大吸水率砂巖骨料碾壓混凝土力學與抗凍性能研究

楊 林，李 波，張海晨，賈 正

(1.江河工程檢驗檢測有限公司，河南 鄭州 450000；2.寧夏回族自治區水利工程建設中心，寧夏 銀川 750002;3.銀川市正禹水利水電工程質量檢測有限公司，寧夏 銀川 750002)

0 引 言

吸水率是評價粗骨料品質的重要指標之一。我國水利行業規范SL 251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》[1]和SL 677—2014《水工混凝土施工規范》[2]對于有抗凍要求的混凝土要求粗骨料吸水率不大于1.5%，無抗凍要求的混凝土吸水率不大于2.5%。國家標準GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》[3]要求I類骨料吸水率不大于1.0%，II類和III類骨料吸水率不大于2.0%。過大的吸水率對混凝土的耐久性能有不利影響[4]。

砂巖是沉積巖的一種，是由砂粒經過水沖蝕沉淀于河床上經干百年堆積膠結而成，根據礦物組分中石英和長石含量的不同，可分為石英砂巖、長石砂巖和長石石英砂巖[5]。長石砂巖一般具有內部孔隙率較大、密度低、軟化系數低、彈性模量低和吸水率大的特點，在我國西部地區和東南亞地區分布較多。長石砂巖的工程特性決定了其不是一種優質的人工骨料料源，但受條件所限，長石砂巖骨料在一些工程中也得到了應用。

文獻[6]結合東南亞某工程研究了軟弱砂巖骨料碾壓混凝土的配制及其特性，研究采用軟化系數為0.71的軟弱砂巖骨料配制強度等級分別為C18020的二級配碾壓混凝土和C1807.5的三級配碾壓混凝土。試驗采用的粗骨料飽和面干密度在2 340～2 500 kg/m3之間，表觀密度在2 600～2 680 kg/m3之間，飽和面干吸水率在2.49%～7.39%之間，壓碎指標在11.5%～26.3%之間。結果表明，采用該砂巖骨料可以配制出滿足強度要求的混凝土，其用水量比常規骨料高15～20 kg/m3，拌合物密度和抗壓彈性模量較低。當三級配碾壓混凝土粉煤灰摻量為60%、水膠比為0.65、含氣量為2.1%時，混凝土密度為2 120 kg/m3，抗壓彈性模量為0.94×104MPa；當二級配碾壓混凝土粉煤灰摻量為50%、水膠比為0.55、含氣量為2.7%時，混凝土密度為2 230 kg/m3，抗壓彈性模量為1.48×104MPa。文獻[7]研究了軟弱長石石英砂巖骨料混凝土的性能，認為采用軟弱長石石英砂巖可配制C30塑性混凝土，但混凝土的用水量和膠材用量要增大，混凝土的干縮率較大。文獻[8-9]報道了馬來西亞的沫若水電站采用長石石英砂巖作為碾壓混凝土大壩人工骨料料源的情況，該工程長石石英砂巖人工骨料存在人工砂偏細，石粉含量大，粗骨料表觀密度偏小，吸水率偏大等問題。當二級配混凝土的強度為27.7 MPa時，抗壓彈性模量為1.40×104MPa，極限拉伸值為1.20×10-4。采用該骨料成功制備了C18020F50W10的二、三級配碾壓混凝土，并用于大壩施工。

以上研究結果表明，采用吸水率較大的砂巖骨料制備的混凝土的強度可滿足一般要求，彈性模量較低，但抗凍性能尚不明確。經實測，黃河某水利樞紐工程的5～20 mm和20～40 mm粒徑長石砂巖粗骨料的吸水率分別達到了2.92%和2.33%。采用吸水如此大的骨料配制的混凝土的性能尤其是抗凍性能究竟如何，需要進一步研究確定。為此，在原巖的巖礦鑒定、礦物成分分析、化學成分分析、物理力學性能和骨料性能試驗的基礎上，采用此骨料配制不同水膠比的碾壓混凝土，對混凝土的強度、彈性模量、極限拉伸、泊松比、抗滲和抗凍性能進行研究，分析采用該巖石骨料配制C25W12F300的碾壓混凝土的可行性，結論可為類似工程提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原巖

原巖開采自三疊系銅川組巨厚層長石砂巖，見圖1。由圖1可知，該巖石外觀呈青灰色-肉紅色，具有明顯的沉積層理。巖礦鑒定：巖礦鑒定的目的是確定巖石的結構構造和主要成分。將巖石切割制成一定厚度的薄片，在偏光顯微鏡下觀察巖石的礦物成分、結構形態、自然變化規律與發展情況，結合現場地質情況確定巖石結構、構造和名稱。采用X射線粉晶衍射檢測法分析原巖的礦物成分，試驗條件為理學DMAX-3C衍射儀，CuKa，Ni濾光。將原巖破碎磨成粉末分析其化學成分，按照GB/T 176—2017《水泥化學分析方法》[10]測定其重要化學成分。依據SL/T 264—2020《水利水電工程巖石試驗規程》[11]進行測定原巖的物理力學性能。由于砂巖具有明顯的沉積層理，強度試驗中分別采用加壓方向垂直于層理和加壓方向平行于層理2種加載方式。采用直徑50 mm、高100 mm的圓柱體試件，兩端磨平。

圖1 長石砂巖外觀照片

1.2 混凝土

水泥為陜西銅川產的中熱硅酸鹽水泥，強度等級為42.5級，28 d抗壓強度為44.2 MPa。粉煤灰為河津電廠生產的I級粉煤灰，需水量比93.6%，燒失量3.17%。外加劑為陜西西卡建筑材料有限公司生產的緩凝型聚羧酸高性能減水劑以及AER50-C型引氣劑，減水劑的減水率為25.1%。選擇水膠比分別為0.40、0.45、0.50進行碾壓混凝土配合比設計，二級配混凝土配合比參數與工作性見表1。混凝土的工作性、力學性能與耐久性能試驗方法依據SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》[12]進行測定。

表1 碾壓混凝土配合比參數與工作性成果

2 結果與分析

2.1 原巖巖礦鑒定

巖礦鑒定結果見表2和圖2。由鑒定結果可知，該砂巖為一種沉積巖，主要由砂粒膠結而成。砂巖塊石料外觀為肉紅色微帶綠色或肉紅色，部分帶有明顯的沉積層理，成分以長石、石英為主，含有少量云母，碎屑顆粒以細粒為主，為中-細粒或細粒砂狀結構構造，膠結類型為接觸膠結或孔隙膠結。

表2 原巖巖礦鑒定成果

圖2 巖礦鑒定薄片

礦物成分分析試驗成果見圖3。由圖3可知，該長石砂巖主要礦物成分為斜長石，平均含量為38%，其次為石英，平均含量為28%。此外，巖石中含有4%的伊利石和15%的綠泥石，兩者均為黏土礦物。對巖石進行化學成分分析試驗，試驗結果見表3。試驗結果表明，該巖石主要化學成分為SiO2，平均含量為65.93%。Al2O3平均含量為13.77%，Fe2O3平均含量為4.58%。

表3 原巖主要化學成分成果 %

圖3 巖石礦物成分組成結果

原巖物理力學性能試驗結果見表4。結果表明，巖石的平均干密度均為2.49 g/cm3，飽和單軸抗壓強度平均值分別為95.6 MPa和85.5 MPa，軟化系數平均值分別為0.73和0.76，凍融質量損失率平均值為0.01%。干狀態下彈性模量平均值為22.3 GPa，飽和狀態下為24.8 GPa。與灰巖、花崗巖等巖石相比，該砂巖的軟化系數和彈性模量均偏低。

表4 原巖物理力學性能試驗成果

2.2 骨料性能

粗骨料性能試驗成果見表5。可見，粗骨料5～20 mm和20～40 mm粒徑的吸水率分別達到了2.92%和2.33%，高于SL 677—2014《水工混凝土施工規范》[2]規范配制抗凍混凝土不大于1.5%的要求。此外，5～10 mm粒徑還存在軟弱顆粒含量超標的問題。細骨料性能試驗成果見表6。可見，人工砂的細度模數偏小，石粉含量偏高。

表5 粗骨料性能試驗成果

表6 細骨料性能試驗成果

3 混凝土性能

3.1 混凝土力學性能研究

分別進行不同齡期(7、28、90、180 d)的抗壓強度、彈性模量、極限拉伸值和泊松比試驗，結果見表7。由表7可知，隨著混凝土齡期的增長，不同水膠比混凝土的強度、彈性模量和極限拉伸值呈增長趨勢。以180 d齡期為例，當水膠比在0.50～0.40之間變化時，混凝土強度在34.4～42.9 MPa之間，抗壓彈性模量在1.62～1.76 MPa之間，極限拉伸值在1.79×10-4～1.86×10-4之間，泊松比在0.151～0.156之間，混凝土90 d齡期的抗滲等級在W12以上。與常用的灰巖骨料碾壓混凝土相比，混凝土的彈性模量偏低一半左右，極限拉伸值提高1倍左右[13]。

表7 碾壓混凝土力學性能試驗成果

隨著水膠比增大，混凝土的強度、彈性模量、極限拉伸值和泊松比均呈降低趨勢。繪制混凝土強度與齡期的關系，見圖4。由圖4可知，混凝土強度與齡期存在較好的對數曲線關系，這與普通混凝土的強度發展規律相似。從90 d和180 d的混凝土強度來看，該砂巖骨料可以滿足配制C25強度等級的碾壓混凝土的要求。

圖4 混凝土強度與水膠比、齡期的關系

混凝土的彈強比為彈性模量與強度的比值，彈強比越小，混凝土的變形能力越大。計算混凝土的彈強比，繪制混凝土的彈強比與水膠比、齡期的關系，見圖5。由圖5可知，隨著混凝土齡期的增長，混凝土的彈強比呈降低趨勢，降低幅度趨緩；隨著水膠比增大，混凝土的彈強比呈增大趨勢。這說明，隨著混凝土強度提高，混凝土彈性模量的增加幅度低于強度的增加幅度。為進一步分析該砂巖骨料混凝土的彈性模量與普通混凝土的差異，參考SL 191—2008《水工混凝土結構設計規范》[14]關于混凝土強度與彈性模量的關系公式(式(1))，計算彈性模量與強度的關系。繪制普通混凝土和砂巖骨料混凝土彈模與強度關系曲線，見圖6。由圖6可知，在相同強度條件下，砂巖骨料混凝土的彈性模量約為普通混凝土的一半。同時，隨著強度增長，混凝土彈性模量具有增長趨勢但增長幅度變緩。進一步說明隨著混凝土強度提高，混凝土彈性模量的增加幅度低于強度的增加幅度。混凝土彈性模量為

圖5 混凝土彈強比與水膠比、齡期的關系

圖6 混凝土彈性模量與強度的關系

(1)

式中，Ec為混凝土彈性模量；fcu為混凝土強度；a、b為系數，其中，普通混凝土a=2.2、b=34.7，砂巖骨料混凝土a=3.39、b=94.3。

3.2 混凝土耐久性能研究

對水膠比為0.50的混凝土進行90 d齡期抗滲試驗，加水壓至2.4 MPa，6個試件均沒有滲水現象，將試塊劈開后水位上升高度不到試塊高度的1/3，如圖7所示。這說明混凝土的抗滲性能是比較好的，可以滿足W12抗滲等級的要求。

圖7 水膠比為0.50混凝土滲水情況

采用快速凍融法進行碾壓混凝土的抗凍性能試驗，表8為抗凍性能試驗成果，圖8為混凝土抗凍性能隨凍融循環次數的變化趨勢，圖9為經歷不同凍融循環次數碾壓混凝土外觀情況。由表8和圖8可知，隨著凍融循環次數的增加，混凝土的質量損失率呈增大趨勢，相對動彈性模量呈降低趨勢。當水膠比為0.40時，長石砂巖骨料碾壓混凝土的抗凍等級可達到F600以上，水膠比為0.45和0.50時，抗凍等級達到F400以上。由圖9可知，隨著凍融循環次數的增加，混凝土表面砂漿由外向內逐層剝落，大骨料逐漸暴露，但整體完整性較好，沒有出現斷裂和凍酥的現象。在試驗過程中試件與手接觸時，可明顯感覺到粗骨料表面有松動的砂粒，用手擦拭有起砂現象，反映出砂巖骨料中砂粒之間的膠結受到了破壞，這是產生質量損失的主要原因。將水膠比0.50的混凝土凍至600次后沿橫斷面切割，觀察內部破壞情況，見圖10。由圖10可知，混凝土內部保留較好，沒有肉眼可見裂縫，粗骨料完整。綜合混凝土動彈性模量、質量變化率和外觀變化情況可知，砂巖骨料混凝土在凍融狀態下表現出由外向內的逐漸剝落過程，劣化特征主要表現為質量的損失。

表8 碾壓混凝土抗凍性能試驗成果 %

圖8 混凝土抗凍性能

圖9 NY2-WL17.7- 0.50凍融試驗

圖10 水膠比為0.50混凝土凍融600次后切開內部斷面

通過砂巖骨料混凝土凍融試驗可以發現，盡管砂巖骨料本身吸水率較大，通過配合比設計，砂巖骨料碾壓混凝土的抗凍性能可以達到F400的抗凍等級。由此可知，大吸水率的砂巖骨料混凝土具有較好的抗凍性能，這一方面歸因于混凝土本身充足的含氣量，另一方面可能和砂巖骨料內部有一定的孔隙率有關，砂巖骨料內部微小的孔隙起到了類似氣孔的作用，為冰壓力提供了釋放的空間[15-18]。需要指出的是，室內凍融與自然條件下凍融有一定的差別，為確保工程安全，建議在混凝土強度上留有一定的富裕。

4 結 論

針對黃河某水利樞紐工程大吸水率長石砂巖骨料，本文開展了原巖巖礦鑒定和物理力學性能試驗、碾壓混凝土強度、彈性模量、極限拉伸、泊松比和抗凍試驗，對砂巖骨料及其混凝土性能進行了較為詳細的研究，結論如下：

(1)該長石砂巖成分以長石、石英為主，含有少量云母，碎屑顆粒以細粒為主，為中-細粒或細粒砂狀結構構造，膠結類型為接觸膠結或孔隙膠結。

(2)該砂巖骨料原巖的平均干密度均為2.49 g/cm3，飽和單軸抗壓強度大于85 MPa，巖石不具有潛在堿硅酸鹽反應危害，干狀態下彈性模量平均值為22.3 GPa，飽和狀態下為24.8 GPa。該砂巖的軟化系數和彈性模量均偏低。

(3)采用該砂巖骨料可以配制出C25W12F300的碾壓混凝土。與常見的灰巖骨料碾壓混凝土相比，采用該砂巖骨料制備的碾壓混凝土彈性模量約為普通骨料混凝土的一半，極限拉伸較高，混凝土的彈強比較低。

(4)采用該砂巖骨料配制的碾壓混凝土受凍融循環作用時，由于砂巖骨料中砂粒之間的膠結受到了破壞，導致質量損失較快，混凝土表面逐層剝落，內部混凝土保留相對完整，相對動彈性模量損失較慢。