乳化瀝青對機制砂混凝土力學性能及耐久性的影響研究

宋敬亮

（鐵正檢測科技有限公司，濟南250014）

1 引言

國家基本建設的快速發展造成了混凝土用砂的需求量急增，天然砂固然性能優異，但其作為一種地方性資源，分布不均勻，不可再生，不適宜長距離運輸。目前，不少地區的天然砂資源接近枯竭，多地政府已經出臺了相關環境保護政策開始禁采或限采天然砂[1]，工程用砂供需矛盾日益突出，導致砂的價格越來越高，某些地區甚至無砂可用，影響了工程建設的進展[2]。所以，機制砂在工程中的地位越來越重要，將成為建設用砂的重要來源。

由于機制砂顆粒表面粗糙、富有棱角而自身滾動能力差，具有較大的比表面積而需要消耗較多的漿體予以包裹才能達到與天然砂同樣的流動性[3]。機制砂中原有的一定量的石粉可以有效填充混凝土漿體內部空隙，一定程度上改善了混凝土漿體的界面特征[4]。在當前的鐵路工程建設中，梁體、軌枕等C50 及以上高性能混凝土仍然只允許采用天然砂生產，因為關于采用機制砂混凝土生產鐵路梁體、軌枕等可能存在的混凝土耐久性等問題仍未解決。

本文引入乳化瀝青這種柔性材料，改善機制砂混凝土的抗凍性及密實度，采用內摻外摻等方式，對機制砂混凝土的耐久性進行研究。

2 試驗

2.1 原材料

2.1.1 水泥

本試驗所使用的水泥是廣西虎鷹水泥有限公司生產的P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。其28d 抗壓強度為48.5MPa，其化學成分見表1。

表1 虎鷹水泥的化學成分（質量百分比）%

2.1.2 機制砂

本試驗所采用的機制砂產地為東江建材有限公司，生產砂的母巖為石灰巖，母巖抗壓強度125MPa，該機制砂細度模數為2.9，石粉含量6.3%。

2.1.3 乳化瀝青

本試驗所采用的乳化瀝青產地為紹興澳科瑪化工科技有限公司，其含固量50%，其各項技術指標如表2 所示。

表2 乳化瀝青的各項技術指標

2.1.4 減水劑

本試驗所用減水劑為緩凝型聚羧酸高性能減水劑，生產廠家為四川恒澤建材有限公司，其減水率為28%。

2.1.5 粗骨料

本試驗所用粗骨料產地為河池永固碎石有限公司，為石灰巖碎石，母巖抗壓強度119MPa。

2.2 試驗和混凝土配合比設計

本試驗按JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》和GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》中的標準要求進行混凝土坍落度、擴展度T500、含氣量等混凝土拌和物性能的測試。

混凝土攪拌方法借鑒于裹漿法[5]。裹漿法是指在潤濕過得骨料表面包裹上一次水泥漿，形成薄薄的一層殼，防止骨料在漿體內沉浮[6]。使用較少的水泥就可以加工出強度高、流動性好的混凝土。試驗用規格為150mm×150mm×150mm 的標準混凝土試模，電通量試模。

本試驗乳化瀝青加入方式為外摻和內摻2 種，水膠比為0.36，砂率為40%，采用二級配碎石。該試驗配合比設計如表3 和表4 所示。

表3 外摻配合比設計kg

表4 內摻配合比設計kg

2.3 試驗方法

2.3.1 混凝土強度

本試驗按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》中規定的標準試驗方法進行測定[7]。

2.3.2 混凝土孔隙率

本試驗是參照日本《透水性混凝土河川護堤施工手冊》中提出的連續孔隙率測試方法對混凝土孔隙率進行測定。

2.3.3 混凝土電通量和抗凍性

本試驗按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中規定的標準試驗方法進行測定。

2.3.4 X-射線衍射分析（XRD）

X-射線衍射分析是用來鑒定不同水泥試樣不同齡期的水化產物。本研究采用粉末試樣衍射方法，儀器為美國Thermo electron corporation 生產的ARL X.TBA 型X-射線衍射儀。

3 試驗結果與分析

3.1 抗壓強度

圖1 和圖2 分別為該乳化瀝青摻量與機制砂混凝土7d 和56d 抗壓強度的關系曲線圖。由圖可知，機制砂混凝土的抗壓強度隨著乳化瀝青摻量的增加而增加，其力學性能與乳化瀝青摻量呈現正相關性[7]。當不摻加乳化瀝青時，機制砂混凝土的7d抗壓強度為32.7MPa、56d 抗壓強度為46.4MPa。而當外摻15%乳化瀝青時，該機制砂混凝土的7d 抗壓強度達到38.3MPa、56d 抗壓強度達到52.4MPa，與空白試樣相比分別提升了17.1%和12.9%；當內摻15%乳化瀝青時，該機制砂混凝土的7d 抗壓強度達到35.7MPa、56d 抗壓強度達到47.4MPa，與空白試樣相比分別提升了9.2%和2.2%。產生以上增加的原因為乳化瀝青填充了界面微孔，因此使混凝土的強度大幅增加[8]。

圖1 乳化瀝青摻量與混凝土7d 抗壓強度的關系

圖2 乳化瀝青摻量與混凝土56d 抗壓強度的關系

3.2 電通量

由圖3 可知，機制砂混凝土的電通量隨著乳化瀝青摻量的增加而增加，當乳化瀝青摻量為0 時，機制砂混凝土的電通量分別為931C，而當乳化瀝青摻量15%時，其機制砂混凝土外摻和內參乳化瀝青的電通量分別為為823C 和865C，與空白試樣相比分別提升了11.6%和7.1%，這是因為乳化瀝青的填空效應，因此，使機制砂混凝土更加密實。

圖3 乳化瀝青摻量與混凝土7d 電通量的關系

3.3 抗凍性

圖4 給出了乳化瀝青對機制砂混凝土抗凍性的影響，機制砂混凝土的凍融質量損失隨著乳化瀝青摻量的增加而降低，其抗凍性與乳化瀝青摻量呈現正相關性[9]。將試件凍融循環200次，當乳化瀝青摻量為0 時，機制砂混凝土的質量損失為4.7%；而當乳化瀝青摻量15%時，其外摻和內摻的質量損失為3.7%和3.5%，與空白試樣相比分別提升了21.3%和25.5%；這是因為乳化瀝青作為一種柔性材料，為混凝土提供一個可以收縮膨脹的空間，混凝土處于凍融時，處于骨料間的乳化瀝青受到擠壓而收縮；其次由于乳化瀝青的填空效應，使混凝土孔隙率降低，存在于混凝土中的自由水減少，抗凍性能增加。

3.4 孔隙率與混凝土抗凍性的相關性

圖5 和圖6 給出了摻乳化瀝青機制砂混凝土孔隙率與其凍融后質量損失的相關性。由圖5 和圖6 可知混凝土的質量損失隨著孔隙率的降低而降低。當孔隙率介于7.3%～11.7%時，混凝土的抗凍質量損失在3.2 %～4.3%，混凝土孔隙率與內摻乳化瀝青時凍融質量損失的相關系數達到0.855 6，混凝土孔隙率與外摻乳化瀝青時凍融質量損失的相關系數達到0.916 5。

圖4 乳化瀝青摻量與混凝土抗凍性的關系

圖5 孔隙率與外摻乳化瀝青混凝土抗凍性的相關性

圖6 孔隙率與內摻乳化瀝青混凝土抗凍性的相關性

3.5 孔隙率與混凝土電通量的相關性

圖7 和圖8 給出了摻乳化瀝青機制砂混凝土孔隙率與其電通量的相關性。由圖7 和圖8 可知混凝土的電通量隨著孔隙率的降低而變小。當孔隙率介于11.7～7.3%時，混凝土的電通量值為870～740C，混凝土孔隙率與內摻乳化瀝青時電通量值的相關系數（R2）達到0.931 9，混凝土孔隙率與外摻乳化瀝青時電通量值的相關系數達到0.988 3。

圖7 孔隙率與外摻乳化瀝青混凝土電通量的相關性

圖8 孔隙率與內摻乳化瀝青混凝土電通量的相關性

3.6 水化產物XRD 分析

圖9 所示為乳化瀝青改性水泥的水化產物的X-射線衍射分析（XRD）。為了探究不同摻量的乳化瀝青對水泥水化的影響，設計了如下試驗，用來探索相同齡期、不同乳化瀝青摻量的乳化瀝青改性水泥漿體凝結后的水泥塊的XRD 衍射曲線。B2～B4 4 條XRD 分析曲線分別是在水泥漿體中摻加5%、10%、15%、20%的乳化瀝青，標準養護72h 后，分別取適量試驗樣品研磨充分，過1000 目篩后進行X-射線衍射分析測試。通過曲線分析和比對PDF 卡得出：曲線中主峰為C3S 水化的產物，主要化學成分為Ca（OH）2晶體，水泥強度跟水灰比和水化程度相關[9,10]，為研究水泥強度與其水化程度的關系，設計的上述試驗中維持水灰比不變，從4 條XRD 衍射曲線明顯分析出，對比其他曲線，B5 曲線中各峰值最高，從而說明其產生的晶型最多最好，說明該曲線水泥水化程度最高，水泥強度也最高。

4 結論

根據以上分析，得出以下結論：

1）乳化瀝青的加入對混凝土的抗壓強度具有一定的提升，而當乳化瀝青摻量15%時，其外摻7d 和56d 抗壓強度為38.3MPa 和52.4MPa，與空白試樣相比分別提升了17.1%和12.9%。

圖9 乳化瀝青改性水泥水化產物的XRD 分析

2）乳化瀝青可以改善混凝土的抗凍性能，當乳化瀝青摻量15%時，其外摻和內摻的凍融后質量損失為3.7%和3.5%，與空白試樣相比分別提升了21.3%和25.5%。

3）乳化瀝青具有填補混凝土空隙的作用，使混凝土更加密實，對混凝土耐久性效果顯著。