗骨料本身强度、变形特性与混凝土强度、变形特性之间有着密切关系。

（1）化学成分对混凝土力学性能的影响。

1）碱骨料反应。

化学成分对混凝土力学性能的影响主要表现在碱骨料反应。

碱骨料反应是混凝土产生耐久性破坏的重要原因之一。且这种破坏一旦发生，混凝土将产生整体性破坏而无法补救。破坏发生的原因是因为骨料中的活性成分，如MgO、CaO等，和水泥产生化学反应，而引起混凝土体积膨胀，从而使混凝土内部产生自应力，超过其承载能力导致破坏失效。如果上述有害化学成分超标，即不宜采用。

2）活性骨料反应。

骨料化学成分对混凝土力学性能影响的另一方面为某些活性骨料，比如碳酸岩，能在界面与水泥中的C₃A发生反应生成水化碳铝酸钙，从而增加了骨料和砂浆的界面粘结强度，化学反应式为：

能与水泥发生化学反应的活性炭酸盐骨料，主要包括为石灰岩、大理岩等。石英骨料、硅酸盐骨料在一定条件下也能够与水泥发生反应，但较少见。

因为化学成分量化分析在技术上比较困难，而工程现场粗骨料来源比较稳定，所以大多数配合比设计中不作专门考虑。

（2）粗骨料强度对混凝土力学性能的影响。

1）粗骨料强度对混凝土力学性能的影响。

通过观察高强混凝土（抗压强度大于C60）的抗压破裂面情况，发现其破坏不只发生在浆、骨交界面，并且粗骨料本身也发生贯穿性破裂，表明粗骨料的强度、弹性模量已经成为影响高强混凝土力学性能的重要因素之一。

总体上看来，粗骨料的强度应大于混凝土强度，变形特性（一般以弹性模量表示）应尽量与水泥砂浆的变形特性接近，使两者受力、变形情况一致较为有利。

衡量粗骨料力学特性的标准方法应为立方体抗压强度和弹性性能试验，但该试验需要岩石的切割、磨平，多数的现场试验机构尚不具备这样的条件，所以一般采用压碎指标试验代替。压碎指标除了主要取决于岩石强度之外，还受粗骨料针片状含量的影响可以达7%～9%。

2）粗骨料弹性模量对混凝土力学性能的影响。

用4种不同材质粗骨料，包括辉绿岩、石灰岩、砂岩及花岗岩拌制的混凝土，其强度、弹性模量试验表明，辉绿岩、石灰岩骨料的抗压强度、弹性模量相对比较高。究其原因，辉绿岩自身强度、弹性模量高，石灰岩能和水泥发生反应，均对混凝土强度、弹性模量的提高有利。

3）粗骨料的其他性能对混凝土力学性能的影响。

粗骨料的表观密度、吸水率对混凝土的耐久性，尤其是抗冻融性能有很重要的影响。骨料的吸水也会使和易性随时间而损失。

2.粗骨料颗粒形状对混凝土性能的影响

粗骨料的颗粒形状主要表现为碎石与砾石及冶金矿渣碎石的形状方面。

（1）碎石的针片状含量一般比卵石高，对于混凝土的力学性能会有负面影响，尤其对抗折强度的损害更为显著。

（2）在对混凝土拌和物和易性的影响方面，由于砾石表面较为光滑，相同水灰比拌和而成的混凝土具有比碎石混凝土更好的和易性。

（3）由于冶金高炉排出的干矿渣碎石颗粒规整，表面孔隙较多，与水泥浆题有更好的亲和力。3种骨料上述差异会直接影响到混凝土配合比的设计，因此，在许多情况下需要分别试验统计，获取不同的混凝土性能预测方程。

（4）粗骨料颗粒形状的评定，除了按上述碎石、卵石划分外，进一步的描述还可以按照英国BS812标准分为圆形、不规则形及有棱角形3类，具体、数字化的描述，可以用棱角数试验和颗粒球度试验确定。棱角数试验主要用在定量化测定粗骨料颗粒表面粗糙度，而三维比例的测定则用颗粒球度描述更为准确，当然简单地也可按照针片状含量试验进行评价。

3.粗骨料颗粒级配对混凝土性能的影响

（1）具有良好级配的骨料，可以最大限度地减少孔隙率，降低水泥砂浆的用量，从而节约水泥，降低成本。

（2）水泥用量的降低则可以减小混凝土的干缩，降低水化热，这对大体积混凝土的浇筑十分有利。

（3）良好的颗粒级配，也可以在用水量相同的情况下，提高混凝土的和易性，具有显著的技术经济效果。

（4）颗粒级配优劣的评价理论主要有如下3种：

1）最大密度理论。认为孔隙率最小、密度最大的级配是最优级配。由富勒（W.H.Fuller）等人于1901～1907年提出。

2）表面积理论。表面积理论认为，骨料表面积越小，用以包裹其表面的水泥浆用量越少，这种级配就是最优级配。

3）粒子干涉理论。粒子干涉理论取上一级骨料的间距正好等于下一级骨料的粒径，下一级骨料填充其间不发生“干涉”的级配是最优级配。

根据以上3种理论得出的最优级配，实际上很相近，但在实际应用中却遇到了操作上的困难。（5）为了便于级配优劣程度的数字化衡量和混凝土配合比的公式化计算，必须找到一个不仅具有良好的级配判别性、评估的等价性及可靠性，而且简单数字化的参量。但要找到一种合适的方法却非常困难。

如果与细骨料一样采用“细度模数”表示，则会出现不同的颗粒级配，计算得到同样的“细度模数”的结果。

例如两个粗骨料样本，一个样本骨料集中于40～80mm与5～20mm间，而另一个样本骨料集中于20～40mm间，两个样本计算得到的“细度模数”可能相同，但是实际上级配组成却不一样。

（6）另一种数字化评估骨料级配的方法则是利用破碎体分形理论的研究成果，用筛下幂指数仅作为级配评估指标，但试验研究的结果表明，这种方法用于评估细骨料时效果较好，而某些连续粒级和单粒级的粗骨料却并不与分形相关，统一参数化的粗骨料质量评估实际上仍无法解决。

（7）普通混凝土拌和物中，假设水泥用量保持不变，则粗骨料的最大粒径越大，其表面积就越小，需要的用水量也就越低。也就是说，随着粗骨料粒径的增大，混凝土的水灰比能够相应降低，这对于提高混凝土强度，降低生产成本是有利的。但大颗粒骨料内在缺陷发生的几率相对较高，而小颗粒骨料相对致密，并且因为其本身水灰比一般较低，上述因素引起的降低水灰比的作用不明显，却可以增加与水泥粘结的面积，提高HPC的强度。同时，粗骨料粒径过大，会导致砂浆和粗骨料的界面粘结性能降低，且严重影响混凝土的抗渗、抗裂性能。因此实际高性能混凝土用粗骨料的最大粒径一般比较小，大多是20mm，有的甚至10mm。在这种小粒径的情况下，按《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ 52—2006）提供的粗骨料级配划分标准，级配组成只包括5～10mm，10～16mm，16～20mm三种，也就是说，一般仅需要以上3个粒径范围的粗骨料用量即可描述粗骨料级配情况。

推而广之，在更大粒径范围的混凝土生产中，颗粒级配的划分可以放粗。比如，在水工混凝土中，粗骨料只可分为5～20mm，20～40mm，40～80mm3个粒径范围，计算出的配合比结果已足够准确。

（8）上述粗骨料级配的处理方法，隐去了最优级配的理论计算的问题，可以直接用于混凝土配合比的回归统计，非常方便。

在混凝土配合比的智能优化设计中，此方法的优点能够得到更好的体现。更粗略的粗骨料级配处理方法，仅考虑其最大、最小粒径（分别指累计筛余10%和90%的粒径）的影响，而不追究中间的具体颗粒构成，能与粗骨料用量合并成MPT（最大浆体厚度）值。

4.粗骨料用量对混凝土性能的影响

粗骨料在混凝土中存在一个最优用量的问题。一定条件下，增加粗骨料用量，可降低混凝土单位成本，减小混凝土收缩徐变，并增强抗腐蚀能力，从而使混凝土的耐久性提高。同时，因为粗骨料本身具有比砂浆更高的强度，在一定体积含量范围内还能相应提高混凝土强度。但是骨料含量也不能太高，否则就会使浆、骨料界面粘结质量降低，混凝土整体性减弱，而降低混凝土强度与抗渗、抗冻性能。

一般认为，普通混凝土中粗骨料的最优含量约为50%，高强混凝土中该值稍高，可以达60%左右。

试验表明，粗骨料体积含量为20%时，混凝土抗压、抗拉强度都比纯水泥砂浆低，当这个值达到30%～40%时，抗压、抗拉强度达到最低值，之后随着粗骨料含量的增加，混凝土抗拉、抗压强度和弹性模量会升高。

最大浆体厚度值实际上反映了混凝土中骨料、砂浆的分布及界面过渡情况，对砂浆的应力集中、水化反应程度都有一定影响。

最大浆体厚度值已粗略地综合了粗骨料粒形、用量和最大、最小粒径的影响，为混凝土配合比函数式的建立提供了依据。

5.骨料的杂质对混凝土强度的影响

骨料的杂质对混凝土强度有重大影响，必须严格控制杂质含量。树叶等杂质固然会影响混凝土的强度，而泥黏附在骨料的表面，妨碍水泥石和骨料的粘结，降低混凝土强度，还会增加拌和水量，加大混凝土的干缩，降低抗渗性及抗冻性。泥块对混凝土性质的影响较为严重。

（1）混凝土用碎石或砾石中的含泥量的规定。

混凝土用碎石或者砾石中的含泥量及有害物质含量应符合表1-2规定。

表1-2　碎石或卵石中泥、黏土和有害物质质量分数限值及等级

（2）混凝土用碎石或者砾石中的有害物质含量的规定。

骨料（砂、石）要求洁净，除掉有害杂质，用于混凝土中骨料的有害杂质含量见表1-3。

表1-3　砂中有害杂质含量

粗骨料（石子）有害杂质含量要求见表1-4。

表1-4　粗骨料（石子）有害杂质含量