粗骨料种类和粒径对混凝土性能的影响研究

吴晗?李慧?陈吴璇

摘 要：本文通过选用不同品种及不同粒径的粗骨料制备混凝土，研究粗骨料品种及其粒径大小对透水混凝土力学性能和透水性能的影响。研究结果表明天然粗骨料配制的透水混凝土不论是力学性能还是透水性能都要优于再生骨料配制的透水混凝土;相同来源的骨料粒径越大则抗压强度越低，透水性能越好。期望在此研究基础上能优化骨料在透水混凝土中的应用。

关键词：粗骨料;粒径;透水混凝土

随着城市化建设的不断推进，混凝土已经成为建筑工程领域中最为常见的一种建材，传统混凝土总是密实不透水，由此带来的城市水环境问题和热岛效应等问题愈发突出显著。透水混凝土因其具有高渗透、吸声降噪等性能，克服了传统混凝土透水性能差的问题，使得其在国内外众多工程中得以应用。本文以透水混凝土的两个主要性能指标：力学性能和透水性能为研究对象，从粗骨料种类、品质来对混凝土两大性能进行研究。

1 原材料

1.1 骨料：骨料粒径为 4.75mm～9.5mm 的单级配石灰岩碎石，达州碎石厂。物理性能如下表1：

1.2 水泥：PII52.5级普通硅酸盐水泥，其中石灰的掺杂量低于5%，南京小野田水泥有限公司。其主要技术性质如下表2：

1.3 减水剂：巴斯夫 F10 三聚氰胺减水剂，上海锴源化工科技有限公司。性能指标如下表3：

2 配合比的确定

在本试验中，需要找出一个使得混凝土具有相对较高的强度及较好的透水性的配合比作为该试验配合比设计的基準。通过参考其他学者的研究成果之后，将试验对照组的配合比确定为：集灰比为4.3，水胶比为0.25，骨料粒径为4.75mm～9.5mm，以此组配合比作为整个试验的基准， 在此配合比的基础上通过改变水胶比进行进一步探究。

3 实验过程

采用分词投料法使水泥能够均匀包裹在骨料表面，投料之前先用湿抹布润湿搅拌机，然后将称好的减水剂加入水泥中搅拌均匀。再将骨料和胶凝材料与外加剂的混合物加入搅拌机中搅拌 60 秒使骨料与石子充分混合。为了使拌合物中水分比较均匀故水的加入则分三次进行，三次加水的时间间隔为 40 秒。待最后一次水加入后再搅拌 60 秒。

搅拌结束后，立即将新拌的透水混凝土装入试模中，采用分层振捣与重力击实相结合的方法，用捣棒从外侧向中心螺旋插捣20次，然后用制的击实仪对混凝土进行击实，考虑到每层浇筑时要使分层处也紧密粘结，决定将一、二、三层的击实次数定为 3，3，6 次，保证透水混凝土的密实性，最后抹平收面，放入标准养护箱养护24h后拆模，继续养护28d。后测定透水混凝土各类性能：力学性能和透水性的测定。

4 实验数据测定方法

4.1 抗压强度：根据我国《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002） 中的规定，普通混凝土的抗压强度应按照下式计算：

式中，

fcc，透水混凝土试件的抗压强度，MPa;

F，透水混凝土试件的破坏荷载，N;

A，试件的承压面积即横截面积，m2。

由于本试验制作得的试件为底面直径 100mm，高 200mm 的圆柱体试块，由于与国内标准立方体试150mm×150mm×150mm 不同，根据学者辛雁清的研究，在相同配比及制作工艺的条件下，高度h与最大底面长度d会对抗压强度产生影响。同样，内维尔也在大量的试验及其分析中建立了抗压强度与不同尺寸及不同形状试块之间抗压强度的转换，即内维尔公式：

式中：

P，所测得的抗压强度，MPa;

P0，转化得标准立方体试件的抗压强度，MPa;

h，试件底面直径，in;

d，试件高度，in;

V，试件的总体积，in3。

抗压强度采用抗压强度试验机测得再根据内维尔公式转换即可的到圆柱形试件的抗压强度。

4.2 有效孔隙率：使用质量法测定透水混凝土的有效孔隙率是实验室甚至是现场最常用的透水混凝土有效孔隙率的测定方法，根据杨婷惠的研究，测定方法如下： 首先，将整个试件完全浸没到水中，等到无气泡产生并且质量无变化及读数稳定时，读出试件的质量记作m1;其次将试件取出放置在空气中至少24小时晾干，之后每间隔2小时测量一次试件的质量，待连续两次质量无变化时，测出透水混凝土试件的质量记作m2。再根据体积公式计算出透水混凝土试件的总体积记作V，则可求出该试件的有效孔隙率Qe为：

式中：

m1，试件在水中的质量，g;

m2，试件在空气中的质量，g;

V， 试件的总体积，cm3;

ρw，水的密度，g/cm3。

4.3 透水系数：一般来说，渗透系数的测定方法分为固定水头法和变水头法两种，通常情况下，渗透性很差的材料（一般渗透性小于 0.001cm/s）因为流量太小会导致测量误差过大，而只由粗骨料为骨架的透水混凝土透水系数较大，一般大于 0.3cm/s，因此采用固定水头法测定。

要想求得透水混凝土试件的渗透系数，则需要计算出水力梯度 i 以及透水混凝土试件中水流的渗透速度，水流的渗透速度又可根据一段时间内透过试件的过水量 Q 求出，其计算公式为：

式中，

Q，测定时间 t 内试件的过水量，cm3;

试件的截面面积，cm2;

t，测定时的时间段，s。

根据上式计算出渗透系数 v 之后，可根据下式计算出透水系数：

5 实验结果与分析

5.1 粗骨料种类对透水混凝土性能的影响

本次试验以三种不同的粗骨料但构造相同的颗粒级配（粒径范围在5mm-10mm设计的集灰比4.3，水胶比分别为0.25，0.30，0.35），分别对这几种不同粗骨料设计的透水混凝土力学性能和透水指标进行测试，分别得到28d 抗压强度和有效孔隙率、透水系数数据如下表所示：

结合以上三表和三个数据分析图可以看出：种类不同，粒径相同的粗骨料在不同水胶比下制备的混凝土对混凝土力学性能和透水性能的影响趋势相同，即天然骨料的抗压强度大于再生骨料A大于再生骨料B，天然骨料的有效孔隙率大于再生骨料A大于再生骨料B，天然骨料的透水系数大于再生骨料A大于再生骨料B。

从针片状含量看，天然骨料的针片状含量高于A的针片状含量高于B的针片状含量，由于骨料中针片状的颗粒会使混凝土的空隙率变大，受力后还容易被折断，使得混凝土强度降低。这是掺入再生骨料A和再生骨料B制备的混凝土抗压强度低的原因。

从吸水率看，由于再生骨料的吸水率高于天然骨料，使得骨料的可用净水灰比降低，导致在搅拌混凝土时，水泥浆因为净水灰比的降低而变得干硬，与骨料不能充分粘结，致使堵塞了骨料之间的间隙，使之不能形成上下联通的透水通道，最终导致了透水性能差。

根据相关研究论述，在一般粗骨料配置的混凝土中，力学性能主要由水泥浆体强度来决定，但是在粗骨料强度偏低时则取决于骨料强度。本实验中天然骨料的压碎指标远远低于再生骨料，再生骨料的强度低于天然骨料，从而可能导致了再生骨料制备的混凝土由再生骨料强度决定从而偏低，天然骨料配制的透水混凝土强度主要取决于水泥浆的强度。

5.2 粗骨料粒徑对透水混凝土性能的影响

本次试验以骨料种类相同而颗粒级配不同的再生骨料配制透水混凝土，（其中集灰比4.0，水胶比分别为0.25，0.30，0.35），对这几种不同粗骨料设计的透水混凝土力学性能和透水指标进行测试，分别得到28d 抗压强度、有效孔隙率、透水系数数据如下表所示：

从以上三表和三图分析，不同配合比设计对透水混凝土力学性能和透水性能影响十分大，其中水胶比越大，透水混凝土力学强度稍微降低，但透水系数和联通孔隙率都相应上升。在相同配合比下，骨料粒径对透水混凝土的力学性能和透水性能影响显著，粒径越小则透水混凝土强度越高，透水性能越差。这主要是因为水泥用量一定时：

5.2.1 骨料粒径越小，比表面积越大，骨料间接触面积越大，胶结面积越大，力学性能越好。

5.2.2 从再生骨料本身性质来看，骨料粒径越大，孔隙率越大，透水性越好，从而导致了抗压强度等力学性能越差。

6 结语

6.1 骨料种类对透水混凝土性能影响较大，天然粗骨料配制的透水混凝土不论是力学性能还是透水性能都要优于再生骨料配制的透水混凝土，

6.2 不同再生骨料中品质好的再生骨料所配制的混凝土透水性能和力学性能较之于品质差的再生骨料所配制的混凝土更加优异。

6.3 相同品质的骨料，骨料粒径对透水性能和力学性能有所影响，粒径越大，透水性能越好，力学性能越差，同时不同配合比对透水混凝土力学性能和透水性能影响较大，其中水胶比越大，力学性能降低，透水性系数和有效孔隙率增加。

作者简介：吴晗，男，汉，出生日期1999.11.28，学生，本科在读，  就读于金陵科技学院。