粗集料特性对混凝土性能的影响研究

卢佳林，牛子东，蓝国平，吴家有，粟芳春

（1. 广西中建西部建设有限公司，广西 南宁 530201；2. 南宁中建西部建设有限公司，广西 南宁 530201）

0 引言

混凝土作为世界上最大宗的建筑材料，广泛应用于房屋、桥梁以及道路等各种工程建设中。它作为一种多相复合材料，一般被认为是由水泥石和粗集料以及两者之间的界面过渡区这三个结构单元构成，其中粗集料在混凝土中主要起填充骨架作用，所以粗集料自身特性显著影响混凝土的工作性能、力学性能以及耐久性能[1]。但目前人们为了提高混凝土的强度，主要通过研究胶凝材料如水泥、矿物掺合料的水化以及混凝土外加剂这几方面，对粗集料自身特性与混凝土强度等性能影响研究较少且单一，缺乏多因素的耦合及系统的总结[2]。

为此本研究综述了国内外混凝土中粗集料的强度、粒径、级配、颗粒形貌以及用量等特性对混凝土主要性能的影响方面的研究工作，以期为各种强度等级混凝土粗集料的选用提供理论指导。

1 粗集料对混凝土强度的影响

1.1 粗集料强度对混凝土强度的影响

粗集料作为混凝土的骨架，其强度对混凝土的强度影响较大，且随着混凝土强度的增大影响越显著。戴朝阳[3]认为粗集料的强度直接影响混凝土的强度，同时在对高强混凝土研究中发现，粗集料强度的影响对高强混凝土更加明显。Neville 和 Brooks[4]也指出粗集料的强度大小对高强混凝土的基体性能具有很重大的影响。这是因为低强度的混凝土所造成的破坏主要是由于水泥石与粗集料之间的过渡区发生破坏，粗集料的强度较难体现，而高强混凝土的界面过渡区的强度得到增强，高强混凝土受到破坏时，破坏面主要出现在粗集料上，因而粗集料强度直接决定了混凝土的强度。

众多学者都开展研究了不同种类的粗集料对混凝土强度的影响，梁天宇[5]在高强、中强和低强混凝土三种不同强度等级的基体条件下，分别研究了碎石、陶粒、加气混凝土、砂浆以及钢集料等不同集料强度对混凝土抗压强度的影响，发现钢集料所配制的混凝土强度远高于其他集料所配制的混凝土；H.Beshr[6]等人研究了白云岩、石灰石、石英岩和钢渣等不同强度等级的粗集料对高强混凝土抗压强度的影响，结果表明采用集料强度最高的钢渣制备的混凝土抗压强度也最高，强度最低的石灰石制备的混凝土抗压强度最低。Zhou[7]研究了钢集料、石灰石、砾石和玻璃集料对混凝土抗压强度的影响，发现集料自身强度显著影响混凝土的强度。

同时上述研究都发现，粗集料强度与基体强度之间存在着强度和刚度相互匹配关系，即粗集料强度低于基体强度时，粗集料对基体强度起负作用；当集料强度高于基体强度时，粗集料有利于基体强度的提高，只有在两者相互协调的前提下，才能共同改善混凝土的强度。A.M. 内维尔[8]认为混凝土强度等级与它所用的粗集料强度之间不应相差太大；蒋广京[9]通过大量实验和工程应用得出了最佳的粗集料强度与混凝土强度等级之间的强度系数为 1.3，即粗集料的抗压强度值为混凝土强度等级 1.3 倍。同时行业标准 JTG/T F 50－2011《公路桥涵施工技术规范》也指出了，粗集料的抗压强度与所制备混凝土基体之间强度之比应不小于 1.5。综上，集料与基体的强度差异对混凝土绝对强度和强度发展有很大的影响，两者越不匹配，对混凝土强度的影响越大。粗集料强度应高于基体强度，且应在一个合适的范围内，才能改善混凝土的力学性能。

1.2 粗集料岩性对混凝土强度影响

母岩的性质不同，矿物组成不同，会导致粗集料吸水率、表观密度等区别。表现在混凝土上为新拌混凝土的坍落度、流动性以及硬化后的混凝土的力学性能会产生明显的偏差。任秉龙[10]试验了石灰岩碎石、玄武岩碎石及碎卵石三种粗集料对混凝土抗压强度的影响，养护 3d 时，石灰岩碎石组成的混凝土抗压强度最大，碎卵石组成的混凝土抗压强度最小；养护 28d 时，玄武岩碎石混凝土抗压强度最大，石灰岩碎石混凝土抗压强度最小。这是因为，前期水泥凝结时间短，强度较低，而表面粗糙的粗集料与水泥的粘结强度高，因而前期石灰岩混凝土强度最高，卵石混凝土强度较低；后期随着水泥水化时间的延长，水泥强度增加，此时混凝土的强度取决于粗集料强度，而玄武岩强度最高，故 28d 玄武岩混凝土的抗压强度最高。沈嫣秋[11]采用花岗岩、石灰岩和玄武岩这三种粗集料配制混凝土，研究发现，对于低强混凝土来说不同岩石所配制的混凝土抗压强度和抗折强度十分接近，即岩石强度对强度等级较低混凝土的力学性能影响较小；对中高强混凝土来说，采用强度较高的花岗岩和玄武岩配制的混凝土抗压强度和抗折强度较石灰岩配制的混凝土高出一个强度等级。兰宏斌[12]分析了花岗岩、玄武岩、石灰岩、辉绿岩四种岩性集料对混凝土工作性和力学性能的影响，发现吸水率较低的花岗岩和玄武岩混凝土工作性最好，石灰岩次之，辉绿岩最差；采用四种粗集料配制中等强度混凝土，吸水率较低的石灰岩混凝土抗压强度最高，吸水率最高的辉绿岩混凝土抗压强度最低。这是因为石灰石表面粗糙且与水泥净浆发生化学反应，致使界面粘结力提高。

1.3 粗集料粒径对混凝土强度影响

粗集料的粒径是影响混凝土强度的重要因素之一。随着粗集料粒径的增大，粗集料的比表面积减小，拌合物所需要的水泥浆减少，在工作性和水泥用量一定的情况下，会使得混凝土的强度提高。但并不是粗集料粒径越大越好，当粗集料粒径超过一定限度后，一是粗集料粒径的增大导致混凝土的缺陷增多，内部空隙率增大，粗集料与水泥浆体间的粘结强度下降，而且易于引起水泥浆中的附加内应力；二是粗集料粒径过大，使得颗粒在新拌混凝土中下沉过快，导致混凝土内部颗粒分布不均匀，致使混凝土的强度下降[13]。沈卫国[14]认为粗集料粒径的选择是设计混凝土强度最重要的技术参数之一，且对于高强混凝土而言，最佳粒径范围在 9～25mm 之间。戴朝阳[3]、陈兵[15]认为粗集料的粒径对混凝土的强度有较大影响，且最佳粒径范围在 5～15mm 内，当粒径高于 15mm 后，随粒径的增大，混凝土强度下降。内维尔[8]研究发现配制强度在 60～100MPa 的混凝土时，粗集料粒径不应超过20mm；配制强度高于 100MPa 的混凝土时，粗集料粒径应小于 12mm。Keru Wu[16]利用声波技术研究粗集料粒径对混凝土强度的影响，研究发现随着粗集料粒径的增大，混凝土强度也增大，当粒径超过 15mm 时，混凝土强度却随着粒径增大而下降。通过上述研究发现，虽然不同学者研究结果稍有出入，但粗集料粒径与混凝土强度设计之间存在一个最佳最大的集料粒径，且范围在15～20mm 内。

1.4 粗集料级配对混凝土强度影响

集料级配优劣直接影响混凝土的和易性、工作性、力学性能和经济效益。因此，人们在关于集料级配与混凝土强度影响方面做了众多的试验并提出了大量的级配理论和级配模型，但这些理论和模型缺乏普遍性。沈李明[17]通过试验研究了四种粗集料级配下的预拌混凝土工作性能，发现 16～20mm 的级配、25～31.5mm 的级配和 10～16mm 的级配对混凝土的质量影响较大。蒲磊[18]通过改变粗集料中大小石子的比例来测试混凝土的强度，研究结果表明增加粗集料中大石子所占比例，减少小粒径石子，有利于提高混凝土的和易性和强度，且级配的变化对混凝土的早期强度影响较小，后期强度影响大。封建森[19]等人认为采用连续级配的混凝土性能优于间断级配和单级配的混凝土，这是因为连续级配的混凝土由于结构更为致密，内部空隙率低，混凝土搅拌得更加均匀。研究表明，级配良好的粗集料，其中大粒径的石子占比在 70% 时，混凝土的强度最高[20]。谢丽霞[21]等人通过研究粗集料级配对不同强度等级的混凝土性能的影响，发现集料级配对高强混凝土的影响较大，对低强混凝土的影响较小。众多研究发现，配制混凝土时应优先考虑连续级配，缺乏连续级配时，可将两种及上的单级配的粗集料按一定比例配成连续级配，且级配中粒径大的石子应占比例大。

1.5 粗集料粒型对混凝土强度的影响

粗集料的粒型受到生产工艺、母岩材质等因素的影响，因而粗集料颗粒形貌差异巨大，各种粒型（球形、棱角、针片状等）并存。粗集料颗粒的表观形貌对新拌混凝土的和易性和凝结硬化后的混凝土力学性能有很大的影响。随着粗集料不规则度的增加，使得粗集料的空隙率和比表面积增大，与水泥浆体的接触面积也增大，一方面会提高混凝土强度，另一方面，粗集料的吸水作用增强，颗粒间摩擦阻力增大，使得混凝土需水量增大，和易性降低，造成强度下降[5]。一般而言，理想的粗集料粒型为接近球形或者正多面体，这对混凝土力学性能发展有促进作用。研究发现粗集料的形貌会影响混凝土内部的应力集中，进而影响材料整体的强度变化，这是因为粗集料是通过影响界面过渡区的微裂缝发展，来影响混凝土的应力集中现象[22]。封建森[5]、梁天宇[19]等人制备了碎石粗骨料混凝土与卵石粗骨料混凝土，并测试了混凝土 28d 强度。结果表明，采用碎石作为粗骨料的混凝土其力学性能高于卵石粗骨料混凝土，这是因为相对于表面光滑的卵石而言，碎石表面粗糙、形状不规则，使得碎石与水泥浆体间的粘附力增强，同时粗集料之间的机械咬合力更大，因此采用碎石配制的混凝土力学性能也较好。针片状粒型是粗集料颗粒常见且极端的粒型，研究认为，粗集料中针片状的颗粒含量越高，会使得混凝土和易性降低，当针片状颗粒含量过高时，它在混凝土中多以简支梁状形式存在，容易折断，同时，个别的针片状颗粒又会对附近其他颗粒呈尖劈作用，易造成混凝土破坏[23]。刘东[24]认为较多的针片状含量对高强混凝土的工作性不利，且会明显降低高强混凝土后期的抗压强度，并确定用于高强混凝土的粗集料的针片状含量不宜超过 10%。王博洋[25]等人指出当粗集料中片状颗粒含量超过 15% 时，新拌混凝土会发生明显的离析，使得硬化的混凝土不均匀性增大，降低混凝土强度。吴历斌[26]等人研究了粗集料中针片状颗粒对混凝土工作性和力学性能的影响，认为混凝土用粗集料中最佳的针片状颗粒含量不应多于 12%，而郭玉起[27]研究认为含量不应超过 5%。欧美国家规定的标准则更大，如西班牙为 35%，英国为 35%～40%。

1.6 粗集料用量对混凝土强度的影响

粗集料作为构成混凝土骨架的基础，其含量的多少直接影响混凝土的工作性、强度和耐久性。随着粗集料含量的变化，粗集料在混凝土中大致分为三个状态：一是当粗集料含量较少时，粗集料间不互相接触，悬浮在基体中，形成悬浮密实结构；二是当粗集料含量继续增多，一部分粗集料相互搭接形成骨架，粗集料间的空隙被基体所填充，形成密实骨架结构；三是当粗集料含量过高时，粗集料之间紧密衔接，形成众多空隙却未被基体填充，即骨架空隙结构。因此对于构成混凝土结构的粗集料存在一个最佳用量的问题，合适的粗集料用量，不仅可以提高混凝土工作性、强度和耐久性，也能节约成本。刘东[24]通过体积法设计了 34.6%、39.6%、44.6%、49.6%、54.6% 和 59.6% 五种不同粗集料体积分数的混凝土，研究发现粗集料含量增加对早期强度有利，当含量为 50% 左右，混凝土的后期强度最佳。张立新[20]认为混凝土存在最佳集料用量，且从强度和断裂性能来看，高强混凝土的最佳用量为 60%。戴朝阳[3]研究认为，普通混凝土的最佳集料体积率为 50%，高强混凝土体积率为 60%。Bing Chen 和 Juanyu Liu[28]通过改变不同等级的混凝土中粗集料用量发现，对于普通混凝土而言，随着粗集料用量从 30% 增加到 70%，其韧性和强度呈增大趋势；但对高强混凝土来说，随粗集料用量从 40% 增加到 80%，其韧性和强度呈先增大后减小的趋势，且粗集料含量为 60% 的高强混凝土性能最佳。而 TASDEMIR M.A[29]研究发现，当粗集料体积分数从 0.15 增加到 0.6 时，混凝土的强度下降。Nicholas O[30]对粗集料含量为 36%、40% 和 44% 的高强混凝土进行研究发现，最佳的混凝土粗集料含量应在 36%～40% 之间，超过 40% 会导致混凝土的强度下降。Stock A.F[31]等人研究发现，当粗集料含量从 0%～20% 变化时，混凝土抗压强度逐渐减小，而当集料含量从 40%～80% 变化时，混凝土抗压强度增大。

2 集料与混凝土耐久性

在混凝土中，除了混凝土的工作性和力学性能要满足要求外，还要保证混凝土耐久性达到较高水平。混凝土良好的耐久性可以起到延长使用寿命、降低维护成本、减少安全隐患目的。粗集料的几何特性、物理性能、化学成分等对混凝土早期的工作性能、硬化后的力学性能及耐久性能都存在不可忽视的影响。张金喜[32]等研究用八种品质不同的粗集料制备的混凝土的抗冻性能，发现粗集料的抗压强度、抗拉强度和密度越大，其混凝土的抗冻性越好；粗集料的吸水性越高，则相应的抗冻性越差。夏景亮[33]研究了两种不同岩性的粗集料制备的混凝土的抗氯离子渗透性和抗冻性性能，发现采用花岗岩配制的混凝土的氯离子渗透系数低于石灰岩粗集料混凝土的氯离子渗透系数，经过 250 次冻融循环后，花岗岩粗集料混凝土较石灰岩粗集料混凝土的质量损失、强度和相对动弹性模量下降幅度小。这是因为使用不同岩性粗集料配制的水泥混凝土，抗渗性能有所差别，主要与岩石的吸水率和孔隙率等有关。粗集料的形状、最大粒径及级配，对集料与水泥浆体界面上的结构有影响，当集料中含有较多的片状、条状集料或集料的级配不好时，界面上将存在较多的自由水或孔隙，水分在蒸发后也将形成较多的孔隙，形成的孔隙越多，混凝土的抗渗性也就越差，进而导致混凝土耐久性变差，因此改善集料的加工质量，适当减小粗集料的最大粒径，保证集料良好的粒形和颗粒级配，都能大大改善混凝土的耐久性。

3 集料与混凝土收缩变形

混凝土收缩变形是指因内外部湿度变化、化学反应、温度变化等因素引起的体积变形，是导致混凝土早期开裂的主要原因。粗集料既能引发裂缝，又能阻挡裂缝的扩展，对混凝土的收缩起到约束效果。由于混凝土中的粗集料含量不合理，使得混凝土内部存在着许多微裂缝，这些微裂缝产生应力集中，导致混凝土在未达到强度前就产生破坏，一般而言混凝土的收缩变形随着粗集料含量的增大而减小，而粗集料的弹性模量决定它的约束程度。当粗集料含量由 60% 增加至 75%，混凝土徐变则降低 50% 左右，粗集料含量从 71% 增加到 74%时，收缩下降 20%[33]。集料的级配、最大粒径、粒形和表面结构都是间接地影响混凝土的干缩。集料的弹性模量被公认为对干缩影响最大、最直接。集料的弹性模量越大，体积含量越高（或水泥石体积含量越小），则集料体积压缩系数越小，集料对水泥石收缩约束度越大，混凝土收缩量越小。集料的吸水率反映其孔隙率的大小，吸水性影响了集料的刚度和可压缩度，通常，粗集料吸水率高，混凝土收缩大。粗集料品种对混凝土的干缩和徐变也有很大影响，石灰岩和石英岩混凝土的干缩值远小于砾石和砂岩混凝土的干缩值，这是因为石灰岩和石英岩相对致密、弹性模量高，当高弹性模量粗集料被低弹性模量粗集料取代时，混凝土的干缩和徐变均增大 3.15 倍[8]。

4 结语

本研究综述了粗集料强度、粒径、级配、颗粒形貌、用量等对混凝土性能的影响。总体而言，粗集料性质的改善和用量的提高对改善混凝土的性能具有积极的影响，尤其是对高强高性能混凝土。混凝土中存在集料粒径效应、最佳级配、最佳颗粒形貌和最佳用量，在混凝土配合比设计过程中，选择合适的骨料种类、品质和粗集料用量，会有效改善混凝土的性能。