砂石骨料与混凝土的关系

砂石骨料与混凝土的关系

作者：廉慧珍


 

砂石和混凝土质量的关系

我国在传统上把砂石称作混凝土的骨料，是因为岩石强度很高，对混凝土强度起很大作用，于是对砂石的选择主要看重强度，有解理的岩石，破碎的颗粒越小，针片状颗粒越多，致使公称粒径5mm～10 mm的颗粒需水量很大，其结果，名义上的“连续级配”实际上其中5 mm～10 mm的颗粒几乎没有。由此也可以说，造成石子现状也是用户误导的结果。双方对砂石在混凝土中的作用的理解都有误。

骨料和混凝土强度的关系
 

过去，在主要使用塑性混凝土的情况下砂石强度确实会不同程度地影响混凝土的强度；上世纪50年代末我国曾经有构件厂使用过干硬性混凝土，水灰比低、浆体含量少，拌和物没有坍落度，用V-B稠度仪检测时，工作度为20秒以上，只能用于预制构件，在高频振动台上加压强力振捣，工人劳动强度大，噪声震耳，而且能耗很大，不久就不再生产了。这样的混凝土强度取决于石子强度和浆体-石子界面的粘接强度，石子对混凝土强度的贡献显而易见。当时，一般使用低塑性混凝土(坍落度10 mm～30mm)和塑性混凝土(坍落度30 mm～50 mm、50 mm～70mm、90 mm～90mm)；上世纪初开始使用流态混凝土（坍落度100mm以上）；石子对混凝土强度的作用随浆骨比的增大而减小。在泵送混凝(坍落度150mm以上，当前普遍都超过200mm),石子在混凝土中呈悬浮状态，混凝土的强度基本上与骨料强度无关 。现在用颗粒强度很低的轻骨料(陶粒)已配制出高强(C50以上)泵送混凝土就是明证。在现代混凝土中，砂石在混凝土中的作用主要不是强度，但却是不可没有的关键角色。

然而，当水胶比一定时，砂石用量和粒径影响混凝土中界面过渡区的厚度和数量，因此对混凝土的强度有影响。

图4表明，当水胶比很大时，石子粒径对强度的影响不显著，水胶比越低，影响越大。水胶比一定时，净浆强度高于砂浆强度，砂浆强度高于混凝土强度。
 

石子最大粒径（cm）

图4 混凝土抗压强度和石子最大粒径的关系
 

砂石在混凝土中的骨架作用主要是稳定体积

大多数混凝土用的普通岩石线胀系数为5×10-6～13×10-6/℃，而硬化硅酸盐水泥净浆线胀系数为11 ×10-6～20×10-6/℃，二者相差约1倍。如果没有骨料，水泥净浆硬化后会产生很大的收缩，稍有约束，就会严重开裂。

混凝土的收缩Sc与水泥净浆收缩Sp之比取决于骨料含量a: Sc= Sp(1-a )n （ n为经验系数，变动于1.2～1.7，与骨料弹性模量有关 ）。由图5可见，混凝土水灰比越大，骨料用量对混凝土收缩的影响越大。在图6中可见，对混凝土塑性收缩影响的规律也是净浆＞砂浆＞混凝土，而混凝土水泥用量越大（骨料越少）影响越大。骨料对混凝土自收缩影响的规律也如此(见图7)。
 

水灰比

图5 骨料含量对混凝土收缩的影响

浇筑后时间（小时，对数）

图6 骨料对混凝土塑性收缩的影响

图7 骨料用量对混凝土自收缩的影响
 

骨料粒径和粒形对混凝土其他性能的影响
 

粒径的影响

图8和图9为骨料粒径与混凝土渗透性和抗冻性的关系。由图8可见，骨料水灰比越大，骨料粒径对混凝土渗透性的越大，砂浆的这种影响最小；图9表明骨料粒径大会降低混凝土的抗冻性。
 

水灰比

图8 骨料粒径和混凝土渗透系数的关系

冻融循环次数

图9 骨料粒径对混凝土抗冻性的关系
 

粒形的影响

对于满足一定强度和密实性要求的混凝土来说，拌和物的施工性是保证混凝土最后质量的最重要性质。对混凝土施工性来说，骨料的粒形有时比级配的影响还要大。理想的骨料粒形呈等径状（即宏观球形）。表面粗糙程度相同时，等径状骨料的比表面积最小，需水量最小，可以同时满足施工性和强度等硬化混凝土性质。表3 所示为某工程用不同骨料配制C60混凝土时的不同表现。用风化粗粒花岗岩的混凝土的坍落度为195mm时，28天强度可达71.3MPa，而乌石谷的石子属于致密石灰岩，强度高，但粒形不好，，因混凝土拌和物需水量大，在满足混凝土强度要求的水灰比下，拌和物流动性较差。如要保证坍落度也达到195mm，其措施一是增大用水量，即增大浆骨比，则既不经济，又会有更大的开裂敏感性；措施二是提高水胶比，则强度会达不到要求。在表3中，其所用水灰比降不下来，结果是强度达到68.8MPa时，坍落度才不到150mm，显然不如使用强度较低但粒形好的的风化粗粒花岗岩。
 

骨料的粒形明显影响自密实混凝土的施工性，如表4所示， K53和K60相比，K67和和K61相比，配合比相同，流动性一致，K53和K67（石子针片状颗粒为5%）能很好地通过钢筋，而K60和K61只因石子中的针片状颗粒多了2个百分点(7% )，遇到钢筋就被堵塞。
 

我国当前的混凝土“难做”和骨料粒形有很大关系。从我国目前常用石子粒形对比可以看出质量的差距。可用其与日本和中国常用石子作比较。在日本石子中找不到针、片状颗粒，而在中国的常用石子中，则针、片状显而易见，即使在尺寸上也少见等径状。

关于骨料的级配

骨料的连续级配即不同尺寸颗粒合理搭配的比例，目的是不仅得到最小的骨料空隙率，而且也得到最小的骨料比表面积，但是在骨料的生产中只能从数量上做到级配，却无法做到整体产品级配的均匀性。因为砂石这种产品是散粒状的堆积物，在装、卸、运输等的动力作用下，原来不同大小的颗粒混合均匀的整体，会发生小颗粒向下移动而大颗粒留在表面的现象，堆积成锥形后，在表面的大颗粒会沿着锥形的斜面滚落。于是料堆的级配就失去均衡，混凝土生产中在这样的料堆所取骨料也就没有了级配。因此西方发达国家的砂石料都是分级供应，使用时按要求自行级配，按级配分级投料。规范中的连续级配不是对生产者而是对使用者规定的。为了保证满足混凝土的需要，我国砂石标准至少应当对石子明确规定分级供应。我国已经有一些混凝土使用了用单粒级两级配或三级配后，混凝土水泥用量减少了20%左右，但是如果粒形不好，也做不出小于40%的石子空隙率。