混凝土用骨料:粗骨料

2021年7月6日11:50:24 1 2,758

中铁五局华南公司 朱永清



这是混凝土骨料系列的第一篇文章,主要探讨骨料在混凝土中的作用,该系列文章有以下系列组成:

混凝土用骨料:骨料的作用

混凝土用骨料:细骨料

混凝土用骨料:粗骨料(本文)

混凝土用骨料:骨料的指标



1 、 粗骨料在混凝土中的作用

粗骨料在混凝土中占据的体积最大,大概占混凝土总体积的40%,是混凝土的骨架,而且在混凝土漫长的水化反应过程中,粗骨料的体积在混凝土中不发生变化,最大程度保证了混凝土的体积稳定性。所以,从本质来说,在混凝土中使用粗骨料是为了提高混凝土的体积稳定性,使混凝土形成稳定结构。此外,多用粗骨料可以减少胶凝材料的用量,对工程而言不仅是经济的选择,减少胶凝材料用量很大程度减少了混凝土的收缩,进一步提高混凝土的体积稳定性。

粗骨料在混凝土中的本质作用是提高混凝土的体积稳定性,但是粗骨料品种选择不当也会给混凝土的体积稳定性、工作性甚至强度带来不利影响。所以对粗骨料的选择和使用需要慎重,更需要对混凝土知识有深入的理解。

2 、粗骨料对混凝土的影响

2.1、 粗骨料的强度

对本行业的技术人员来讲,粗骨料的强度始终是重点关注的对象,骨料的母岩强度、压碎值两个指标常常是重点关注对象。

在人们的普遍认识中,粗骨料的母岩强度在很大程度上代表了骨料的强度,也是选择骨料的依据之一。有些骨料的母岩强度可超过200MPa。但80MPa的岩石仍然可以生产出优质骨料,所以选择骨料并非母岩强度越高越好。但母岩立方体抗压强度也不能完全代表粗骨料的强度,立方体抗压强度通常用50mm×50mm×50mm的立方体试件测得,立方体试件中可能含有软弱夹层或者层理机构,而粗骨料中的软弱成分会更少,此外,立方体抗压是在无侧限情况下测得,这与骨料在混凝土中三维空间受约束的情况不一致。

人们总希望使用高强度的骨料,以提高混凝土的强度,本质上,如果骨料强度低于水泥浆强度,在承受荷载时会先破坏,使混凝土强度降低,所以骨料强度要大于混凝土强度,通常以大于混凝土强度的1.5倍来作为选择骨料的控制标准。但是在骨料强度已经明显超出水泥浆强度的情况下,骨料强度提高对提高混凝土强度已经没有作用,因此追求过高的骨料强度,会将一些优质骨料排除在外。经验表明,选择骨料强度时以高于混凝土强度20MPa作为骨料选择的标准是合适的。

2.2、骨料的颗粒粒形和表面特征

值得提出的是,骨料的表面特征和构造同样会对混凝土强度造成影响,表面越粗糙,骨料与水泥石的粘结越好,这有利于混凝土强度,也是碎石和卵石设计配合比时用不同回归系数的原因。骨料粒型的圆润度、棱角对混凝土的工作性会有一定影响,一般来说,粒型圆润、棱角不突出的骨料之间的阻力会减小,混凝土更容易流动,且骨料更容易分布均匀,容易形成均匀密实的结构。遗憾的是,目前并没有得出骨料的表面形态与混凝土强度和工作性之间定量的相关性,所以更应该通过混凝土试验来选择骨料。

骨料的压碎值是表征骨料强度的一个指标,也是表征骨料颗粒粒形的指标。该试验方式希望能模拟混凝土受压破坏的状态来评价骨料承受荷载的能力。但压碎值不能代表母岩强度,有些岩石虽然母岩强度很高,但压碎值却不容易达到要求,如部分花岗岩,此外骨料中针片状颗粒会增加骨料的压碎值。此外,压碎指标值这一试验方法存在着局限性,并不能明显地界定骨料的力学性能。我国公路标准中压碎值试验要加载到400kN,对于一些软弱的骨料,其压碎值达到25%后便不会增加,这是因为在加载到规定荷载前软弱颗粒已经破碎,空隙已经被填充,继续加载破碎数量较少。即使较硬的骨料,加载到400kN,很多已经破碎,这导致能够达到这一要求的骨料很少,很多情况下会将一些可以满足使用要求的骨料排除在外。所以在选择混凝土骨料时不能以压碎值为唯一判定指标。

2.3、骨料的最大粒径

骨料的规格也就是骨料的粒径大小。选择骨料粒径大小的主要依据有几点:钢筋最小间距、混凝土结构最小尺寸、及混凝土输送管的内径等。一般地,骨料的最大粒径不超过钢筋最小净间距的3/4,结构截面最小尺寸的1/4,对于需要泵送施工的混凝土,骨料的最大粒径不超过输送管内径的1/3。这些数据是经验积累的过程,这样选择的目的是为了让混凝土中的骨料能够顺利通过障碍物、增加混凝土结构的整体均匀性,已经被写入了混凝土标准,这样的规定是十分恰当的。粗骨料的最大粒径并非越小越好。

骨料的规格并非越小越好,在混凝土包裹性方面表现特别突出。粒径小的骨料拥有更大的比表面积,单位质量的骨料需要更多的浆体来包裹,小粒径的碎石使用过多通常会出现包裹性差、颗粒表面润滑性不足,颗粒之间的摩擦力增大,混凝土流动性差,不易施工,这不利于混凝土形成均匀密实的结构。如果再追求大流动性,则会加入更多的减水剂造成混凝土离析、泌水或产生大量浮浆,因此混凝土用粗骨料的最大粒径不应由人拍脑袋决定,而应该由混凝土的结构和施工的工艺及设备决定。

2.4、骨料级配

在本网站文章《混凝土用骨料:骨料的作用》一文中已经指出,混凝土的流动是靠颗粒从小到大一级一级推动的,所以骨料应该是有不同粒径的颗粒组成,经长期的实践,人们对不同粒径颗粒所占的比例给出了范围,来指导本行业的技术人员来选择骨料级配。也正是由于既有的经验参考,后来的技术人员往往忽略或者不能理解骨料级配的作用,选择时出现了不恰当的做法。

对骨料级配作用的解释有两方面:第一,如上文所述,骨料颗粒自小到大一级一级推动,使混凝土中的骨料能够均匀分布,形成均匀而稳定的结构;第二,小颗粒的骨料填充了大颗粒骨料之间的空隙,使骨料间的空隙率减少,减少了水泥浆的用量,从而减少了混凝土因水泥水化反应产生的收缩,增加了混凝土的体积稳定性。

这两个解释本身没有问题,但为了满足骨料这两方面的作用,在骨料的选择上出现了问题,尤其是为了满足骨料的最低孔隙率,刻意去追求最佳级配,这对混凝土的工作性造成了严重的不利影响:小粒径的碎石(尤其是5-10mm)的颗粒使用量过高,造成混凝土的包裹性差,这种最低孔隙率增加了粗骨料之间的摩擦力和机械咬合力,进一步限制了混凝土的流动,这时如果依靠增加水或者减水剂来提高混凝土流动性,则很容易出现离析、泌水的情况,使混凝土结构出现更多缺陷,伤害结构耐久性。

在现实中,有人设计的骨料比例中,5-10mm碎石占粗骨料总量高达30%-40%,更加促进情况恶化的是,很多技术人员把粗骨料和细骨料分开理解,计算粗骨料用量时没考虑细骨料中2.36mm以上的颗粒含量,这导致混凝土中2.36-10mm这一范围的颗粒用量非常多,达到甚至超过混凝土骨料总质量的40%,这是极不合理的,对混凝土的工作性造成极大伤害。

2.5 、其他有害物质

2.5.1、粗骨料含泥量

粗骨料的含泥量是指粗骨料中小于0.075mm颗粒含量,主要来自于生产过程,碎石破碎过程中产生的石粉或者母岩夹层中含有泥土,这些细颗粒的主要影响是导致混凝土需水量增加,含量过高时会导致混凝土变的粘稠,降低了工作性。值得提醒的是不同种类的泥的影响差别很大,如果骨料生产过程中夹带了云母、膨胀土或者淤泥,带入的泥吸附减水剂的能力特别大,可能对混凝土的工作性影响特别大,所以骨料含泥量的控制应区别对待,结合混凝土试验来判断对混凝土拌合物的影响,以此来确定控制参数。

2.5.2、有害化学物质

粗骨料中的有害化学物质包括氯离子、硫化物及硫酸盐等,钢渣骨料会含有游离氧化钙。氯离子会加速钢筋腐蚀,粗骨料中氯离子超标并不常见,但应注意富含盐类矿物地区生产的粗骨料。硫酸盐在混凝土中有可能造成结晶膨胀破坏,也可能生成大量的钙钒石而膨胀导致混凝土结构破坏。含有石膏矿物的地区尤其注意。钢渣是生铁炼钢过程中产生的废渣,钢渣中富含游离氧化钙,而且这种游离氧化钙的反应速度极慢,即使堆放多年仍然有大量的游离氧化钙无法消解,因此钢渣是禁止作为混凝土骨料使用的,如果要用时,必须经过特殊工艺处理,待其中的游离氧化钙消解至没有危害方可使用。

2.5.3、碱活性

骨料的碱活性令很多人谈虎色变。事实上碱骨料反应的案例并不多,所发生的案例也存在融冰盐、混凝土裂缝、钢筋锈蚀等诸多因素共同作用,并非完全由碱骨料反应发生的破坏。

骨料的碱活性影响到混凝土耐久性,发生碱骨料反应的混凝土可能会出现膨胀开裂,但不绝对。粗骨料的碱活性分为碱-硅酸反应和碱-碳酸反应。

对于骨料是否具有碱活性,主流的判断方法有岩相分析法、砂浆棒法、快速砂浆棒法、岩石柱法。岩相分析法只能定性分析,不能做定量分析,虽然能够鉴别骨料的矿物组成,能确定有可以发生碱骨料反应的物质存在,但不能证实给定的矿物质会引起有害膨胀。定量分析最常用的方法是快速砂浆棒法,但快速砂浆棒法使砂浆棒在80℃的1mol/L氢氧化钠溶液浸泡养护,这种方法过分超出了混凝土的服役环境,这种情况在自然界中是不存在的,虽然它的试验周期较短,但这种苛刻的试验方法过分扭曲,苛刻的条件会将多自然界本来不会发生反应的激发出来,并非只是加快了自然界中的反应速度。它会将很多不会发生碱-骨料反应的骨料也排除在外,简单说就是“宁可错杀三千,不可放过一个”。同样令人不解的是,快速砂浆棒法目前被当着判定性方法在使用,部分行业的验收标准也以快速砂浆棒法的的结果为判定规则,这显然是不恰适的。这里需要着重提醒的是快速砂浆棒法不能判断碱碳酸-反应活性骨料,因此石灰岩骨料不能使用快速砂浆棒法来判断骨料碱活性,而是采用岩石柱法,石灰岩骨料存在碱碳酸反应的可能性微乎其微。

对于一个地区的骨料是否会发生有害的碱-骨料反应,调查该地区历史上的混凝土结构物也是重要的参考手段,如果历史上没有发生碱骨料反应的先例,那个该地区的骨料基本是没有问题的,如果有类似的情况,就应该采取应对措施,采取应对措施或者采取抑制碱骨料反应的措施。

矿物掺合料(粉煤灰、磨细高炉矿渣粉、火山灰等)能够有效抑制碱-硅酸反应,这已得到证实有效且被大量采用,其原因可能是矿物掺合料在混凝土中的二次反应消耗了大量的Ca2-,使混凝土液相中Ca2-浓度降低,但更为详细的原因目前并不清楚。

混凝土中的碱和硅酸发生反应并破坏混凝土结构才有危害,也就是既要发生反应,反应产物还要膨胀,膨胀量还需要达到能够破坏混凝土内部结构的程度。这些条件要完全满足是很不容易的。并且只要让其中一个条件不能达到,也能够保证混凝土结构的安全。所以当发现骨料碱硅酸反应试验不满足规定要求,特别是使用快速砂浆棒法试验不满足要求时,还需要慎重分析。特别在料场选择时,宜同时进行砂浆棒法和抑制性试验,砂浆棒法只提高了养护温度,没有强碱性溶液的浸泡,避免激发自然界中不会发生的反应,而抑制性试验室破坏了碱骨料反应的条件,同样可以保证工程结构的安全。

在当今原材料选择范围越来越小的情况下,骨料的选择一定要慎重对待,不要因为一两个指标而放弃一个优质料源。

3 、结束语

粗骨料在混凝土中的本质作用是提高混凝土的体积稳定性,那么粗骨料的选用应该紧紧围绕着这一本质作用:粗骨料中的有害物质不能危害到混凝土的体积稳定性,同时粗骨料的性能也不应有损混凝土的其他性能,如强度、耐久性和工作性。了解到这些作用及不利的影响对粗骨料的选择是至关重要的,避免选择到有损混凝土结构的粗骨料,也避免排除过多可用骨料选择昂贵而不经济的骨料。

朱永清
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    • 红景天 红景天

      😄😄😄😄😄受用了,谢谢