李亚林，王玉婷，余丽霞

（四川聚力建材科技有限公司，成都，611100）

摘要：抗折强度作为干硬性混凝土的重要技术指标之一，对其进行系统研究具有重要意义。本文研究粗骨料不同级配掺量、砂率、硅灰掺量三个参数对干硬性混凝土的抗折强度的影响，为生产提供技术指导。结果表明当5-20mm级配粗骨料被20-40mm的级配粗骨料替代75%时，抗折强度最高；配合比砂率为32%、硅灰对水泥的替代率为10%时，对干硬性混凝土抗折强度的发展最有利。因此，在实际生产过程中，可通过增加20-40mm级配碎石的掺量、降低砂率、掺入适量硅灰等途径调节配合比，提高干硬性混凝土的抗折强度。

关键词：粗骨料级配；砂率；硅灰掺量；抗折强度

1 前言

混凝土作为使用量最大的建筑材料之一，具有强度高、耐久性好、可塑性强等特点。尤其是现在的超高性能混凝土其抗压强度可达到200MPa，虽然混凝土的抗压强度值很高，但是其抗折强度却不尽人意，一般只能达到抗压强度的1/6~1/10[1]。对有重型车辆行驶的道路、火车轨道、机场道面等特殊结构部位而言，混凝土的抗折强度至关重要。有关研究表明：混凝土的抗折强度取决于粗集料与水泥砂浆接触界面的粘结强度和混凝土自身的密实程度，以及集料之间交错有致的机械咬合状态[2]。目前提高混凝土的抗折强度主要通过改善混凝土的密实性，掺入矿粉，掺入钢纤维、聚丙烯纤维等[3]。干硬性混凝土作为机场道面结构应用的主要材料之一，对混凝土的抗折、耐磨性能等要求较高。学者对其耐磨性进行了大量研究[4-6]，但是关于粗骨料不同级配掺量、砂率、硅灰掺合料对混凝土抗折性能影响研究较少。因此，本文系统研究了粗骨料不同级配掺量、砂率、硅灰掺量对干硬性混凝土抗折性能的影响。

2 试验

2.1试验原材料

PO 42.5R散装水泥，Ⅱ级粉煤灰（强度活性指数75%），复合改性硅灰，机制砂（Ⅱ区中砂，细度模数2.68），连续级配碎石（粒径为5-20mm和20-40mm），高性能聚羧酸减水剂。

2.2 试验内容及方法

将粗骨料筛分成5-20mm和20-40mm两级，颗粒级配良好。系统研究粗骨料不同级配掺量、砂率、硅灰掺量对混凝土的力学性能的影响。试验采用机械拌制，试样拌制状态如图2-1所示，然后通过人工成型的方法成型试件，成型的抗折试件尺寸为：100mm×100mm×400mm，抗压试件尺寸为：100mm×100mm×100mm。待试件脱模后，在标准养护室养护至28d龄期，进行性能测试。

3 试验结果与分析

3.1 粗骨料不同级配对混凝土力学性能的影响

粗骨料的级配通过改变不同粒径级配碎石的掺量进行调节，本试验采用调节5-20mm连续级配粗骨料和20-40mm连续级配粗骨料的掺量改变混凝土的级配。试验配合比及试验结果分别如表3-1和图3-1所示。由图3-1可知，当只使用5-20mm连续级配粗骨料时，混凝土的抗压强度和抗折强度都偏低。但是随着20-40mm连续级配粗骨料的掺入量增加，混凝土的抗压强度和抗折强度呈现先增加后降低的趋势，当20-40mm的粗骨料替代率为75%时，混凝土的抗折强度和抗压强度达到最高。这是因为当混凝土的粗骨料全部采用5-20mm级配时，骨料的比表面积相对较大，孔隙率增加，对浆体的需用量增加，因而在同等浆体含量的情况下，混凝土的强度降低。随着20-40mm的粗骨料掺入时，骨料的比表面积逐渐降低，骨料之间的填充比较密实，混凝土孔隙率降低，从而提高混凝土的抗压强度和抗折强度。但是当混凝土中只有20-40mm的粗骨料时，粗骨料的级配差，尤其是缺少5-20mm的骨料填充粗骨料之间形成的空隙，致使混凝土的结构咬合力变差，从而降低混凝土的抗压强度和抗折强度。其次，从混凝土的结构分析，抗折强度的破坏主要以劈裂形式表现，当混凝土中采用5-20mm和20-40mm连续级配的粗骨料混合时，骨料之间可以很好的交错填充空隙，同时增加粗集料与砂浆的机械粘结面，提高混凝土的抗折强度，这与试验结果一致[7]。因此，在实际生产过程中对抗折强度要求较高时，可以通过适当增加粗骨料的粒径增加混凝土的抗折强度。

3.2 砂率对混凝土力学性能的影响

该部分研究了砂率对干硬性混凝土力学性能的影响，试验配合比和试验结果分别如表3-2和图3-2所示。由图3-2可知，随着砂率的增加，混凝土的抗压强度和抗折强度都呈现先增加后降低的趋势。当砂率为32%时，混凝土的抗折强度达到最高值6.1MPa；当砂率为37%时，抗压强度最高为45.6MPa。这是因为砂率较低时，粗骨料与粗骨料之间的空隙较多，此时水泥砂浆不足以填充粗骨料间的空隙，造成的密实度相对偏低，故强度较低。随着砂率的提高，水泥砂浆增多，粗骨料表面有充分的浆体包裹，结构密实，同时混凝土的刚度得到提升，因而混凝土强度有所提高。砂率过大时，骨料的总比表面积增加，此时需要更多的水泥浆包裹骨料，若水泥用量不变，骨料面层的水泥浆厚度被削弱，混凝土内部的粘结力降低，以致混凝土的强度减低。同时，砂率过大，粗骨料之间难以形成理想的嵌锁型结构，从而降低粗骨料之间的咬合力，致使混凝土的强度降低。因此在实际生产过程中，可通过调节砂率改善混凝土的抗折强度。

3.3 硅灰掺入量对混凝土力学性能的影响

该部分研究了硅灰对混凝土抗折强度的影响，试验采用保证粉煤灰掺量不变的情况下，利用不同掺量的硅灰替代部分水泥，试验过程及结果分别见表3-3和图3-3。由图3-3可知，随着硅灰掺量的增加，混凝土的抗压强度和抗折强度呈先增加后降低的趋势，当硅灰的替代率为10%时，混凝土的抗压强度和抗折强度达到最高。这是因为硅灰中具有潜在火山灰活性的SiO2和Al2O3，虽然它们不会直接与水发生反应，但是在常温下能与水泥水化时析出的Ca(OH)2 产生二次反应，生成具有胶结性能的水化硅酸钙和水化铝酸钙。而随着龄期的增加生成Ca(OH)2持续与硅灰进行反应，生成的凝胶进一步填充在孔隙中，增加混凝土的密实性。与此同时，硅灰还可以起着微集料效应，具有一定的填充效应，降低孔隙率，增加强度[8]。同时二次水化反应会消耗大量的Ca(OH)2 晶体，降低了Ca(OH)2晶体在粗骨料与砂浆界面区的含量，生成的凝胶可以更好的改善界面粘接强度，从而增加混凝土的抗折强度。但是随着硅灰的掺入量继续增加时，水泥水化生成的水化硅酸钙凝胶大量减少，以致于混凝土的抗压强度和抗折强度都降低。

4 结论

本文主要以粗骨料不同级配掺量、砂率、硅灰替代率为研究对象，探究各个影响因素对干硬性混凝土抗折强度的影响。通过试验得出以下结论：

1 将粗骨料的最大粒径从20mm增加至40mm，以及适当提高20-40mm级配粗骨料对5-20mm级配粗骨料的替代率，可改善混凝土的致密性和骨料之间的结构咬合力，增加干硬性混凝土的抗折强度。

2 砂率为32%时，干硬性混凝土的抗折强度达到最大；砂率为37%时，干硬性混凝土的抗压强度达到最大。在抗压强度能够达到设计要求的条件下，可以适当降低混凝土的砂率，保证混凝土的抗折强度达到最大值。

3 硅灰对水泥的替代率为10%时，混凝土的抗压强度和抗折强度均达到最大值。

参考文献

[1] Aboukifa M, Moustafa M A, Itani A M, et al. Durable UHPC Columns with High-Strength Steel. No. ABC-UTC-2013-C3-UNR02-Final. Accelerated Bridge Construction University Transportation Center (ABC-UTC), 2019.

[2] 邓初首. 粗集料级配对道路混凝土抗折强度的影响[J]. 山西建筑, 2005, 31(15): 136-137.

[3] Wu Y. Flexural strength and behavior of polypropylene fiber reinforced concrete beams[J]. Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed., 2002, 17(2): 54-57.

[4] 孙立强. 成型工艺参数对联锁块混凝土性能的影响[J]. 混凝土, 2018 (6): 108-111.

[5] 岑国平, 马国强, 王硕太, 等. 机场道面合成纤维混凝土的耐久性[J]. 交通运输工程学报, 2008, 8(3): 43-45.

[6] 林喜华, 王军, 顾青山,等. 一种高抗折耐磨混杂纤维混凝土及其制备方法: 112608096 [P]20210406.

[7] 邓初首. 道路水泥混凝土配合比的试验研究[J]. 浙江建筑, 2007, 24(2): 50-52.

[8] ŞİMŞEK O, ERDAL M, Sancak E. The effect of silica fume usage to the flexural strength of concrete reinforced with steel fibres Si̇li̇s dumaninin çeli̇k li̇fli̇ betonun eǧi̇lme dayanimina etki̇si̇[J]. 2005.

主要作者 王玉婷简介： 四川聚力建材有限公司 高级工程师