粗骨料最大粒径对混凝土受早期扰动后力学性能的影响

潘慧敏，左建航，宋嵘杰

(燕山大学,河北省土木工程绿色建造与智能运维重点实验室，秦皇岛 066004)

0 引 言

普通混凝土由硬化水泥浆体、界面过渡区(ITZ)和骨料组成，作为典型的各向异性复合材料，混凝土强度在很大程度上取决于界面过渡区的性能[1]。当前我国基础设施建设正在加快，为保证工程进度及连续性，混凝土结构在浇筑完毕到完全硬化的这一阶段，有可能受到振动扰动的影响，如冲击打桩振动、爆破开挖振动及列车振动等。这些振动扰动可通过对新浇筑混凝土界面过渡区的微观结构造成破坏，进而影响混凝土的力学性能[2]。针对混凝土受扰动影响的问题，潘慧敏等[3]通过模拟振动扰动，研究了混凝土力学性能受扰动的影响。研究发现，混凝土受到40 min的持续扰动后，抗折强度较基准混凝土最多降低了30%，扰动对贯入阻力值为10.7～14.8 MPa时的混凝土强度影响最大。Zhang等[4]研究了爆炸引起的振动对新浇筑混凝土的影响，认为爆破时的养护时间决定了振动对混凝土强度的影响程度。蒋正武等[5]的研究表明，车桥耦合振动会导致新浇筑混凝土的密实度和均匀性降低。Kwan等[6]通过试验研究表明，进行桥面加宽施工时，车辆荷载产生的扰动使未硬化混凝土的裂缝宽度超过了0.2 mm。以上研究表明，早期扰动会对混凝土性能产生不利影响。

综上，目前对受扰混凝土的研究大多集中在单一骨料级配混凝土，然而实际工程中混凝土的粗骨料尺寸可能存在较大差别，其对混凝土受扰性能的影响目前尚未见报道。因此有必要了解粗骨料尺寸不同的情况下，早期扰动对混凝土性能的影响程度是否一致。基于此，通过对不同骨料级配的混凝土施加早期振动扰动，研究了粗骨料最大粒径对混凝土受扰动影响的程度，以期为受扰混凝土的性能评价提供一定的理论依据。

1 实 验

1.1 原材料

胶凝材料为秦皇岛浅野水泥厂生产的P·O 42.5R普通硅酸盐水泥，粗、细骨料分别采用秦皇岛当地连续级配的破碎石灰石和天然河砂，水为饮用水。其中，各组粗骨料粒径级配严格按照JGJ 52—2006《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》进行筛分配制，各组不同粒径区间百分比组成如表1所示，天然河砂主要物理性能指标如表2所示。

表1 粗骨料粒径区间百分比组成Table 1 Percentage composition of coarse aggregate size range

表2 天然河砂主要物理性能指标Table 2 Main physical properties of natural river sand

1.2 试验方法

试验所取粗骨料均为连续级配，粗骨料最小粒径5 mm，最大粒径分别为：10 mm、16 mm、20 mm、25 mm、31.5 mm。根据粗骨料尺寸区间对试件进行编号：Ⅰ(5～10 mm)、Ⅱ(5～16 mm)、Ⅲ(5～20 mm)、Ⅳ(5～25 mm)、Ⅴ(5～31.5 mm)。成型尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的抗压试件和100 mm×100 mm×400 mm的抗折试件，每组6个，3个受扰动，3个不受扰动作为基准试件。

借助DC-1000-15苏试水平电动振动台对试件进行扰动，扰动频率15 Hz，振幅4 mm，扰动持续时间40 min，扰动形式为正弦振动。采用电子数显贯入阻力仪对混凝土强度进行监测，参考文献[3]，选取扰动影响最大的龄期区间(即贯入阻力值为10.7～14.8 MPa)作为扰动阶段。扰动结束后，将试件标准养护至 28 d，对混凝土进行超声波波速测试和抗压强度、抗折强度测试。对试件进行破碎取样后，通过扫描电镜(SEM)试验和压汞试验对试件进行微观结构分析。

1.3 混凝土配合比

混凝土强度等级为C40，坍落度控制在90～110 mm。参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行配合比设计，各组混凝土配合比如表3所示。

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete

1.4 评价方法

1.4.1 强度降低系数

依据GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》对混凝土试件进行抗压强度和抗折强度测试，根据式(1)计算抗压强度和抗折强度降低系数，以评价扰动对不同粗骨料最大粒径的混凝土力学性能的影响。

(1)

式中:Lf为混凝土试件强度降低系数；f0为基准混凝土试件强度；f1为受扰动后的混凝土试件强度。

1.4.2 受扰损伤因子

为评价早期扰动对不同粗骨料最大粒径的混凝土造成的损伤程度，定义混凝土受扰损伤因子D(%)，根据式(2)计算。

(2)

式中:vt为受扰混凝土超声波波速；v0为基准混凝土超声波波速。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度与抗折强度

根据式(1)计算受扰混凝土试件的抗压强度和抗折强度降低系数，得到粗骨料最大粒径不同时，早期扰动对混凝土28 d强度的影响程度，如图1所示。由图1可以看出，扰动使各组混凝土试件的抗压强度和抗折强度较基准混凝土下降。这是由于凝结硬化期间，混凝土界面过渡区粘结强度尚未完全形成，扰动影响了水泥的水化反应，进而使胶凝材料和骨料之间产生裂缝和错位，表现为强度降低。相较抗压强度，抗折强度的降低尤其显著，说明早期扰动对混凝土抗折强度的影响更大。

由图1还可以看出，粗骨料最大粒径不同，受扰混凝土强度的降低程度也不同。其中，Ⅱ组试件(粗骨料最大粒径16 mm)受扰动影响最大，扰动使混凝土抗压强度降低18.5%，抗折强度降低30.0%，说明此组混凝土的界面过渡区受扰动影响最大。而扰动对Ⅲ组试件(粗骨料最大粒径20 mm)混凝土强度的影响较小，受扰后的抗压强度仅下降4.9%，抗折强度下降9.2%，均在10.0%以内。说明本试验条件下，粗骨料最大粒径为20 mm的混凝土界面过渡区强度最高，对早期扰动的敏感度最低。

图1 粗骨料最大粒径对受扰混凝土28 d强度的影响Fig.1 Influence of the maximum size of coarse aggregate on the 28 d strength of disturbed concrete

2.2 损伤因子

研究表明，超声波振幅的衰减及波形畸变可以反映材料内部缺陷，故超声波法可测量损伤或破坏的程度。根据式(2)计算不同粗骨料最大粒径混凝土的受扰损伤因子，得到不同混凝土试件受扰动后的损伤程度，如图2所示。由图2可知，扰动使混凝土试件超声波波速较基准混凝土有不同程度的降低。说明混凝土在受扰后，内部缺陷较基准混凝土增多，密实度下降。

图2 粗骨料最大粒径对混凝土受扰损伤因子的影响Fig.2 Influence of the maximum size of coarse aggregate on the disturbed damage factors of concrete

由图2还可以看出，粗骨料最大粒径不同，混凝土受扰损伤因子也存在一定差异。粗骨料最大粒径为16 mm时，混凝土受扰损伤因子最大，达到了11.7%。说明扰动使此组混凝土内部产生了不可弥合的微裂纹，对混凝土性能产生了显著的不利影响。粗骨料最大粒径为20 mm时，混凝土受扰损伤因子最小，仅为2.4%，说明此组混凝土的界面过渡区强度基本未受到扰动的影响，这与扰动对混凝土抗压强度、抗折强度的影响是一致的。

2.3 SEM和压汞试验结果分析

混凝土宏观力学性能是其微观结构的宏观表现，为进一步探究扰动对混凝土内部微观结构和孔隙的影响，试验选取了受扰动影响最大的Ⅱ组和最小的Ⅲ组试件与基准混凝土进行对比，采用扫描电子显微镜对混凝土试件的微观结构进行了观察，图3为各组混凝土典型SEM照片。

观察图3可知，基准试件微观形貌平整均匀，Ⅱ组受扰试件内部出现了很明显的贯穿裂缝，说明早期扰动影响了水泥的水化反应过程，对已形成的界面过渡区结构造成了不可恢复的破坏。而Ⅲ组受扰试件的内部微观形貌特征与基准试件差异很小，内部微裂纹数量未见明显增多，且裂纹非常细小。

图3 混凝土SEM照片Fig.3 SEM images of concrete

孔结构是混凝土微观结构的重要构成部分，本试验利用高性能全自动压汞仪测定混凝土的孔结构参数，对比分析了Ⅱ组和Ⅲ组试件混凝土的孔结构特征。所测样品数据参数如表4所示，孔径和累积侵入汞体积关系如图4所示。

由表4可知，相对基准试件，早期扰动使混凝土堆积密度减小，平均孔容、平均孔面积和孔隙率变大。由图4可知，Ⅱ、Ⅲ组受扰试件的累积侵入汞体积均大于基准试件，且第Ⅱ组受扰试件的累积侵入汞体积远大于第Ⅲ组受扰试件。

图4 压力与累积孔体积关系图Fig.4 Relationship between pressure and cumulative pore volume

表4 Ⅱ、Ⅲ组压汞实验数据参数Table 4 Group Ⅱ and group Ⅲ mercury injection experimental data parameters

SEM分析和压汞测试结果均表明，混凝土受扰后裂缝和孔隙增多，孔隙率增大，结构密实性变差，且第Ⅱ组(粗骨料最大粒径16 mm)混凝土微观形貌和孔隙结构受扰动的影响最大，这也佐证了前述扰动对混凝土宏观力学性能影响的结果。

2.4 讨 论

本试验中混凝土的宏观力学性能和微观结构观测结果均表明，早期扰动对混凝土性能产生了不同程度的影响。其原因是，凝结硬化期的混凝土正处于从塑性体向固体转化的阶段，Ca(OH)2晶体与C-S-H凝胶体逐渐生成，但界面过渡区强度还较低。界面是整个混凝土结构的薄弱区，扰动力会使部分已形成的凝胶结构发生破坏，形成局部裂隙，从而使混凝土的后期力学性能有所降低。

粗骨料最大粒径不同，扰动对混凝土性能的影响程度也不同。本试验第Ⅱ组(粗骨料最大粒径16 mm)试件受扰动影响程度最大，这种现象可以解释为，界面过渡区围绕在粗骨料周围，粗骨料粒径越小，界面过渡区所占混凝土总体积的百分比就越大[14]，受扰动的影响程度也就越大。而粗骨料粒径变大时，粗骨料对主裂纹界面的桥接作用增大，混凝土发生断裂破坏的路径会变得更为曲折，需要消耗更多扰动能量用于裂缝的扩展[13]，故在本试验中第Ⅲ组(粗骨料最大粒径20 mm)混凝土受扰动的影响程度较小。但粗骨料尺寸进一步增大后，具有较大惯性力的粗骨料下沉，混凝土均匀性变差[15]，骨料与水泥浆基体的结合面中会产生更多的缺陷，粘结力降低，界面过渡区变得脆弱，骨料的内锁和桥接作用下降，断裂能降低[16]，因此抵抗外界扰动的能力也随之下降。故在相同扰动试验条件下，第Ⅳ、Ⅴ组混凝土试件受扰动的影响程度也较大。

3 结 论

(1)扰动使各组混凝土试件的抗压强度和抗折强度较基准混凝土下降，抗折强度降低尤为显著。粗骨料最大粒径不同，受扰混凝土强度的降低程度也不同。

(2)粗骨料最大粒径为16 mm时，扰动使混凝土抗压强度降低18.5%，抗折强度降低30.0%，混凝土受扰损伤因子最大,达到了11.7%，对早期扰动的影响最敏感；粗骨料最大粒径为20 mm时，混凝土强度受扰动影响较小，抗压强度仅下降4.9%，抗折强度下降9.2%，受扰损伤因子最小,仅为2.4%，对早期扰动的敏感度最低。

(3)SEM分析和压汞测试结果均显示混凝土受早期扰动后裂缝和孔隙增多，粗骨料最大粒径16 mm的混凝土微观形貌和孔隙结构受扰动的影响最大，佐证了扰动对混凝土宏观力学性能影响的结果。