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1、第4章骨料4.1 骨料的作用骨料(Aggregate)是粒形材料，通常不具备化学活性，分散在整个水泥浆基体中。由于骨料价格远低于水泥，因而主要用于降低混凝土成本。然而，从定量分析的角度出发，骨料也起着重要的作用：它们占去了混凝土体积的2/33/4 ，有利于保证混凝土的体积稳定性(第15章)和耐久性(第11章)。而且，骨料对高强混凝土的影响很大。骨料最明显的特征是其颗粒形状，实际上骨料是由很多的松散颗粒组成(图4.1)。如果颗粒粒径小于4 5mm，则称之为砂(Sand)；如果颗粒粒径大于45mm，则称之为粗骨料(Coarse Aggregate)。还可以将骨料分为砾石(Gravel，天然骨料)和
2、碎石(Crushed Stone，人工骨料)。砾石通常从河道中开采而得，圆形、表面光滑；破碎骨料由岩石破碎而得，无规则状、表面粗糙。在没有特殊说明的情况下，术语“骨料”包含细骨料(砂)和粗骨料(砾石或碎石)。图4.1 砂、砾石和碎石骨料的另一个重要特征是颗粒中存在连通孔隙。骨料的孔隙率影响其吸水特性，进而影响新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的性能，如强度和抗冻耐久性。在随后的内容中，首先介绍骨料的选用准则，然后是骨料的级配要求及参数，最后是骨料的吸水特性。4.2 骨料的选用准则并不是所有的骨料(包括天然骨料和由岩石破碎加工而成的人工骨料)都适用于混凝土结构。对于骨料，还有很多基本要求，如果满足不
3、了这些要求，即使不是暴露在侵蚀性环境，混凝土也可能劣化。这些要求包括骨料中不能含有会减少混凝土耐久性的有害物质。有害物质包括氯化物、硫酸盐、碱-活性硅、黏土及有机杂质。而且，骨料还必须具备良好的抗冻耐久性，这点要求骨料中的空隙要少，而隧石、页岩以及一些多孔的石灰岩往往不能满足该要求。在骨料第一次用于混凝土或者在缺少以往经验时，至少要对骨料中有害物质和抗冻行为进行一次检测。一旦确定该骨料可以用于混凝土中，如果骨料没有其他的问题(例如骨料供应源有了改变)，每年还至少要对骨料重复检测两次。4.2.1 氯化物骨料中氯化物(Chloride)的含量极限(0.05%)与钢筋腐蚀风险密切相关。在素混凝土(不
4、含增强钢筋)中除非由于混凝土结构在干湿交替条件下盐沉积致使表面损伤(风化，Effiorescence)，骨料即使含有氯化物也不会存在任何严重劣化风险。也有一些例外，比如被氯化物污染的骨料海砂。理论上，海砂只有在经过一系列的清洗，将水溶性盐(如NaCl)除去之后，才能用作混凝土细骨料。4.2.2 硫酸盐硫酸盐可能以石膏(Gypsum , CaSO42H2O)或硬石膏(Anhydrite , CaSO4)的形式存在于骨料中。如果骨料中硫酸盐含量超过极限值0.2%(以SO3计)，则由于在硬化混凝土中钙矾石的结晶膨胀可能引起混凝土开裂(内部硫酸盐侵蚀)。有人也许会问：为什么在水泥中石膏可以存在且必不可
5、少，而在骨料中却是破坏之源？水泥中的石膏与熟料一同掺人进行二次粉磨(图2.2), 由于颗粒很细，很快地溶解在拌合水中，并立即与熟料中的铝酸盐反应，形成钙矾石覆盖膜（称为“一次”钙矾石），并覆盖在水泥颗粒表面，因而阻止水泥快速凝结，此时，硫酸盐的作用是调整凝结时间。由于“一次(Primary)”钙矾石均匀地分布在所有水泥颗粒表面，而且只在水化过程最初的几个小时生成，那时混凝土仍处于塑性阶段，仍具有变形能力，因此，“一次”钙矾石的形成不会产生不利影响。与此相反，骨料中存在的石膏或硬石膏颗粒尺寸较大，封闭了毛细管孔隙，很难溶解于搅拌水中。因此，在数月甚至几年后，硫酸盐才会逐渐开始与水泥水化产物C-A
6、-H缓慢反应。由于是在后期生成，通常称之为“二次(Secondary)”或“延迟(Delayed)”钙矾石。在硬化和坚硬的混凝土中生成此类钙矾石时，由于该化学反应是膨胀的，因而会带来有害变形。骨料中石膏的分布越不均匀，混凝土开裂的风险就越大。裂缝形成于石膏颗粒附近，进而在混凝土中形成应变梯度。海砂经水清洗后可以除去氯化物(易溶于水)，与海砂相比，被石膏或硬石膏污染的骨料却无法清洗，不能用于生产水泥混凝土。还有一些硫化物，如黄铁矿(FeS2)和白铁矿，它们经过很长时间的氧化(由于存在水和氧气)后可能生成硫酸盐。同样地，只要骨料中含有这些物质，都不能用于配制混凝土，因为它们也可能转变为“二次”钙矾
7、石，产生膨胀，从而破坏混凝土结构。4.2.3 碱-活性硅骨料中有些形态的氧化硅(如无定形材料、结晶较差的岩石或变形石英)会与水泥中的碱(钾、钠)反应形成碱-硅水化产物，它们会在水泥浆基体周围膨胀、开裂。这种反应称为碱-硅反应(Alkali-Silica Reaction , ASR)，通过无规则开裂(图4.2)或局部剥落(图4.3)表现出来，严重威胁混凝土工程的耐久性。 骨料中的碱活性硅(Alkali-Reactive Silica)最具潜在危害，很容易引起混凝土劣化，通常会出现以下几个问题(J. Lindgard , E. Roium and B. Petersen , Alkali-sil
8、ica reaction in concrete -relationship between water content and observed damage of structures, Proceedings of the seventh CANMET - ACI international conference on durability of concrete, Montreal, Canada, Ed. V. M. Malhotra, pp. 147166, 2006): ( l) 骨料中的活性硅很难检测，需要很长时间确定；相反，氯化物和硫酸盐通过简单的化学分析就育断良快检测出来。
9、(2) 活性硅通常分布不均匀，例如，有些骨料颗粒含有活性硅，而其他骨料颗粒却没有；如果送检样品中不含碱活性硅颗粒就检测不出来，这样工程就可能会使用具有碱活性的骨料。(3) 碱-硅反应取决于混凝土中碱的含量：当混凝土中的碱含量超过2kg/m3时就存在危险；由于碱含量随水泥来源、混凝土中的水泥用量以及时间的变化而变化，在相同的情况下，碱一硅反应可能会发生，也可能不会发生。(4) 碱-硅反应只能在潮湿环境下发生，通常在户外；室内也有可能发生碱-硅反应，例如工业地板，会接触到水蒸气和地下水。(5) 碱-硅反应通常进行缓慢，高温可加速碱-硅反应；但是，根据环境(硅的活性程度、环境温度和湿度、碱含量)的不
10、同，这种现象可能需要数月至十余年才会发生。由于碱一硅反应过程缓慢，碱活性难以预先判断，解决该问题最好的办法就是预防。使用矿渣水泥(CEM)、火山灰水泥(CEM)及复合水泥(CEM)是有效预防碱-硅反应的方法，可以减小、甚至消除碱-硅反应。这种方法可以减小碱-硅反应发生的风险，在有些地区(该地区的骨料具有碱活性)应该采用。4.2.4 碱-碳酸盐反应水泥中的碱和骨料还有另外一种有害反应。这种反应中的活性骨料通常存有很细的白云石和石灰石晶体。碱-碳酸盐反应(Alkali-Carbonate Reaction, ACR)并不会像碱-硅反应那样引起任何体积增大，因为最后反应生成物比原始反应物的体积还小。
11、虽然反应机理仍未完全弄清，但主要还是因为白云石CaMg(CO3)2转变为方解石(CaCO3)和水镁石Mg(OH)2引起，这个过程也被称为去白云化反应。去白云化反应使白云石晶体中的黏土包裹物暴露出来，由于黏土的吸水膨胀或由于通过黏土膜产生的渗透压导致混凝土膨胀开裂。碱-碳酸盐反应的另一种解释就是碳酸盐基体中存在无定形的、活性氧化硅。4.2.5 黏土和其他粉质材料黏土和其他粉质材料，如包裹在骨料表面的淤泥和尘土，会削弱骨料和水泥浆基体之间的粘结。在这种情况下，混凝土的力学性能会有所降低，但对结构工程的退化却不会产生太大的影响。从这个角度来看，黏土和其他一些能影响结构耐久性的材料(如氯化物、硫酸盐和
12、活性硅)有本质的区别。而且，骨料中的黏土经清洗后就可以用于混凝土，不会对混凝土的力学性能产生不利影响。4.2.6 有机杂质骨料中的有机杂质大多为植物型，会影响水化过程，延缓甚至削弱强度增长。与黏土和粉质材料一样，有机杂质的缺陷并不会影响到混凝土结构的耐久性。力学性能的降低通常也只是发生在早期养护期间，被有机杂质污染过的骨料能否用于混凝土以及有机杂质对力学性能的影响程度，可以通过与不含有机杂质的骨料配制混凝土的强度相比较来评价。木屑、木炭及其他多孔渗水的材料都可能引起不稳定膨胀，特别是与水接触的地板，首先膨胀，然后局部剥落(图4.3)。4.2.7 冰冻侵蚀当混凝土结构暴露于冻融循环条件下，只要骨
13、料的抗冻性不合格，即使掺用引气剂，也不能用于混凝土中。引气剂通常只能保护水泥浆基体免受冰冻破坏，对骨料的抗冻性没有什么改善作用。骨料的冰冻破坏通常与骨料孔隙中水的存在密切相关，温度低于0时，水开始结冰析晶，致使体积膨胀(约9 %)，进而导致水压增大。水只有在一定孔径范围内(约为几mm)的骨料毛细孔中结冰，才会产生开裂性变形。在更细的毛细孔中，由于缺少冰结晶生长的足够空间，不会结冰。另一方面，如果骨料孔径更大，超过几mm，冰能够结晶生长，但不会产生什么严重后果，因为那些还没有结冰的水可以很容易地从孔隙中排除，流入水泥浆基体，从而减小骨料中的应力。4.2.8 力学性能很多国家采用美国洛杉矶实验方法
14、检测骨料的力学性能，欧洲标准EN197-2也采用该方法。备检骨料装入图44所示的圆筒中，圆筒内装有铁砰并能旋转；然后开动仪器使圆筒旋转一定次数；停机后对骨料进行筛分(筛孔尺寸一定)，计算过筛骨料重量及百分比。混凝土的强度和耐久性要求越高，过筛骨料(即破碎损失的骨料)的比例就要越低。例如，如果混凝土的圆柱体抗压强度要求为60MPa，则洛杉矶实验中骨料损失比例就不能超过30%。4.3 骨料的级配骨料的颗粒种类与级配(Grading)紧密相关，即从最细材料到中等颗粒、粗颗粒的骨料粒径分布情况。通俗地讲，骨料级配应该较好(尽管不要求最好)，只有这样，细颗粒才能填充粗颗粒之间的空隙，这有利于减少骨料骨架
15、中的空隙率。这些空隙又被水泥浆填充，水泥浆硬化后，就将原本松散的骨料颗粒连接成为整体，即像岩石一样坚硬的混凝土。级配与以下三个不同方面有关：l 首先是由筛分分析(Sieve Analysis)得到的颗粒粒径分布(Particle Size Distribution)；l 第二是选择理想级配(Ideal Grading)的准则；l 第三是调整骨料级配，获得最佳级配(Optimal Grading)分布。4.3.1 筛分分析为了确定骨料的颗粒粒径分布，就需要采用标准筛(因各国标准的不同而不同，表4.1中所列出各筛的孔径是按欧洲规范制定的)对骨料样品进行筛分，确定一定粒径范围内骨料的比例。这些筛按照
16、筛孔尺寸由小到大层层叠起，振动后(图4.5)，骨料颗粒便依次落入各筛中，按粒径范围大小分成几部分。称取每部分的重量，并计算它们的百分比含量，将计算结果列人表4.1的第三栏中。表4.1的第四栏为骨料筛分后累计筛余百分比(Cumulative Per - centage)，第五栏为过筛(Passing)百分比，表4.1 中的骨料通过8.00mm筛的百分比为100%。欧洲规范中最小筛孔尺寸为0.125 mm，筛孔依次成倍增大；而ASTM 规范中最小筛孔尺寸为0.149mm，其余筛孔也依次成倍增大。图4.6是级配曲线(Grading Curve)，表示筛孔直径d与累计筛余百分比之间的关系。通常骨料粒径d与累计筛余百分比之间的关系可以用线性或对数关系表示，两条级配曲线有所不同，通常更倾向于采用对数关系曲线，因为对
