前言
混凝土作为一种多相复合材料体系，组分和结构的不同对其宏观力学性能影响显著，而粗集料作为混凝土中的主要原材料之一，一般占混凝土体积的50%～70%，起着填充和刚性骨架的作用，在混凝土中具有很重要的地位。硬化混凝土的强度主要取决于3个方面，即水泥石强度、粗集料强度以及粗集料与水泥石基体界面间过渡区的强度。对于过去水胶比较大的中低强度混凝土，粗集料强度通常远大于混凝土强度，水泥石和过渡区是制约强度发展的薄弱环节。因此在相当长一段时期内，人们一直将研究重点放在通过改变水泥的水化进程、混凝土外加剂和矿物掺和料的掺加等方面改善过渡区和水泥石结构，以期更大程度地提高混凝土强度，而很少考虑粗集料的作用。随着建筑工程的巨型化和超高层化，仅仅通过改善水泥石的强度已不能满足混凝土高强度的要求，于是人们开始注重研究集料尤其是粗集料对混凝土的增强作用。
粗集料对混凝土强度的影响是多方面的，当其他条件一定时，粗集料的种类、强度、最大粒径、形貌、级配以及集料-基体界面粘结强度等都会引起混凝土强度的差异，尤其是随着水泥石本身结构的不断改善，粗集料对高强高性能混凝土强度的影响愈加显著。上世纪90年代，美国著名混凝土专家Mehta教授就指出：“将集料作为一种惰性填充料这种传统的见解，确实应该被打上一个问号。如果不像对待水泥那样来重视集料，显然是不适当的。”
1粗集料的特征
集料的许多特性完全取决于母岩的性质，诸如矿物组成、岩相、比重、硬度、强度、物理和化学稳定性、孔结构等。但另一方面，集料也具有一些母岩所没有的外部特征，如颗粒形状和大小、表面结构等。对新拌混凝土和硬化混凝土的性能产生重要影响的集料特征包括强度、形状、级配、表面构造、弹性模量以及最大粒径等。本文涉及的粗集料若没有特殊说明，均指自然破碎或人工破碎的天然粗集料。
1.1粗集料的强度
粗集料强度一般指的是粗集料的抗压强度，表示方法主要有两种：母岩强度（或叫做集料的岩石抗压强度）和压碎值指标。参照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-），母岩强度是指被切割成50mm×50mm×50mm的立方体岩石抗压强度，或是钻心取出Ф50mm×50mm的圆柱体岩石强度；压碎值指标是指一定颗粒大小的集料在规定的圆筒中受到规定的压力后，按规定的方法求出的压碎颗粒质量占受压集料总质量的百分数。
1.2粗集料的形状
粗集料形状的表示方法一般为圆度，即颗粒的边和角的相对锐度或角度。圆度在很大程度上取决于母岩的强度和耐磨性及颗粒所受的磨损程度。粗集料形状的另一种表示方法是它的球度，可定义为颗粒表面积与它的体积比的函数。球度和原岩的层理和解理有关，当集料颗粒用人工方法破碎时，也会受到破碎设备的影响，冲击破碎机常生产出较多长形或片状集料，而颚式破碎机和反击式破碎机常生产出扁平状颗粒，目前锥形破碎机生产出的集料形状较好。英国标准BS-1:将集料形状分为6种，见表1。
F.J.Pettijohn把岩石颗粒形状分为棱角状、次棱角状、近圆形、亚圆形、全圆形5种粒型。美国材料试验协会ASTMD-研究沥青混凝土集料形状和表面纹理的量化指标是E.Y.Huang提出的IAPST（IndexofAggregateParticleShapeandTexture），其主要思想是在标准填充方法下，单一尺寸集料的空隙率及空隙变化率取决于集料的形状、棱角性及表面纹理。IAPST越小，集料越接近于圆形，表面越光滑。
集料的空隙率与集料的形状有关，一般情况下集料形状愈不规则，棱角愈多，空隙率愈大。针片状的集料单位体积的表面积较大，不仅影响集料空隙率，增加水泥用量，降低混凝土拌合物的和易性和可泵性，而且当它们在一个平面定向排列且在下方有水或空隙形成时，还会对混凝土的强度和耐久性产生不利影响，所以集料质量标准都限制了针状和片状颗粒的含量，即通常≤5%。
1.3粗集料的级配
集料的级配是指集料大小颗粒相互搭配的数量比例。级配用试样在各筛上的累计筛余百分数表示，绘制成级配曲线。粗集料的级配有连续级配和间断级配两种，同一粒级中最大粒径与最小粒径之比为2，符合这种情况的就叫连续级配；从连续级配中去除一个或几个中间粒级就是间断级配。一般来说，良好的级配应当满足以下3点：1）集料空隙率要小，以节约水泥量；2）集料总表面积要小，以节约润湿集料的需水量；3）要有适当的细颗粒，以满足混凝土拌合物的工作性。
1.4粗集料的表面构造
集料的表面构造指其表面粗糙程度、孔隙状况和棱角大小等。一般表面粗糙多孔的集料空隙率大；另外，粗糙多孔集料与水泥浆粘结力大，有利于提高混凝土强度，最典型的例子就是碎石混凝土强度要高于卵石混凝土强度。目前还没有统一的测量集料表面构造的方法。
1.5粗集料的最大粒径
集料的最大粒径指的是集料粒径分布的尺寸上限，通常采用一个名义上的最大尺寸，即允许5%集料留在筛子上的尺寸。粒径对于强度的影响是多方面的。集料粒径越大，单位重量集料表面积越小，需水量就越少，达到规定的和易性的条件下可以降低水灰比，提高混凝土强度。但是粒径过大，会减少集料－基体的粘结面积，还可能在集料内部留有大的缺陷，也会造成混凝土强度下降。
1.6粗集料的弹性模量
粗集料的弹性模量与岩石抗压强度、压碎值指标是相互关联的。一般而言，弹性模量高的集料配制的混凝土弹性模量也高，而且用于混凝土的集料弹性模量一般都高于混凝土的弹性模量，但也有学者认为弹性模量不应超过混凝土的弹性模量太多，以保证混凝土变形协调。
2粗集料对高强高性能混凝土强度的影响
2.1粗集料强度和弹性模量的影响
一般研究认为，对于C60以上的高强混凝土来说，集料的性能对混凝土抗压强度及弹性模量起到决定性的作用。如果集料的强度不足，其他提高混凝土强度的手段，如增加水泥用量、减小水灰比都不会起到太大的效果。也有研究者认为，对于强度等级在C50～C80左右的混凝土来说，粗集料本身的强度并不是最重要的，在一定条件下，水泥浆体仍起着较大的影响。如前所述，集料强度高于混凝土才能保证混凝土不从骨料破坏，《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-）中规定，“岩石的立方体抗压强度宜比新配制的混凝土强度高20%”。但一般认为粗集料母岩强度应满足这些要求：火成岩＞80MPa；变质岩＞60MPa；水成岩（沉积岩）＞30MPa；岩石的抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于1.5倍。不同标准对于粗集料母岩强度的规定详见表2。
对比表2可以看出，规定粗集料岩石抗压强度与混凝土强度等级之比从2倍降低到1.5倍，再降到1.2倍，主要是考虑到对于普通混凝土1.5倍的要求比较容易达到，而对于高强混凝土，特别是抗压强度超过80MPa的超高强混凝土，大部分粗集料品质难以满足这一要求，所以改为混凝土强度的1.2倍以上（等价于混凝土强度等级的1.3~1.36倍）。
人们普遍认为，粗集料的弹性模量直接影响混凝土的强度和弹性模量，集料弹性模量越高，制得的混凝土强度也越高。而Kaplan提出，在影响混凝土抗压强度的粗集料的性能中，弹性模量所占比例较大，达到34%。F.P.Zhou等研究了不同强度和类型粗集料对高性能混凝土的弹性模量和抗压强度的影响，结果显示弹性模量极高和极低的粗集料，其混凝土强度都不是太高，软弱集料的混凝土强度下降很大，而坚硬的钢集料混凝土强度也有一定程度的降低。他提出，集料和基体两相弹性模量之间存在一个相互协调性问题。杨再富认为，粗集料的混凝土强度和弹性模量都应高于基体，且在有约束的条件下才能促进混凝土强度增长。但当粗集料的弹性模量超过基体一定比例后，就会失去增强作用反而降低混凝土强度。同时粗集料和水泥砂浆基体协调性对于混凝土抗折强度影响更加显著。综上所述，应选择适当强度的集料配制高强混凝土，过高过低都不合适。粗集料强度和弹性模量应该与基体相协调。
2.2粗集料粒径的影响
目前一般认为粗集料粒径对普通混凝土的影响不大，而对高强混凝土影响较大。吴中伟和廉慧珍给出的水胶比范围小于0.4，即当水胶比低于0.4时，混凝土强度对于粗集料最大粒径才较敏感。粗集料的最大粒径对混凝土力学性能的影响是个复杂的问题。一般认为集料对裂缝的扩展有阻碍作用，所以随集料粒径的增大，混凝土断裂韧度提高，有利于强度的提高；同时集料最大粒径越大，拌和物需要水泥浆越少，当工作性及水泥用量一定时，混凝土强度随着集料尺寸增大而增加；但是，随着集料粒径进一步增大，较大集料对水泥浆流动阻力增大，易引起水泥浆中的附加内应力，集料与水泥浆基体界面的初始裂缝也随之增加，使得集料与基体的粘结有所减弱，集料的机械啮合作用也有所下降，从而造成混凝土强度下降。S.Mindess和J.F.Young认为，这种作用在高强混凝土中尤为明显。因此对于高强混凝土的强度发展，存在最佳的粗集料最大粒径效应。陈兵等用声发射技术研究集料尺寸分布对混凝土力学性能的影响。试验结果表明，混凝土抗压强度随着集料最大粒径的提高而增大，但粒径超过15mm后混凝土强度又缓慢下降。
吴历斌在水泥用量和砂率一定的情况下，也证明了“粗集料最大粒径效应”的存在，并指出粗集料最佳最大粒径为20mm。A.M.内维尔也建议混凝土强度在60MPa～MPa范围内时，混凝土的集料最大粒径不宜大于20mm；当混凝土强度超过MPa时，粗集料的最大粒径应限制在12mm以下。
韩建国从强化过渡区的角度进一步分析了最大粒径效应存在的合理性。他认为对高水胶比的混凝土而言，宜采用较大粒径的粗集料以减少粗集料的总表面积；而对低水胶比的高强混凝土，宜采用较小粒径的粗集料，以减小粗集料周围尤其是底部的泌水趋势，从而提高过渡区的品质，并提高混凝土的强度。
2.3粗集料级配的影响
长期以来，人们在集料级配对混凝土强度影响的问题上做了大量的试验和研究，先后提出了许多级配理论和级配模型，但这些理论和模型都没有较普遍的适用性。有研究资料表明，级配良好的集料有较大的堆积密度和较小的空隙率，同时也具有较高的强度。但反过来，仅通过最大密度理论调整级配后的集料可能会造成混凝土拌合物干硬化和流动性较差。当集料级配不好时，即没有或很少中间颗粒时，混凝土含有过多且不易密实的砂浆，造成混凝土内部匀质性差，强度变异性大，而且还会造成混凝土拌合物流动性差，离析严重，容易在内部形成蜂窝孔洞等缺陷，从而直接降低混凝土的强度。
结语
随着高强钢筋的逐步推广应用，与高强钢筋相匹配的高强混凝土的用量必然会逐年攀升。但目前关于粗骨料对高强高性能混凝土的影响研究仍滞后于实际应用，例如配制高强混凝土是否必需高强骨料等问题尚未形成较为统一的看法，对于粗骨料对高强混凝土的影响机理尚未有清晰的认识。因此对于这方面进行深入系统的探索非常迫切，有必要为将来探索针对高强混凝土的高品质粗集料选材原则以及建立粗集料性质的定量评价体系，总结高强高性能混凝土配合比设计方法做好准备。需要说明的是，针对高强混凝土中粗集料的研究，除了考虑其对混凝土宏观力学性能的影响外，还需要考虑其对于新拌混凝土工作性、硬化后混凝土的早期抗裂性以及长期耐久性的影响，并进行综合评价。（来源：《混凝土世界》）