粗骨料性质对混凝土弹性模量影响的相济实验研究

粗骨料性质对混凝土弹性模量影响的相济实验研究

郭张锋

中铁二十局集团第三工程有限公司重庆400065

摘要：通过改变粗骨料各参数，研究了粗骨料种类（硬度和弹性模量）、用量、粒径和粒型等参数对混凝土弹性模量的影响规律，并结合SEM与相应的理论知识分析了骨料参数变化对混凝土弹性模量影响的机理。研究发现，混凝土的弹性模量随着粗骨料硬度和弹性模量、以及用量的提高而提高；粗骨料针片状颗粒含量增加或偏离三维均匀尺寸，则会降低混凝土的弹性模量；粗骨料的最大粒径对弹性模量也有影响，对于C40混凝土当最大粒径为25mm时，混凝土弹性模量最大。经过分析，粗骨料种类和用量是通过复合材料组成的变化而改变弹性模量的，粒径和粒型则是通过改变界面过渡区而改变弹性模量的。

关键词：粗骨料混凝土弹性模量

Abstract：Theinfluencelawofparameterssuchascoarseaggregatetype(hardnessandelasticmodulus),dosage,particlesizeandgrainshapeontheelasticmodulusofconcretehasbeeninvestigatedinthispaperbychangingtheparametersofcoarseaggregate.ThemechanismoftheinfluenceofaggregateparametersonconcreteelasticmodulusisanalyzedwithSEMresultandtheoreticalknowledge.Itisshownthat,theelasticmodulusofconcreteincreaseswiththehardness,amountandmodulusofelasticityofcoarseaggregates.Withtheincreasingthecontentofneedle-likeandflakyaggregates,theelasticmodulusofconcretedecreases.Themaximumsizeofcoarseaggregatealsoaffectstheelasticmodulus.WhenthemaximumsizeofcoarseaggregateinC40concreteis25mm,theconcretehasthelargestelasticmodulus.Thetypeandamountofcoarseaggregatecanchangethecompositionofthecompositetocauseachangeinelasticmodulus.Theparticlesizeandshapecanchangetheinterfacialtransitionzonetocauseachangeinelasticmodulus.

Keywords：coarseaggregate；concrete；elasticmodulus

1?概述

弹性模量是材料的重要力学指标，表征了材料所受应力与产生应变之间的关系，混凝土的弹性模量则表征了混凝土在弹性范围内应力和应变的比例关系，反映了其在短期外力作用下抵抗变形的能力[1]。在实际工程中，弹性模量直接影响到混凝土结构的体积变形和张拉施工控制。随着我国高速铁路、公路和地铁等工程的大面积推广，以及市政路桥、铁路、水利等工程的大量建设，后张法预应力混凝土结构、挂篮法施工的大跨混凝土结构、需要进行裂缝控制的大体积混凝土等结构的比重越来越大，这些结构均涉及到混凝土的变形问题，而这些变形问题又与混凝土的弹性模量有着密切的关系。因此，在进行具有弹性模量要求的混凝土选材和配合比设计时，对混凝土弹性模量的合理控制显得非常重要。

影响混凝土弹性模量的因素较多，有混凝土原材料的因素，也有混凝土自身细观结构的因素，还有一些外部的因素。其中混凝土细观结构和外部因素与施工和管理水平有很大关系，因此在施工与管理水平相近或达到一定水平的前提下，原材料的影响即成为决定混凝土整体弹性模量的关键因素[2]。而在混凝土各种原材料中，骨料特别是粗骨料的种类、规格和用量对弹性模量的影响较为显著。由于我国交通工程建设地域分布广，骨料等地材差异大，致使混凝土的弹性模量难于控制，为此，本项目拟研究了混凝土粗骨料种类、用量、粒径、粒型等参数对混凝土弹性模量的影响规律及影响机理，从而为混凝土的选材和配合比设计提出必要的参考和作业指导[3]，以缩短施工进度、提高施工效率。

2实验原材料和实验方案

2.1原材料

水泥，选用金隅鼎鑫水泥厂生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。

细骨料选用正定产细度模数为2.7的II区水洗中砂，表观密度为2.63g/cm3，含泥量1.2%、泥块含量0.5%。

粗骨料分别选用了石灰石、大理石、花岗岩、玄武岩1、玄武岩2五种骨料，其相应信息详见表1。

掺合料，为了降低多种掺合料对混凝土弹性模量带入的影响，本研究只选用了河北华能上安电厂II级粉煤灰作为掺合料，细度为11%，需水量比98，烧失量为5.1%。

外加剂选用河北金舵聚羧酸高性能减水剂，减水率为26.6%，含气量2.8%，与水泥适应性良好。

2.2实验方案

表1不同粗骨料的信息表

图1同种骨料不同掺量的C50混凝土的弹性模量

从图表中可以看出，混凝土弹性模量基本都是随着砂率的减小或者粗骨料体积率的增加而逐渐增加，其原因主要有两个方面：第一，从宏观力学角度分析，粗骨料的增加使骨架作用得以增强而提高混凝土弹性模量；第二，从细观力学的角度我们又可把混凝土划分为粗骨料和砂浆，粗骨料作为分散相属于高弹性模量相，砂浆作为基体属于低弹性模量相，高弹性模量相的增加必然增加混凝土的弹性模量[7]，所以砂率的逐渐降低使得粗骨料相对比例提高，最终使混凝土弹性模量提高。这一点也是符合公式1关于串联结构的混凝土弹性模量模型的，弹性模量高的粗骨料含量Va增加，将使混凝土整体的弹性模量Ec提高，故在上述配比中混凝土弹性模量随着粗骨料的体积率逐渐增加而增加。

3.3颗粒形状对混凝土弹性模量影响的研究

为了研究粗骨料外形对弹性模量的影响，分别向混凝土中加入不同掺量的针、片状颗粒，拌制不同强度等级的混凝土并在规定龄期测定弹性模量。在各等级的混凝土中，使用石灰岩做为粗骨料，以表5所示的各强度等级混凝土为基准配比，在此基础上用不同质量针片状颗粒等量取代粗骨料，取代量分别为5%、10%、15%、20%。各针片状含量混凝土的弹性模量列于表6和图2中。

表5不同针片状含量混凝土弹性模量值

从表中和曲线图中可以看出，随着混凝土中针片状颗粒含量的增加，混凝土各龄期的轴心强度和弹性模量总体均呈下降趋势。并且在各条曲线上均有一个较明显的转折点，针片状颗粒含量小于此数值时，下降趋势较为缓慢，含量超过此点后，下降幅度增大。

由于普通骨料混凝土属于软基模型，即基体（砂浆）的弹性模量小于骨料，故在混凝土受到应力作用时，首先是水泥石或砂浆等基体产生应变，随后基体材料的应变将应力传递给粗骨料，由于泌水作用，在粗骨料下方的界面过渡区较弱时会使粗骨料受到类似弯折应力，由四点弯曲法抗折强度计算公式（式2）可知，当粗骨料粒型较好即式中L、b、h比较接近时，粗骨料颗粒抗弯折变形能力较强，当三维尺寸中某一方向或者两个方向尺寸明显小于其他方向如针片状颗粒，由于b、h较小使其抗弯折变形能力明显降低，故随着针片状颗粒含量的增加，混凝土的弹性模量总体下降趋势。

图3是粗骨料与砂浆界面的SEM照片，从照片中可以看出，粗骨料下方有明显的脱空区域，其形成主要是由于硬化前，拌合水的泌出受到粒径较大的粗骨料阻挡，使水富集于粗骨料下方，形成高水胶比的水囊，形成界面过渡区的薄弱环节。针片状颗粒相对于正常颗粒有较高的比表面积，即体积更大的界面过渡区，在受力破坏过程中成为最薄弱环节，造成粗骨料与砂浆的分离，影响混凝土的强度和弹性形变特征。当针片状颗粒含量较低时，这些颗粒不能形成网络结构，其周围形成的界面过渡区、孔隙等类负中心质亦不能形成网络结构，对混凝土弹模影响较小[8]。当针片状颗粒含量增加到一定程度（10%）时，其网络结构会逐渐增强，对混凝土弹模的影响会更加显著。所以，随着针片状颗粒含量的增加，混凝土弹性模量会如图2所示，开始时下降较慢，当增加到一定程度后，弹性模量下降幅度加大。

图2C50混凝土弹模随针片状颗粒含量变化曲线

图3骨料界面过渡区SEM照片

3.4粗骨料粒径对混凝土弹性模量影响的研究

由于在实际生产中很少用最大粒径为31.5mm粗骨料配制C50混凝土，故为了研究粗骨料粒径对混凝土弹性模量的影响，本项目分别采用5～20mm、5～25mm和5～31.5mm的石灰岩碎石配置C40混凝土，为了体现粗骨料最大粒径对弹模的影响，实验中各等级配比保持粗骨料质量和体积一定。试件成型标养后分别测定7d、28d轴心强度和弹性模量。

表6不同粒径粗骨料C40混凝土的轴心强度及弹性模量

表7是用不同粒径粗骨料配制的混凝土轴心强度和弹性模量实测结果，从表中可以看出，用5～25mm碎石配制的混凝土弹性模量高于5～20mm和5～31.5mm碎石配置的混凝土。

粗骨料粒径主要是从三个方面对混凝土弹性模量产生影响的：粘结面积、界面过渡区内的水囊和分散相与基体的不均匀应变。首先，在粗骨料用量一定的条件下，粒径的增大会降低与砂浆的粘结面积，但对单个颗粒而言却由于颗粒过大而形成较大的泌水富集区域，这些区域水灰比较大，在干燥硬化后会形成弹性模量很低的包含孔隙和微裂纹等负中心质的薄弱区域，降低混凝土的弹性模量。再者，由于粗骨料弹性模量与砂浆和负中心质弹性模量的差异，粗骨料粒径较大时，在温度、荷载、干湿条件变化时，粗骨料和其他项之间存在较大应力而降低混凝土整体性，进而降低抗弹性变形的能力。

按照中心质假说的理论，在粗骨料总质量一定的前提下，随着骨料粒径的增大，使得混凝土内各级中心质尺寸趋于不均匀，粗骨料中心质数量减少，中心质叠加效应减弱，不能很好的形成网络，整体性下降，弹性模量降低[9]。

4结论

通过研究粗骨料对混凝土弹性模量的影响规律，得出如下结论：

(1)相同体积配比的情况下，混凝土的弹性模量随粗骨料弹性模量和硬度的提高而提高，具体规律为：大理石＜石灰石＜花岗岩＜玄武岩1＜玄武岩2。(2)随着各组分中弹模最大的粗骨料用量的提高，混凝土的弹性模量也逐步提高。(3)混凝土的弹性模量随着粗骨料中针片状颗粒含量的增加而降低，当针片状含量高于10%后，弹性模量下降较快。(4)粗骨料的最大粒径对混凝土弹性模量是有影响的，在C40混凝土中，最大粒径为25mm混凝土弹性模量高于最大粒径为20mm和31.5mm的混凝土。(5)经过理论分析，粗骨料种类和用量对弹性模量的影响规律，是通过复合材料组成的变化而改变弹性模量的，复合复合材料弹性模量的串并联理论；粒径和粒型则是通过改变界面过渡区而改变弹性模量的。

参考文献

[1]李艳茹，姜海波.混凝土骨料含量对弹性模量的影响预测[J].四川建筑科学研究，2012，（2）175-178.

[2]刘平，万泽青．复合材料等效弹性模量预测方法的改进[J]．扬州大学学报：自然科学版，2007，10(1)：21-23．

[3]帖锋斌．粗骨料材质对混凝土弹性模量的影响[J]．铁道建筑技术，2016(5)：108-110．

[4]周志涛.一种高性能混凝土制备方法的研究[J].铁道建筑技术,2015,(6):105-108.

[5]刘建军.SMC常温超薄罩面配合比设计及性能验证[J].铁道建筑技术,2018,(1).

[6]陈作荣，诸德超，陆萌．复合材料的等效弹性性能[J]．复合材料学报，2000，17(3)：73-77．

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[8]王瑶，周继凯，沈德建，等．混凝土中骨料-浆体界面过渡区的力学性能研究综述[J]．水利水电科技进展，2008，28(2)：89-94．

[9]应宗权，杜成斌．考虑界面影响的混凝土弹性模量的数值预测[J]．工程力学，2008，25(8)：92-96．

作者简介

郭张锋（1970—），男，工程师，现任职务：中铁二十局三公司副总工程师，主要从事混凝土耐久性方面研究。