不同单轴抗压强度及不同级配的粗集料碎石进行混凝土施工
【摘要】为了探究粗集料强度、级配与路面混凝土抗弯拉强度之间的关系，在某省道路面加铺试验段中采用了不同单轴抗压强度及不同级配的粗集料碎石进行混凝土施工，养生结束后取芯测定抗弯拉强度。试验结果表明：集料的强度越高，其混凝土的抗弯拉强度能够得到一定程度的提高，而级配对混凝土的抗弯拉强度影响更大。
集料是混凝土中最主要的组成材料。对于水泥混凝土来说，粒径在5mm以上者，称为粗集料;粒径在5mm以下者，称为细集料。过去在很长一段时期内，许多学者都将集料视为混凝土中的惰性成分，认为其除了级配外，骨料的其他特性如强度及级配等对水泥混凝土以及水泥路面性能几乎没有影响[1]。然而，粗、细集料在水泥混凝土中占有约80%的比例。因此，集料的特性如强度及级配对水泥混凝土的力学性能的形成的重要性不言而喻。为了进一步探究集料对水泥混凝土强度的作用，有必要研究集料特性如强度对水泥混凝土力学性能的影响。本文通过试验研究，探索了粗集料强度、级配与路面混凝土抗弯拉强度之间的关系，为路面水泥混凝土施工中粗集料的选用提供相关经验。
1. 同一级配不同强度粗集料对混凝土抗弯拉强度的影响
1.1 试验方案。
(1)某省道路面加铺工程，加铺26cm厚度的水泥混凝土面层，路面设计弯拉强度为5.0MPa。为了探明粗集料强度与路面混凝土抗弯拉强度之间的关系，试验段路面水泥混凝土采用了四种不同强度、级配的粗集料，标准养生结束后取芯进行抗拉强度试验。试验方案如表1，各方案的粗集料筛分见图1，方案1和方案3的级配筛分结果见表2，方案2和方案4的级配筛分结果见表3。各方案均取芯14个，进行弯拉强度试验。
(2)由表5可知，4种方案混凝土的弯拉强度均满足强度评定标准。在碎石强度低(76MPa)的情况下，方案1采用5～40mm碎石施工的路面混凝土抗弯拉强度(平均值 5.34MPa)，与方案2采用4.75～31.5mm碎石施工的路面混凝土抗弯拉强度(平均值5.33MPa)相当;在岩石强度高(130MPa)的情况下，方案3采用5～40mm碎石施工的路面混凝土抗弯拉强度(平均值5.60MPa)，比方案4采用4.75～31.5mm碎石施工的路面混凝土抗弯拉强度(平均值5.95MPa)要低。同样级配情况下，方案1比方案3的抗拉强度低，方案2比方案4的抗拉强度低，说明粗集料的强度对混凝土的抗弯拉强度有一定贡献，粗集料的强度越高，其混凝土的抗弯拉强度能够得到一定程度的提高。
(3)从图2(a)、图2(b)可以看出，芯样破裂时，粗集料均与水泥浆形成整体共同受力而破坏，可见方案1和方案2都形成了骨架结构。从图2(c)、图2(d)可以看出，方案4碎石粗集料与水泥浆形成整体共同受力而破坏，形成了骨架结构;但是，方案3试件断面出现了水泥浆沿大粒径碎石表面剥离破坏的现象，可见部分粗集料与水泥浆没有共同受力。分析其原因，可能是最大粒径骨料含量较多造成断面上骨料与水泥浆接触面过大，而在水泥混凝土中，粗骨料和水泥浆的接触面是其薄弱环节，说明粗集料的级配对混凝土的弯拉强度的影响作用。
2. 同一强度不同级配粗集料对混凝土抗弯拉强度的影响
上述可见，要想让粗集料在混凝土中起到良好的骨架作用，应结合集料的强度选择级配范围，让集料与水泥浆最好的共同受力，为此，我们做了以下试验。
2.2.1 对于试验方案一：
(1)采用低强度的粗集料配制混凝土，级配越粗，弯拉强度反而越低(筛孔31.5的通过率6.3%，在三种级配比较中属于粗级配，弯拉强度只有5.7MPa;通过率7.4%，弯拉强度6.08MPa，而级配最细的级配3，弯拉强度能达到6.23MPa)。 (2)通过切开试件观察，级配三的混凝土，由于粗集料中粗颗粒较少，中等颗粒较为集中，集料间排布密实，互相形成了骨架，同时集料均与水泥浆形成整体共同受力，大大了增加了其抗弯拉强度。
(3)进一步深入分析试验一中的三种混凝土，选用Dmxa较小的粗骨料，水泥浆体和单个集料界面的过渡层周长和厚度均较小，难以形成大的缺陷，有利于界面强度的提高，这样，即使集料的单轴抗压强度不高，级配越细的混凝土抗弯拉强度由于级配的优化得到了提升。
2.2.2 对于试验方案二：
2.2.2.1 采用高强度的粗集料配制混凝土，三种级配下混凝土的弯拉强度均比低强度粗集料配制的混凝土大，也说明了，粗集料的单轴抗压强度对混凝土的整体抗弯拉强度是有一定贡献的。
2.2.2.2 从这三种级配的粗细分析，最粗级配的级配三(31.5的通过率只有3.6%)，其配制的混凝土弯拉强度反而最低，只有5.88MPa，而级配一和级配二均比其大，说明采用高强度碎石配制混凝土时，不能够盲目选择粗级配的粗集料。
2.2.2.3 但另一方面比较级配一和级配二发现，粗级配的粗集料对混凝土的整体抗弯拉强度又是有好处的(31.5通过率为4.2%的级配二，其配制的混凝土抗弯拉强度达到6.62MPa)，因此说明，级配的作用比单集料强度的作用更大，即级配对混凝土强度的影响更大。从后来三种级配下的混凝土切开观察得到证实：
(1)级配一：粗集料被大部分中小集料包围，粗颗粒间难以形成有效支撑，骨架作用主要体现在中粗集料之间的嵌挤作用，但此时还是有部分粗集料与水泥浆没有共同受力。
(2)级配二：粗集料间嵌挤密实，骨架作用明显，水泥浆与集料间充分结合，共同受力。
(3)级配三：粗集料的粗颗粒较大，局部形成了离析，水泥浆分布不均，无法与较多的粗集料共同受力。
3. 结语
3.1 通过上述的试验对比，对粗集料强度、级配与路面混凝土抗弯拉强度之间的关系取得了初步性探索，综合试验结果，可得到以下结论：
(1)粗集料的强度(单轴抗压强度)对混凝土的抗弯拉强度是有一定影响的，集料的强度越高，其混凝土的抗弯拉强度能够得到一定程度的提高。
(2)能够不破坏混凝土骨架作用的级配，其抗弯拉强度较高，级配对混凝土的抗弯拉强度的影响比粗集料强度大。
(3)对于单轴抗压强度较高的粗集料来说，最大公称粒径及最大粒径含量应适当减小，从而使粗集料与水泥浆形成整体
共同受力，形成骨架作用。
3.2 通过分析粗集料的强度与颗粒级配对混凝土强度的影响，由上述的颗粒级配与碎石强度、混凝土强度关系可知：粗集料的选择应综合考虑碎石的强度与级配相结合的原则。
(1) 当碎石强度较低时，不同盲目认为粗集料中粗颗粒越多，其骨架作用越强，宜充分比较优化整个混凝土的配比组成，选择较细的颗粒级配，利于骨架的形成。
(2) 当碎石强度较高时，也同样宜选择相对较细的颗粒级配，防止其破坏混凝土整体骨架性，这样即能发挥粗集料的强度作用，又能发挥混凝土整体的骨架作用。
参考文献
[1] 余勇.水泥混凝土路面病害机理及对策研究[D].武汉：华中科技大学，2006.
[2] GBJ 97-87，水泥混凝土路面施工及验收规范.
