粗骨料粒形对混凝土性能的影响

王松亮，孙琳，马树泉

（1. 徐州中联混凝土有限公司，江苏 徐州 221100；2. 淮安固和新型建材有限公司，江苏 淮安 223000）

0 前言

目前，混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料，而在混凝土中，粗骨料是其主要组成部分之一，约占混凝土质量的 45%[1]。以前，粗骨料经常被视为惰性填充材料，因而忽视其对混凝土性能的影响[2]；而随着混凝土技术的不断发展及对混凝土研究的日益深入，粗骨料对混凝土性能的影响越来越受到重视。粗骨料的级配、吸水性、粒形、强度及所含有害物质类别等特性均对混凝土性能有所影响，而粒形是粗骨料品质的决定性因素之一[3]。

粗骨料的粒形往往受到原始暴露条件和加工因素的影响[2]，棱角系数是衡量骨料颗粒粒形的指标之一，即分别用颗粒粒径尺寸变化不大的单粒级骨料与单一粒径的玻璃球紧密填满同一个容器时，其绝对体积比之差（采用玻璃球填满时绝对体积比为 0.67:1）。单粒级骨料的棱角系数 A 计算公式为：

式中：mg——容器中单粒级骨料的质量，g；

ρg——容器中单粒级骨料的表观密度，g/cm3；

V0——试验用容器的容积，cm3。

对于连续级配骨料，其棱角系数由各粒级的棱角系数与其比例乘积之和得到。显然棱角系数过大的粗骨料，其品质较差。本文拟通过采用不同棱角系数的粗骨料配制混凝土，研究粗骨料粒形对混凝土性能的影响。

1 原材料

（1）水泥：淮海中联 P·O42.5 水泥，标准稠度用水量 27.8%，28d 抗压强度 51.9MPa。

（2）粉煤灰：国华Ⅰ级灰，45μm 方孔筛筛余4.8%，28d 活性指数78%。

（3）矿粉：徐钢 S95 级矿粉，流动度比 101%，28d 活性指数 102%。

（4）天然河砂：Ⅱ区中砂，含泥量 1.5%，细度模数 2.7。

（5）碎石：公称粒径 5～20mm 碎石，含泥量0.2%。

（6）水：市政自来水。

（7）外加剂：苏博特 PCA-1 高性能减水剂，减水率 17.2%。

2 试验方法

取公称粒径 5～20mm 的碎石进行筛分，综合考虑棱角系数与颗粒表面形态，结合肉眼观察，对筛分后每一粒级的碎石进行分类并检测棱角系数。将同粒形类别的碎石按初始碎石的级配重新组合成粒形不同的5～20mm 碎石，计算组合碎石的棱角系数，碎石分类结果见表 1。

表1 碎石粒形分类结果

以分类后的碎石为粗骨料分别配制混凝土，检测混凝土的相关性能，试验以强度等级 C50 的普通混凝土配合比为理论配合比，具体配合比见表 2。混凝土性能检测参照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》与 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的相关规定执行。

表2 试验用 C50 理论配合比

3 试验结果及分析

3.1 粗骨料粒形对混凝土工作性能的影响

以使用初始 5～20mm 碎石（G0）的混凝土配合比为基准配合比，用组合碎石替换初始碎石配制混凝土并检测混凝土工作性能，检测结果如表 3 所示。

表3 不同粒形粗骨料的混凝土工作性能检测结果

图1 使用不同粒形粗骨料的混凝土坍落度变化

结果表明：碎石的棱角系数较小时，混凝土的工作性能随碎石棱角系数的增加略有变化；当碎石棱角系数超过 0.15 后，混凝土的工作性能急剧降低。初始碎石（G0）中存在部分粒行不规则颗粒，影响混凝土拌合物流动性，因此虽然棱角系数较小，以其配制的混凝土工作性能却较组合碎石（G3）略低。对比不同粒形的粗骨料，粒形越接近球形的颗粒越易于运动[4]，因此混凝土水胶比保持不变时，粗骨料粒形为圆球形、球形和近球形的混凝土工作性能较好；粗骨料粒形为次棱角形或棱角形时，粗骨料颗粒不仅本身运动困难，且不规则粗骨料颗粒较大的比表面积需要更多的浆体包裹，双重因素导致混凝土工作性能迅速下降。

3.2 粗骨料粒形对混凝土力学性能的影响

以不同粒形的碎石为粗骨料配制混凝土，检测硬化混凝土的力学性能，检测结果如表 4 和图 2、3 所示。

表4 不同粒形粗骨料的混凝土力学性能检测结果

图2 使用不同粒形粗骨料的混凝土抗压强度变化

图3 使用不同粒形粗骨料的混凝土抗折强度变化

结果表明：粗骨料的棱角系数小于 1.5 时，混凝土的抗压强度随棱角系数的增加而略有增加；粗骨料棱角系数超过 1.5 时，混凝土的抗压强度大幅降低；与抗压强度相比，混凝土抗折强度对棱角系数的敏感性较低。一般来说，表面粗糙、略带棱角的粗骨料与硬化水泥石之间黏结较好[4]，因而混凝土的强度略高于使用圆润光滑粗骨料的混凝土；但粗骨料的不规则性过高也会使得混凝土内部缺陷增多，从而导致混凝土强度降低。

4 结论

（1）混凝土内粗骨料的棱角系数较低时，混凝土工作性能随粗骨料棱角系数的增加略有降低，当粗骨料棱角系数超过 1.5 时，混凝土工作性能迅速下降。

（2）粗骨料棱角系数低于 1.5 时，随棱角系数增加混凝土抗压强度略有提高，粗骨料棱角系数超过 1.5时，混凝土抗压强度大幅下降；与抗压强度相比，混凝土抗折强度对粗骨料粒形的敏感性较低。

（3）对于混凝土来说，粗骨料粒形为球形或近球形较好，圆球形稍次，次棱角形较差。