骨料含量对混凝土拉伸徐变等性能影响的试验研究

王新杰, 夏 群

(常州大学 土木工程系， 江苏 常州 213164)

骨料含量对混凝土拉伸徐变等性能影响的试验研究

王新杰, 夏 群

(常州大学 土木工程系， 江苏 常州 213164)

通过试验研究骨料含量对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和自收缩的影响，结果表明：混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度在1 d龄期时，受骨料含量的影响较小；骨料含量在55%～70%的范围内，混凝土3,7,14,28 d龄期时的抗压强度和劈裂抗拉在随着骨料含量的增加而逐渐增加，骨料含量在70%增加到75%时，混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度随着骨料含量的增加而逐渐减小；混凝土的拉伸徐变的变形随骨料含量的增加而增大；混凝土的自收缩随着骨料含量的增加而逐渐减小。

骨料含量; 抗压强度; 劈裂抗拉强度; 自收缩

0 引 言

从宏观结构来说，混凝土是由砂浆和粗骨料两种组分组成的结构。因此，混凝土的性质主要由水泥砂浆和骨料的性质以及它们之间的相互作用决定。当水胶比一定时，骨料的种类、体积含量、颗粒粒径分布、形状和级配等对混凝土的抗压强度、抗拉强度等力学性能有决定性作用[1]，目前国内外的大量学者对此进行了研究，但主要集中在研究骨料的种类、形状和表面特征、粒径和级配[2-6]，而骨料含量对混凝土力学性能的影响研究不多。因此，有必要研究骨料含量对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、收缩性能等进行研究，以探讨骨料含量对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、收缩性能以及拉伸徐变性能的影响[7]。

1 试验设计

1.1试验原材料

本试验所用的水泥为江苏盘固水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥。

砂为普通的河砂，细度模数为3.0，含泥量为1.2%，表观密度为2 650 kg/m3，颗粒级配良好，其具体筛分析的试验结果见表1。

表1 石子筛分析试验结果

石子为南京产5～25 mm碎石，级配良好，含泥量为0.2%，表观密度为2 700 kg/m3，其颗粒级配见表2。

减水剂是由江苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂JM-PCA，该减水剂的减水率达20%以上。

1.2混凝土的配合比

为了研究骨料含量对混凝土性能的影响，根据目前常用的骨料体积含量的范围，文中设计了5个系列的试配合比，骨料的体积含量分别为75%,70%,65%,60%及55%。另外，为了消除水灰比等其它因素对混凝土性能的影响，在研究骨料含量对混凝土性能的影响时，采用水灰比和砂率保持不变，使水灰比保持为0.4，砂率为0.35，目标塌落度为100 mm，经多次试配后，得到的配合比见表3。

表2 砂筛分析试验结果

1.3试块的制作与试验方法

混凝土力学性能试验按照GBT50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行制作试件、养护和试验；混凝土的拉伸徐变试验装置是由自主设计的杠杆式拉伸徐变试验装置进行加载，拉伸徐变试件和自收缩试件的变形是通过在混凝土中预埋两个可固定位移计的变形测量架固定位移传感器，拉伸徐变的变形在加载时用LVDT进行测量，5 min后用机械千分表进行测量，自收缩试件采用机械千分表进行测量。浇筑成型后放在标准养护室进行养护，1 d龄期后拆模，拉伸徐变和自收缩试件立即用铝箔进行密封，并测量1,3,7,14,28 d后的试件的变形。但在测量混凝土的收缩变形时，为了最大限度地减小混凝土试件下部支撑物体对收缩变形的约束，把混凝土试件放置在5个相互平行的滚轴上。本研究中混凝土拉伸徐变试件的加载龄期为3 d，加载应力为加载时抗拉强度的40%。

2 试验结果与分析

按照前述标准的试验方法，在混凝土达到设计的龄期后，进行了混凝土在1，3，7，14 ，28 d龄期时不同骨料含量混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和自收缩试验。

2.1骨料含量对混凝土抗压强度的影响

不同骨料含量混凝土的抗压强度发展随龄期的变化规律如图1所示。

表3 混凝土的配合比

图1 骨料体积含量对混凝土抗压强度的影响

从图1可以看出，在1 d龄期时，骨料含量为55%,60%,65%,70%,75%混凝土的抗压强度分别为10.8,10.6,13.4,12.9 MPa，可见在1 d龄期时，骨料含量对混凝土的抗压强度的影响较小，甚至出现骨料含量为60%的混凝土早期抗压强度比骨料含量为55%的增加略有减小的现象。而在3,7,14，28 d龄期时，骨料含量在55%～70%的范围内，混凝土的抗压强度随着骨料含量的增加而增加，但当骨料含量从70%增加到75%时，混凝土抗压强度随着骨料含量的增加而减小。

这是由于在混凝土中骨料起着骨架的作用，其强度大于水泥浆体的强度，而在1 d龄期时，由于水泥浆体的强度较低，骨料的刚性骨架作用还没有完全发挥作用，因此出现混凝土的强度1 d龄期时会随着骨料含量的增加而略有减小的现象。而在3 d龄期，水泥浆体的强度有了很大的发展，骨料的刚性骨架作用能够充分体现出来，因此混凝土的抗压强度会随着骨料含量的增加而增加。另外，水泥浆体和骨料的界面处的弱粘结面(界面过渡区)会随着骨料含量逐渐增多，当应力水平达到一定程度时，弱粘结面的裂缝会自发发展。在上述两个因素共同的作用下使混凝土的强度在骨料含量55%～70%之间随着骨料含量的增加，骨料含量从70%增加到75%时，随着骨料含量的增加而减小。

2.2骨料含量对混凝土劈裂抗拉强度的影响

不同骨料含量混凝土的劈裂抗拉随龄期发展的试验结果如图2所示。

图2 骨料体积含量对混凝土劈裂抗拉强度的影响

从图2中可以看出，骨料含量对劈裂抗拉强度和混凝土抗压强度的影响相似。在1 d龄期时，骨料含量对混凝土劈裂抗拉强度的影响较小。在3,7,14，28 d龄期时，骨料含量在55%～70%的范围内，混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度都随着骨料含量的增加而增加，但当骨料含量从70%增加到75%时，混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度均随着骨料含量的增加而减小。这是由于在1 d龄期时，水泥砂浆的强度较低，在进行劈裂抗拉强度时，破坏的断面主要表现为大量骨料从水泥浆体中拔出，断面凸凹不平，因此在1 d龄期时，骨料含量对混凝土劈裂抗拉强度影响不大。在3 d龄期以后，骨料含量在55%～70%的范围内，水泥浆体已有较大的强度，在破坏面上，粗骨料数量随着骨料含量的增加，粗骨料从基材中拔出而产生的咬合力增大，但当骨料从70%增加到75%时，虽然在破坏的断面上粗骨料数量增大，但是随着骨料含量的增加，包裹粗骨料的水泥砂浆层变薄，单个骨料的锚固力减小，因此使混凝土的劈裂抗拉在3 d龄期后在55%～70%范围内随着骨料含量的增加而逐渐减小，在70%～75%范围内随着骨料含量的增加而减小。

2.3骨料含量对混凝土基本拉伸徐变

到3 d龄期时，根据劈裂抗拉强度的试验结果进行徐变试件的加载。不同骨料含量混凝土的拉伸徐变的徐变度随龄期发展的规律如图3所示。

图3 骨料体积含量对混凝土基本拉伸徐变的徐变度的影响

从图3中可以看出，混凝土的徐变度在加载后12 h内发展较快，12 h后发展速度逐渐减慢；混凝土的徐变度随着骨料含量的增加而明显增大，当骨料含量从55%增加到75%时，混凝土的徐变度从19.4×10-6MPa增加到29.4×10-6MPa；在骨料含量增加相同的情况下，混凝土的徐变度增加的幅度越来越大，具体表现为，当骨料含量从55%增加到70%时，混凝土的徐变度从19.4×10-6MPa增加到25.5×10-6MPa，仅增加了6.1×10-6MPa；而当骨料从70%增加到75%时，混凝土的基本徐变度从25.5×10-6MPa增加到29.4×10-6MPa，增加了3.9×10-6MPa。

这是由于随着骨料含量的增加，骨料和水泥浆体之间的接触面积增加，它们之间的界面过渡区面积也增加，因此容易引入较大的初始裂纹，使混凝土中的初始微裂缝的数量增加，造成界面过渡区微裂缝开裂应力降低。同时，随着骨料含量增大，混凝土的断裂强度(韧度)明显减小 ，这相当于降低了混凝土的初始开裂应力[8]。另外当骨料含量不同时，骨料含量越大，其复合吸水率越小，则混凝土内部自由水含量相对增加，可迁移至微裂缝中水的数量也在增加[9]。因此在上述几个方面共同作用下使界面过渡区初始微裂缝的开裂应力减小。从微裂缝的观点来看，混凝土的徐变随着骨料含量的增加而逐渐增加。

另一方面，随着骨料含量的增加，单位体积内水化硅酸钙凝胶体的数目减小，且由于复合吸水率降低，水泥浆体中自由水的含量的增加，使水化硅酸钙凝胶体之间的距离增加，水泥浆体的孔隙率也逐渐增加，因此，从层间滑移理论来看，混凝土的拉伸徐变随着骨料含量的增加而逐渐增大。

2.4骨料含量对混凝土自收缩的影响

为了测量混凝土的拉伸徐变的变形，必须扣除相应时间的自由伸缩变形，不同骨料含量混凝土在1～10 d内的自收缩随龄期发展变化如图4所示。

图4 骨料含量对混凝土自收缩的影响

从图4中可以看出，骨料含量是影响自收缩的一个主要因素，随着骨料含量的增加，混凝土的自收缩逐渐减小，当骨料含量从60%增加到75%时，1～10 d内的自收缩值从113.75 με减小到65.0 με。一方面是由于混凝土中发生自收缩的主要组分是水泥石，因此骨料含量的增加，也就是减小水泥石的相对含量，因此可以减小混凝土的自收缩，另一方面，骨料对水泥石的限制作用，骨料含量越大，相邻两骨料间颗粒的间距越近，水泥石层的厚度就越小，骨料对水泥石收缩的约束作用就越明显，从而使混凝土的自收缩减小。

3 结 语

1)骨料含量对混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度规律相同，在1 d龄期时，骨料含量对混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度的影响较小，但在3，7，14，28 d龄期时，骨料含量在55%～70%的范围内，混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度随着骨料含量的增加而逐渐增加，但当骨料含量从70%增加75%时，混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度随着骨料含量的增加而减小。

2)混凝土的基本拉伸徐变的徐变度在加载后12 h内发展较快，12 h后发展速度逐渐减慢；混凝土的徐变度随着骨料含量的增加而明显增大。

3)在相同的水灰比的情况下，骨料含量越大的混凝土自收缩越小，这说明混凝土的自收缩随着骨料含量的增加而逐渐减小。

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Experimental study on the influence of aggregate content on the tensile creep and other properties of concrete

WANG Xin-jie, XIA Qun

(Department of Civil Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164， China)

The influences of aggregate content on the compressive strength, splitting tensile strength and autogenously shrinkage are studied in experiments. The results indicate that both compressive and splitting tensile strength change less with aggregate content addition at 1 d (one day) age, but may increase at the age of 3 d,7 d,14 d and 28 d when aggregate content variation is between 55 percent to 70 percent. The compressive and splitting tensile strength may be weaker when the aggregate content increases from 70 percent to 75 percent while the deformation caused by autogenously shrinkage may increase, and the autogenously shrinkage itself may decrease gradually.

aggregate content; compressive strength; splitting tensile strength; autogenous shrinkage.

2014-06-18

常州大学校基金资助项目(ZMF1002122)

王新杰(1978-)，男，汉族，安徽淮北人，常州大学讲师,博士，主要从事混凝土结构的基本性能和耐久性方向研究,E-mail:xiaqun@cczu.edu.cn.

TU 52

A

1674-1374(2014)05-0562-05