集料级配对混凝土性能的影响研究

刘学民，宋海涛

（天津城建设计院有限公司，天津市 300121）

0 引言

混凝土作为重要的建筑材料被广泛地应用于工程建设[1]。集料是混凝土中用量最大的组成成分，集料的颗粒级配对于混凝土的品质有很大的影响，特别对于新拌混凝土，集料级配直接影响到其粘聚性、和易性等，进而影响到硬化混凝土的强度及耐久性等性质[2]，因此，选取合适的集料级配对于新拌混凝土和硬化混凝土性能均十分重要。

对于集料级配，已经有过很多的研究，且都有自己的特点，但是很多成果应用到实际工程中有很多不方便之处。本文对3种集料级配进行研究，分析其对混凝土工作性能及力学性能的影响。

1 集料的作用及级配理论

1.1 集料在混凝土中的作用

集料是混凝土重要的组成部分，在混凝土设计中占有重要的地位[3]。混凝土是一种颗粒型多相复合材料，在实际应用中，可将混凝土看作是两相复合材料，即集料和砂浆体。集料在混凝土中所起的作用[4]大致可归纳如下4点。

（1）骨架增强作用

集料在混凝土中起着刚性骨架作用，提高了混凝土的强度和变形模量，使得混凝土比单纯的水泥浆具有更好的体积稳定性和耐久性。

（2）裂缝的引发和抑制作用

混凝土中适量的集料能提高混凝土的体积安定性能。混凝土破坏主要是其内部存在的结构缺陷的结果，结构缺陷引起应力集中，导致裂缝产生，裂缝在荷载作用下不断扩展，但在混凝土复合体系中，集料既能引发裂缝，也能抑制裂缝的扩展。

（3）控制温度变形作用

混凝土中水泥及矿物外加剂的凝结硬化是一种水化放热反应，温度变化引起的温度应力常导致混凝土开裂。由于集料在混凝土的凝结硬化过程中不发生反应，对混凝土的温度变形具有一定的抑制作用[5]。

1.2 混凝土集料级配理论

目前，在集料颗粒级配研究领域中有多种理论，如颗粒堆积理论、致密填充理论、包围跺密理论等。这些理论都以实现集料的堆积密度最大化为目标，下面简要介绍几种集料级配理论[6]。

（1）致密配合比设计理论

致密配合比设计是指粒径较大颗粒间的空隙由粒径较小颗粒来填充，较小颗粒间的空隙再由更小的颗粒来填充。该设计方法需要进行堆积试验，以确定相应的最佳配比。

（2）粒子干涉理论

粒子干涉理论认为：混合集料要达到最大堆集密度，需要集料颗粒逐级填充，并且填充空隙的颗粒粒径应控制在上一级颗粒间隙的距离以内，以免不同颗粒之间发生干涉现象。粒子干涉理论要求测出集料每一粒径颗粒的堆积密度，需要大量的试验工作。

（3）泰波（Talbol）理论

泰波级配曲线是在富勒曲线基础上的改进。富勒曲线是一种理想曲线，认为当集料的空隙率最小、密度最大时，集料的级配为最优级配，但实际矿料组成难免有一定的波动。泰波理论认为，材料与曲线拟合时，需对材料进行筛分试验，并且根据原材料性能的变化及时地进行混凝土配合比调整。

1.3 本文采用的级配设计方法

本文以集料级配设计理论为依据，选取3种级配分别研究不同级配对混凝土性能的影响。级配I为依据致密配合比设计理论配制的集料级配，级配II为按粒子干涉理论设计的集料级配，级配III为按泰波级配曲线计算出来的集料级配。

2 试验材料及方案

2.1 原材料的技术性质

本文采用的水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥，其主要技术指标均符合相关规范的要求。文中采用的细集料为河砂，粗集料为碎石，其技术指标如表1所示。

表1 集料的性能技术指标

2.2 试验方案

混凝土配合比设计参考我国现行的《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）及相关高性能混凝土设计方法进行设计[7]。混凝土中水泥、粗集料、细集料、水的比例如表2所示。

表2 混凝土中各材料的比例

本文将选取三种集料级配，分别研究不同集料级配对混凝土性能的影响。级配I为按致密配合比设计理论配制的未经筛分的集料级配，级配II为按粒子干涉理论设计经过筛分的集料级配，级配III为按泰波级配曲线计算出来的集料级配。

三种级配各粒径集料比例如表3所示。

表3 三种不同集料级配各粒径所占的比例

3 试验结果分析及讨论

3.1 三种不同级配对水泥混凝土工作性的影响

按照试验规程对新拌混凝土进行工作性试验，试验结果如表4所示。

表4 新拌混凝土工作性试验结果

从表4中数据可以看出：

（1）三种级配所得的混凝土坍落度都满足最低150 mm的设计要求，级配III所得的混凝土的保水性和流动性优于另外两种级配的混凝土；

（2）级配Ⅲ所制的混凝土表观密度最大，级配Ⅰ次之，级配Ⅱ最小；

（3）整体来讲，三种级配的混凝土均具有较好的工作性，相比而言，级配Ⅲ所配的混凝土工作性最优。

3.2 三种不同集料级配对水泥混凝土力学性能的影响

本文测定三种不同集料级配的混凝土的抗压、抗折强度，分析不同级配对混凝土力学性能的影响，试验结果如表5、表6所示。

表5 不同级配混凝土7 d、28 d抗压强度试验结果

表6 不同级配混凝土7 d、28 d抗折强度试验结果

从表5、表6中数据可看出：

（1）不同的集料级配对混凝土的7 d抗压强度和抗折强度影响均较小，但对28 d抗压、抗折强度影响较大。级配Ⅲ的混凝土比级配Ⅰ抗压强度高2.2 MPa，抗折强度高0.26 MPa。

（2）不同的集料级配的混凝土强度增长率有所差异。从试验结果来看，级配III的抗压强度及抗折强度增长率均为最高，抗压强度52.0%，级配Ⅱ次之，级配Ⅰ的混凝土强度增长最小。

4 结论

通过试验分析，可以得出集料级配是影响混凝土性能的重要指标。本文通过对三种集料级配设计的试验分析，得出以下结论。

（1）集料级配对混凝土的粘聚性影响较小，但是对坍落度、保水性、表观密度影响较大，集料级配影响混凝土的工作性。

（2）集料级配对混凝土的抗弯拉强度影响较小，而对抗压强度的影响较大，这与不同集料级配的混凝土孔隙发展具有直接的联系。

（3）采用泰波理论曲线配制的集料级配所制作的混凝土的工作性及其力学性能均优于其它两种级配混凝土，因此混凝土配比设计中的集料级配可按泰波级配曲线来配制。

[1]任峰.集料对混凝土性能影响的试验研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[2]傅沛兴.论混凝土配合比的合理设计方法[J].建筑技术，2008，39（1）：50-55.

[3]梁天宇.粗集料对混凝土抗压强度影响的研究[D].重庆：重庆大学，2004.

[4]王安成.粗骨料架构特性与架构混凝土研究[D].大连：大连理工大学，2006.

[5]韩建国，阎培渝.粗骨料级配对混凝土强度发展历程的影响[J].混凝土，2008，219(1)：62-63.

[6]弗朗索瓦·德拉拉尔（法）.混凝土混合料的配合[M]．廖欣，叶枝荣，李启令，译.北京：化学工业出版社，2004.

[7]王立久，郑芳宇，刘军，等.密实系数法混凝土配合比设计[J]．沈阳建筑大学学报：自然科学版，2006，22(2)：191-195.