集料对高强混凝土力学性能的影响

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　　摘要:集料在水泥基材中具有重要的作用。混凝土材料中集料相与基体相对水泥基材料力学性能具有协同作用，表现出复合材料的力学行为。本文主要从集料品种、最大粒径、粒形、级配、碱活性等方面对混凝土强度、弹性模量及变形等方面的影响规律进行阐述。
　　关键词:　集料相　基体相　最大粒径　碱活性
　　中图分类号:量u526.31文献标识码:A文章编号:1671一9107(2007)05一0044一03
　　
　　集料在水泥基材中具有重要的作用。传统观念认为普通混凝土性能的好坏主要取决于基体相的性能，而集料的影响相对较小，因而集料的作用并没有引起足够的重视。然而，随着水泥基材料性能的提高(如各种高强、高性能混凝土材料的出现)，集料在这些材料中的作用逐渐突出。本文着重介绍混凝土材料宏观组成相—集料相与基体相对水泥基材料力学性能的协同作用，在此基础上，从集料品种、最大粒径、粒形、级配及集料含量等方面对混凝土强度、弹性模量等的影响规律作进一步阐述。
　　1水泥基材料中集料相与基体相的协同效应
　　
　　越来越多的研究表明，随着水泥基材料力学性能的提高，其性能并非由单一的基体相决定，而是充分表现出复合材料的行为。基体相与集料相的相对性能变化对水泥基材料力学性能的影响就是复合材料行为的具体表现。这主要是因为在受到荷载作用时，水泥基材料内部性能不同的宏观组成相之间由于荷载传递而引起的协同作用所造成的。
　　
　　当混凝土中基体相与集料相的性能相匹配时，有利于充分发挥各组成相的最大潜能，并可使混凝土复合材料性能达到最佳。
　　
　　Mohamed等采用微观力学模型研究了混凝土材料在受荷情况下宏观组成相的相对性能对其内部裂纹扩展的影响，指出集料相与基体相之间的抗拉强度比是决定材料内部裂纹扩展途径最为重要的因素。
　　
　　另外，混凝土作为土木工程中最常用的建筑材料之一，其基体相与集料相在宏观尺度上和力学性能上亦存在较大差别。宏观尺度上，粗集料最大粒径为厘米级，未水化的水泥颗粒为微米级，而水泥水化产物的尺度则更小而在力学性能上，普通混凝土中集料相与基体相的弹性模量之比在5.0以上，高性能混凝土中集料相与基体相之间的弹性模量之比也在3.0左右。上述研究表明，作为由多组分构成的复合材料，混凝土组成相之间在物理性能、力学性能上的匹配性对其整体性能起着重要的作用，混凝土中基体相与集料相对混凝土的整体性能具有强烈的协同作用。这种作用是高强高性能、超高性能水泥基材料配合比设计时应该考虑的因素。
　　
　　2集料对混凝土力学性能的影响集料对混凝土力学性能的影响主要表现在强度、弹性模量和耐久性等方面。
　　
　　2.1集料品种对混凝土力学性能的影响
　　
　　不同岩石粗集料对混凝土的弹性模量和收缩变形有影响。例如，日本在“新RC计划”期间对安山岩、硬质砂岩和石灰岩进行了对比，结果是:当混凝土强度为100MPa-120MPa时，用安山岩和硬质砂岩的混凝土弹性模量为40G户a，用石灰岩的是50GPa关于干燥收缩变形，用安山岩的最大为6x10-4，而用石灰岩的最大为4.lx10-4。
　　
　　混凝土拌合物的工作性能受集料的吸水性质的影响，由于集料在拌合过程中，会直接吸走部分拌合用水，降低了混凝土的水灰比，使得混凝土拌合物的工作性变差，混凝土的坍落度减小，强度降低。
　　
　　有试验结果表明:用石灰石、花岗岩、玄武岩和辉绿岩4种集料配制的相同配合比的混凝土中，用吸水率较低的石灰石集料配制的混凝土获得了最高的抗压强度，而吸水率最高的辉绿岩混凝土的抗压强度最低。此外，吸水率高的集料，其对混凝土的抗冻性和收缩变形亦有不利的影响。
　　
　　2.2集料最大粒径对混凝土力学性能的影晌
　　
　　对于特定的水泥用量与砂率，混凝土中水泥桨量一定，混凝土强度存在集料最大粒径效应。根据实验，当坍落度一定时，最大粒径的混凝土因其表面积增大，在相同坍落度下需水量增大，对应的水灰比明显增大或相同配合比条件下，混凝土的工作性变差，内部缺陷增多，从而引起强度的降低。从微观角度认为，粗集料粒径愈大，与水泥石粘结的表面积愈小，并且倾向于生成较弱的水泥石一集料界面，即较弱的过渡区，会减弱混凝土的强度。
　　
　　2.3集料粒形对混凝土力学性能的影响
　　
　　一般卵(砾)石具有球形颗粒外形与光滑表面构造，碎石则为棱角颗粒和粗糙表面，粗糙表面具有良好的粘结作用，有利于强度的发展。在进行混凝土的配合比设计及原材料选择时，为了获得所要求的混凝土强度和密实性等性能，采取了限制粗集料中针片状颗粒的含量的要求，这是因为针片状增多，集料表面积增大，在其他材料用量不变的情况下，拌合物的砂浆数盆不足以包裹集料表面，使得集料之间的摩擦阻力增大，和易性变差。同时，混凝土构筑物中集料的针片状颗粒含量较多时，在疲劳荷载下针片状集料极易折断，从而影响混凝土的使用寿命。
　　
　　也有试验研究表明，针片状颗粒含量与混凝土强度存在一种特殊的关系，即不是针片状含量越高，强度越低，也不是针片状含量越低，强度越高，而是存在一个最佳针片状值，在这个值附近，混凝土的抗压强度最高。同时，集料中针片状含量与混凝土弹性模量有一定关系，随针片状含量增加，弹性模量有增大的趋势。