粗骨料粒径和级配对混凝土力学性能的影响研究

文摘 2024-11-11 07:01 河南

1引言

再生粗骨料是建筑工程中常用的材料之一，其在混凝土结构中的应用对结构性能和耐久性具有显著影响。针对再生混凝土的配合比设计，需要根据再生粗骨料的特性制定相应策略，以确保混凝土在强度和工作性能方面达到预期要求。实验结果表明，采用适当的配合比设计和粗骨料掺量可以有效提高再生混凝土的力学性能。

另一方面，粗骨料的粒径和级配也对混凝土的性能有着重要影响。骨料粒径的选择应在一定范围内，既要考虑到减少水泥用量提高混凝土强度，又要避免粒径过大导致混凝土内部质量不均匀或者粒径过小。在工程实践中，深入研究再生粗骨料的特性及其与混凝土力学性能的关系，对于混凝土结构的设计尧施工和维护具有重要意义。通过本文的研究，可以为再生混凝土的应用和推广提供有效的指导，促进建筑材料的可持续发展和工程质量的提升。

2再生粗骨料的特性

再生粗骨料在建筑工程中被广泛使用，其特性对混凝土性能有显著影响。根据吴殿华等的研究，可将其划分为大于5mm的大颗粒粗骨料，该骨料有粗糙的表面和较多的棱角。通常，这些大颗粒被不均匀的水泥砂浆或者水泥石等材料包裹，与初始混凝土的强度以及初始粗骨料的类型密切相关。

粗骨料的性能直接影响到混凝土的抗压强度以及弹性模量。为了使混凝土的强度显著增强，再生粗骨料需要达到一定的强度水平。因此，选择和使用合适的再生粗骨料对于确保混凝土结构的性能和耐久性至关重要。

再生混凝土的配比设计及其物理性能在建筑材料研究中占据了重要地位。与传统的天然骨料对比，再生粗骨料在性能上表现出了一定的差异性。为更有效地推动再生混凝土的应用，国内外的研究者们开展了针对再生混凝土特性的具体配比设计研究。

研究表明，使用设计强度为C20的再生混凝土时，尽管采用普通混凝土配合设计方法所得到的再生混凝土强度超出参考混凝土，但其可塑性却明显降低。考虑到再生骨料较高的吸水率，因此采用了基于水灰比的混合设计策略。再生粗骨料的饱和面干状态对再生混凝土的工作性能及抗压强度产生了影响。由于再生混凝土的配合比设计相对复杂，并且与传统混凝土存在显著差异，因此有必要针对其特性采取相应措施，以确保其能够达到令人满意的力学性能。实验结果表明，再生混凝土的密度低于传统混凝土。逐步增加再生骨料的掺量会导致其密度逐渐下降，当完全替换为再生粗骨料时，实验数据显示再生混凝土的密度同比减少了7.5%。

综上所述，再生混凝土的配合比设计需要考虑再生粗骨料的特性，以确保其在力学性能和工作性能方面达到要求。研究粗骨料粒径和级配对混凝土力学性能的影响，对于再生混凝土的应用和推广具有重要的指导意义，也为建筑材料的可持续性和效益提供了新的思路。

3粗骨料粒径对混凝土力学性能的影响

3.1粗骨料粒径对混凝土坍落度的影响

粗骨料粒径对混凝土坍落度的影响是混凝土性能中的重要因素之一。一般来说，较大的骨料粒径会降低混凝土的坍落度，因为较大的骨料会增加混凝土的内部摩擦力，使得混凝土更难流动。相反，较小的骨料粒径会增加混凝土的坍落度，因为较小的骨料可以更容易地在混凝土中流动，减少了内部摩擦力的影响。但是，需要注意的是，骨料粒径对混凝土坍落度的影响还受到其他因素的影响，比如水灰比尧混凝土的配合比等。因此，在设计混凝土配合比时，需要综合考虑骨料粒径以及其他因素，以达到所需的混凝土性能。

3.2粗骨料粒径对混凝土强度的影响

为了研究粗骨料的粒径对混凝土强度的影响，设计了不同粒径粗骨料的配合比实验。从实验结果来看，粗骨料的粒径对混凝土强度的影响规律可概括为以下几点。

1）粒径越大，所需水泥浆量减少，从而提高了混凝土的抗压强度院随着粗骨料粒径的增大，其比表面积会相应减少，因此所需的水泥浆量也随之减少。在一定的和易性及水泥用量条件下，能够降低用水量并提升混凝土的强度。然而，粒径并非越大越好。粒径增大导致颗粒内部缺陷概率增加，同时在混凝土拌和过程中，颗粒下沉速度加快，这可能导致混凝土内部颗粒分布不均匀，从而降低硬化后混凝土的强度，尤其在流动性较大的泵送混凝土中这一现象更为明显。

2）不同强度等级的混凝土在粒径选择上有所区别。对于普通混凝土，粗骨料的最大粒径通常依据构件的截面尺寸和钢筋间距来确定，此时对强度的影响不显著。然而，当水胶比较小（一般不超过0.4）时，粗骨料的最大粒径对混凝土强度的影响则变得明显。国外的普遍观点认为，最大粒径应小于10mm，而我国的相关规范规定不超过31.5mm，通常选择在20～25mm。对于高性能混凝土，石子的最大粒径要有限制，一般推荐为不大于20mm。超高强混凝土的石子最大粒径更小，在10mm以下。

3）粒径过小也会影响混凝土强度。虽然较小的粒径可以有效消除骨料的内在缺陷，但若粒径过小，会导致比表面积增大，从而增加空隙率，这必然需要提高水泥用量，进而增加成本。此外，粒径过小还可能导致在加工过程中更多的粉尘附着在石子表面，这不仅给施工带来困难，还可能影响混凝土的强度。粗骨料粒径对混凝土强度的影响试验结果见表1。

综上所述，骨料的粒径选择应在一定范围内，既要考虑减少水泥用量提高混凝土强度，又要避免粒径过大导致混凝土内部质量不均匀或者粒径过小，增加成本和施工困难。

4粗骨料级配对混凝土力学性能的影响

4.1粗骨料级配对混凝土坍落度的影响

根据相关实验研究的结果，粗骨料级配对混凝土的坍落度产生了显著影响，具体表现为以下3个方面。

1）在使用单一粒径的粗骨料时，随着粒径的增大，混凝土的坍落度也呈上升趋势。尤其是在9.5～16.0mm和19～26.5mm粒径区间，坍落度的增加更为明显。

2）当采用连续级配的粗骨料时，随着粒径种类的增加，混凝土的坍落度同样会提高。在相同粒径范围内，随着大粒径的增大，坍落度也会相应增加，尽管幅度不大。

3）在应用非连续级配时，粒径增大也会导致混凝土坍落度的提升，且幅度更为明显。这是因为小粒径骨料的比表面积相对较大，造成对水分的需求增加。因此，在相同的用水量尧水泥用量与细集料条件下，相比于大粒径骨料，坍落度会降低，从而降低混凝土的流动性。

综上所述，骨料级配的变化会直接影响混凝土的坍落度，不同类型的级配方式会导致不同程度的坍落度变化。这一点对于混凝土配合比的设计和工程施工中的混凝土浇筑工艺具有重要意义。

4.2粗骨料级配对混凝土强度的影响

试验研究结果显示，骨料级配对混凝土强度也有着显著的影响。

4.2.1粗骨料的级配对混凝土强度的影响

在细骨料保持为中砂且仅调整粗集料级配的情况下，试验结果表明，在相同用水量尧水泥用量尧细集料条件下，使用较小粒径的粗骨料（4.75～9.5mm）时，混凝土的7d和28d抗压强度均最低。使用较大粒径的粗骨料（26.5～31.5mm）时，混凝土的7d和28d抗压强度均最高。这是因为较小粒径的粗骨料具有较大的比表面积，需要更多的浆体包裹，因此，在同样的浆体条件情况下，混凝土的抗压强度比较低。

4.2.2非连续级配对混凝土强度的影响

在非连续级配的情况下，随着粗骨料单粒径的增大，混凝土的强度呈现出逐渐下降的趋势，但降幅并不明显。当粗骨料粒径在9.5～16.0mm时，粗骨料的孔隙率和内部缺陷相对较少，从而使混凝土的抗压强度较高，尤其在高强度混凝土中，这一现象表现得更加明显。

4.2.3粗骨料级配的影响

在不同粒径同时存在的情况下，当最大粒径所占比例最高时，混凝土的抗压强度达到最大值；而当最小粒径的比例最高时，混凝土的抗压强度则降至最低。

综上所述，粗骨料级配的变化会直接影响混凝土的抗压强度，不同级配方式会导致混凝土的强度产生不同程度的变化。这一点对于混凝土配合比的设计和工程施工中的混凝土浇筑工艺具有重要意义。表2为粗骨料粒径对混凝土强度影响的试验结果分析。

5结语

再生粗骨料作为一种常用的建筑材料，在混凝土结构中起着至关重要的作用。通过对再生粗骨料的特性及其对混凝土力学性能的影响进行全面研究，可以更好地应用再生混凝土，提高混凝土结构的性能和耐久性。再生粗骨料的基本物理性能，如密度尧吸水率尧强度尧颗粒形状尧粒径分布和耐久性，直接影响再生混凝土的力学性能和工作性能。因此，在混凝土配合比设计和工程实践中，需要充分考虑并合理利用这些物理特性，以确保再生混凝土的质量和性能达标。此外，粗骨料的粒径和级配对混凝土的性能也有重要影响。选择合适的骨料粒径和级配方式，可以有效提高混凝土的坍落度和抗压强度，为工程实践提供技术支持和指导。

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