通常对混凝土的研究,重点会放在水泥、水灰比、减水剂、活性矿物掺合料等方面,而忽视了约占混凝土体积四分之三的骨料。
而且研究一般偏重于对混凝土强度的影响,忽视了骨料对于混凝土工作性能及耐久性能方面的影响。
骨料,顾名思义在混凝土中它是骨架,起到支撑、抵制收缩的作用。
混凝土中骨料的质量约占混凝土总质量70%左右,是混凝土的基本组分,因此骨料的质量对混凝土的性能就有了举足轻重的影响。
含泥量是骨料质量指标之一,泥是指公称粒径小于0.08mm的颗粒,黏土和石粉是最基本和常见的组分,人工砂和碎石中的泥主要以石粉形式存在。
骨料含泥以包裹、分散和块状三种形态存在。
《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006对砂石含泥量、泥块含量做了如下规定: 对于有抗冻、抗渗或其他特殊要求的小于或等于C25混凝土用砂,其含泥量不应大于3.0%。
对于有抗冻、抗渗或其他特殊要求的小于或等于C25混凝土用砂,其泥块含量不应大于1.0%。
对于有抗冻、抗渗或其他特殊要求的混凝土,其所用碎石或卵石中含泥量不应大于1.0%。
当碎石或卵石的含泥是非黏土质的石粉时,其含泥量可由表3.2.3的0.5%、1.0%、2.0%,分别提高到1.0%、1.5%、3.0%。
对于有抗冻、抗渗或其他特殊要求的强度等级小于C30的混凝土,其所用碎石或卵石中泥块含量不应大于0.5%。
1石粉含量对混凝土性能的影响 石粉是指公称粒径小于0.08mm,且其矿物组成和化学成分与被加工母岩相同的颗粒。
当石粉含量较大时,宜配制低流动度混凝土,在配合比设计中,宜采用低砂率。
1.1石粉含量对混凝土强度的影响 界面理论认为界面是混凝土强度的薄弱环节。
表面洁净的石灰岩碎石,其表面粗糙,有新鲜的缺陷、扭折和错位以及由于“断键”存在表面剩余键力,因而具有活泼的化学反应面。
其表面的CaC03能与水泥水化产物组成CSH(水化硅酸钙)、CH(氢氧化钙)、CaC03等共存的界面过渡区而形成牢固的化学过渡胶结层。
此外,粗糙的表面使得水泥砂浆与骨料之间能产生较强的机械咬合和摩擦作用。
较好的物理与化学结合使得洁净骨料混凝土有较高的抗压强度。
当粗骨料表面包裹石粉时,在骨料与水泥砂浆之间形成一层薄弱结合层,所以混凝土抗压强度有所降低。
但分散到水泥浆体中的石粉相当于外加的石粉微集料,一方面,微集料的填充效应使得混凝土更加密实;另一方面,由于石粉的吸水效应,虽然混凝土拌合水量相同,但实际的水灰比下降了。
同时混凝土的保水性增强,减少了自由水在界面的聚集,有利于集料界面改善。
石粉中的CaCO3微粒还具有一定的活性,能和水泥中的C3A反应生成碳铝酸盐。
同时石粉在水泥水化过程中起到“晶核”作用,加速水泥中C3S的水化。
所以此时混凝土抗压强度有所回升,甚至高于洁净集料混凝土的抗压强度。
经试验证明,当人工砂中含有7.5%的石粉时,配制C60泵送混凝土比普通天然砂的强度稍高,当石粉含量为14.5%时,配制C35的强度比普通天然砂高。
但过量石粉会使骨料粗颗粒偏少,颗粒级配变得不合理,减弱了骨料的骨架支撑作用,使混凝土强度降低。
一般认为石粉含量在5%~10%左右对强度的贡献最有利。
1.2石粉含量对混凝土抗渗性能的影响 适量石粉能提高混凝土抗渗性能。
混凝土的抗渗性能与混凝土内部孔隙的大小、数量和连通情况有关。
石粉能起到微集料的作用,可以填充细小的孔隙,改善混凝土内部孔隙结构,有利于增加混凝土的密实度。
石灰岩质石粉还能参与水泥水化反应,改善集料界面。
此外石粉还能提高混凝土保水性,减少自由水在集料界面上的聚集,因此有利于界面改善;同时会减少泌水,降低混凝土表面失水速率,因此裂缝数量减少。
但随着石粉的逐渐增多,水泥浆体增加,收缩量增大,表面裂缝增多。
有关资料显示,当石粉掺量达到15%的时候裂缝增多比较明显。
从混凝土耐久性出发,石粉的最佳含量在5%~13%。
包裹型石粉对混凝土早期开裂比较不利,会明显增加混凝土早期塑性裂缝数目和宽度,所以应加强混凝土早期养护,防止混凝土表面失水过快。
此外,终凝前还可以对混凝土表面进行二次抹光,以减少混凝土表面塑性裂缝。
1.3石粉含量对混凝土工作性的影响 石粉的颗粒细,比表面积大,吸水性强,所以适量石粉使混凝土拌合物的粘聚性和保水性都有所改善;另一方面石粉细小的球形颗粒产生的滚珠作用也会改善混凝土和易性。
2黏土对混凝土性能的影响 2.1降低混凝土强度 2.1.1增加水灰比 黏土颗粒的粒径较砂的粒径小,比表面积大,吸附能力强。
泥在混凝土拌合物中会吸附大量拌合水及部分减水剂,为了保证混凝土的流动性,势必要增大水灰比,混凝土硬化过程中游离状态的自由水逐渐蒸发,形成很多不封闭的孔洞,这样就增加了孔隙率,降低了混凝土的强度。
2.1.2降低水泥石与骨料间以及水泥石本身的粘结强度 泥包裹在骨料表面,导致水泥浆体不能直接包裹骨料,并使骨料和水泥石之间产生滑动,从而降低了水泥石和骨料间的粘结强度;而分散型的泥会影响浆体的硬化,降低水泥石本身的强度;泥块更加成为混凝土的软弱区域。
2.1.3应力集中 当材料受力时材料表面及内部缺陷处的应力远大于平均应力的现象称为应力集中。
泥的存在导致混凝土内部形成许多不封闭的孔洞,强度分布不均匀,在薄弱环节会出现应力集中现象,进一步降低混凝土强度。
含泥量对高强度混凝土强度的影响效果更甚于低强度混凝土。
因为高强度混凝土水灰比更小,对水灰比的增加更敏感;粘土的存在会形成薄弱区域,在高强混凝土中强度差距更悬殊,应力集中也就更明显。
所以标准对高强混凝土含泥量的要求更为严格。
2.2降低混凝土的耐久性 含泥量从抗渗、抗冻融、碳化及钢筋锈蚀几个方面影响混凝土耐久性。
混凝土的抗冻性是指混凝土在水饱和状态下经受多次冻融循环作用,能保持强度和外观完整性的能力。
混凝土中水泥石和骨料颗粒都是多孔结构,当温度降至冰点以下时水泥石毛细孔中的水和骨料孔隙中的水就会冻结膨胀。
冻融循环有积累作用,当混凝土的膨胀压力超过其抗拉强度后,就会出现冻融循环破坏。
冻融破坏的过程是从表面剥落开始,破坏从表面逐渐向内部发展,每一次循环后都会使水分移向可冻结的区域,这些区域包含细小的裂缝,由于结冰裂缝会在膨胀压力下继续扩大,并导致最终破坏。
混凝土碳化是指混凝土本身含有大量的毛细孔,空气中的二氧化碳与混凝土内部的游离氢氧化钙反应生成碳酸钙。
碳化使混凝土的碱度降低,降低混凝土对钢筋的保护作用,在水与空气存在的条件下,钢筋开始锈蚀。
钢筋锈蚀会使钢筋截面积减小,强度降低;钢筋腐蚀导致钢筋与混凝土之间的粘结强度下降,钢筋所受的拉应力不能有效传递给混凝土,使结构承载力降低;锈蚀产物的体积比钢筋体积大2~4倍,使混凝土内产生了体积应力,可能导致混凝土开裂、剥落等破坏。
粘土具有体积不稳定性、干燥时收缩、潮湿时膨胀的特点。
上文提到粘土会增加混凝土水灰比,需水量大,则干缩也大。
干缩使混凝土内部产生拉应力,导致混凝土内部出现微裂缝,出现连通的孔隙,降低了混凝土对水分和空气等有害物质的阻隔,从而降低混凝土的抗渗性能、抗冻融性能,加速混凝土碳化和钢筋锈蚀。
而且这几方面是互相关联、互相促进的,进一步加剧了混凝土耐久性的降低。
2.3降低混凝土的工作性 上文提到粘土颗粒小,比表面积大,会吸附大量拌合水及部分减水剂,从而降低混凝土坍落度,降低混凝土工作性。
黏土使混凝土拌合水量加大,且粘土保水能力差,这样就增加了混凝土经时损失。
3结语 综合考虑混凝土的强度、耐久性和工作性,石粉含量在5%~10%比较有利。
黏土对混凝土的强度、耐久性和工作性都有不利影响,所以应当严格控制。
但是对低等级塑性贫混凝土,适量的非包裹型的泥或胶泥可以改善拌合物的和易性,因此含泥量可酌情放宽,放宽的量应视水泥等级和水泥用量而定。
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