混凝土是一種非均質體材料，可認為由骨料、水泥漿體、孔隙和界面過度區構成。骨料體積分數約為60~75%，其中粗骨料約占40%左右，因此，粗骨料性質對混凝土的工作性能、力學性能及耐久性具有重大影響[1-3]。對普通混凝土而言，界面過渡區是最薄弱的區域，因此，水灰比是決定其強度等性能的關鍵因素，骨料對混凝土性能的影響較小[4]。由于高強度等級混凝土的水灰比很低，水泥漿體和界面過渡區力學性能得到了顯著改善，骨料性質對混凝土性能的影響較大[5]。本文研究了骨料級配對普通和高強度等級混凝土工作性能、力學及耐久性能的影響，并探討了其作用機理。
1 試驗原料與方法
1.1 原材料
水泥：海螺牌PⅡ 42.5硅酸鹽水泥。
粉煤灰：二級低鈣粉煤灰，45μm 篩余25.8%，燒失量6.7%。
集料：選用級配良好的石灰石質機制砂（最大粒徑5mm，細度模數1.95），石子選用3~8mm、8~15mm 及15~25mm 三種石灰石質碎石。骨料級配見表1 所示。
減水劑：江蘇博特PCA（Ⅰ）型聚羧酸高效減水劑，減水率30%。
1.2 試驗方法
采用立升重方法測定了各級配下粗骨料的堆積空隙率，并采用文獻[6]的方法測試了粗骨料的表面積。
試驗制備了C30、C60 強度等級的混凝土，配合比見表1。
式中：S為離析程度（%）；Md 為圓柱體上部篩余骨料稱重；Mu 為圓柱體下部篩余骨料稱重。
將新拌混凝土成型為150×150×150mm 的立方體試塊，在20±1℃水中養護一定齡期后，按照GB/T50107-2010測定混凝土各齡期的抗壓強度。試樣養護28d后，鉆取Φ50×40mm的圓柱體，測定其真空吸水率（GB/T 50082-2009）。采用GB/T 50082-2009 規定的方法測定混凝土的氯離子擴散系數。
2 試驗結果與分析
2.1 混凝土工作性能
表2表明，粗骨料級配對不同強度等級混凝土工作性能的影響規律不盡相同。由三級配粗骨料制備的C30混凝土（C30-4）的坍落度最大，其抗離析性能也較好。相比之下，三級配粗骨料制備的C60混凝土坍落度最小，而C60-2混凝土（3~8mm骨料占20%，15~25mm骨料占80%）的坍落度最大，C60混凝土的抗離析性能均好于C30混凝土。
2.2 力學性能
雖然混凝土的配合比完全相同，由于粗骨料級配不同，混凝土各齡期強度存在一定差異。就C30混凝土而言，采用小粒徑骨料制備的C30-1混凝土的各齡期強度均較低，其7d、28d、90d 抗壓強度分別為23.9MPa、31.5MPa 和37.3MPa。相比之下，C30-2 和C30-3混凝土的各齡期強度有一定程度的增加。雖然C30-4混凝土的7d強度較低（僅為23.5MPa），但其28d和90d 強度高達36.9MPa 和42.1MPa，較C30-1分別提高了17%和13%，說明三級配粗骨料配制的混凝土具有較高的后期強度。
粗骨料級配對C60混凝土早期強度的影響與其對C30混凝土強度影響規律一致，即大粒徑粗骨料所占比例較高時，混凝土的早期強度較高。采用三級配粗骨料制備的C60-4 混凝土各齡期強度較低，而采用3~8mm 和15~25mm 配制的C60-2混凝土的7d、28d 和90d強度最高，分別為46.6MPa、67.9MPa 和70.4MPa，說明高強度等級混凝土的最佳粗骨料級配與普通強度等級混凝土的最佳粗骨料級配不同，合理的粗骨料級配可在一定程度上提高混凝土的強度。
2.2 耐久性能
混凝土的耐久性與其連通空隙含量密切相關，本文測定了養護28d后C30和C60混凝土的真空吸水率和氯離子擴散系數，以表征混凝土的耐久性，其結果如表3所示。小粒徑粗骨料含量較高的混凝土（例如：C30-1和C60-1）真空吸水率和氯離子擴散系數較大，其他混凝土的真空吸水率和氯離子擴散系數沒有顯著差別。與C30混凝土相比，C60混凝土的真空吸水率和氯離子擴散系數均較低，說明高強度等級混凝土結構較為密實，耐久性指標也較高。
3 討論
粗骨料對混凝土性能的影響主要分為兩方面：①粗骨料的堆積狀態（堆積密度等），主要影響骨料在混凝土分布的均勻性、新拌混凝土的穩定性及混凝土的力學性能。在一定條件下，可以簡單認為粗骨料的初始堆積密度越高，混凝土的各齡期強度越高[7]。②相同骨料體積下，粗骨料級配決定了其比表面積，進而決定了界面過渡區的數量，而界面過渡區對混凝土的強度和耐久性具有顯著影響[8]。
為闡明粗骨料級配對混凝土性能的影響機理，測定各級配下，粗骨料的堆積空隙率和比表面積，探討了兩者與混凝土強度間的關系。表3表明，C30-1和C60-1采用粒徑較小的兩級粗骨料，其堆積空隙率較高，粗骨料比表面積較大；C30-3和C60-3采用較粗的兩級粗骨料，其堆積空隙率也較高，但其比表面積較小；C30-2和C60-2采用最小和最大的兩級粗骨料，其堆積空隙率較低，比表面積較小；而C30-4和C60-4采用三級粗骨料，其堆積空隙率也較低，但其比表面積較大。
當粗骨料比表面積相差不大時（C30-2與C30-3），粗骨料堆積空隙率越小，混凝土早期和后期強度越高。例如，C60-2混凝土粗骨料堆積空隙率最低，其早期和后期強度影均較高，但粗骨料堆積空隙率對C30混凝土強度的較小。當粗骨料堆積空隙率相差不大時（C60-2 與C60-4），粗骨料比表面積對C60混凝土強度影響不顯著，而當粗骨料堆積空隙率較低，且粗骨料比表面積較小時（例如C30-4），混凝土的后期強度才較高。
綜上所述，粗骨料級配對不同強度等級混凝土的影響機制不盡相同。對普通強度等級混凝土（C30）而言，粗骨料堆積空隙率和比表面積均對混凝土的強度有影響，但比表面積影響更大一些，特別是對混凝土的早期強度。其原因在于：普通強度等級混凝土最薄弱環節是其界面過渡區，粗骨料比表面積直接決定了界面過渡區的數量，從而影響混凝土的強度[8,9]。由于高強度等級混凝土的膠凝材料用量較大且水膠比較低，水泥漿體和界面過渡區的性質得
到了顯著改善，導致粗骨料比表面積對高強度等級混凝土性能影響較小。此時混凝土的強度（特別是后期強度）等性能主要受粗骨料堆積空隙率的影響[10]。因此，在配制不同強度等級混凝土時應選擇合適的粗骨料級配。
4 結論
①粗骨料級配對不同強度等級混凝土性能的影響機制不同。粗骨料比表面積對普通強度等級混凝土性能影響較大，而粗骨料堆積空隙率對高強度等級混凝土性能影響較大。
②配制普通強度等級混凝土時，適宜采用三級配的粗骨料（連續），而兩級配粗骨料（非連續）制備的高強度等級混凝土性能最佳。
參考文獻：
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編輯：金哲
