響巖與花崗巖機(jī)制砂混凝土性能對(duì)比研究

萬(wàn)永旺，潘延昇

(中交四航局第一工程有限公司，廣州 510000)

肯尼亞內(nèi)羅畢快速路項(xiàng)目主線全長(zhǎng)27.131 km，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km，為國(guó)道A級(jí)公路。內(nèi)羅畢周邊河砂資源短缺，響巖資源豐富，常用作機(jī)制砂的石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖資源距離較遠(yuǎn)，同時(shí)響巖存在壓碎值較高、吸水率較大、堅(jiān)固性不良的問題。

由于砂石資源的不可再生性、可持續(xù)發(fā)展的限采性，砂石供需的矛盾日益突出。機(jī)制砂逐步替代天然河砂、石成為必然趨勢(shì)。不同母巖所生產(chǎn)的機(jī)制砂，由于其風(fēng)化程度和礦物成分的不同，表現(xiàn)出來的特性如細(xì)度模數(shù)、粒形、級(jí)配和石粉性能等有一定的差異[1]；不僅如此，同一種母巖采用相同的破碎方式所制備的機(jī)制砂的物理差異也會(huì)較大，有明顯的棱角，而且會(huì)伴隨著一些雜質(zhì)[2]。近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖等作為母巖生產(chǎn)機(jī)制砂對(duì)混凝土性能影響做了深入的試驗(yàn)研究。Wang等[3]選取石灰?guī)r、石英巖、片麻巖等六種具有代表性的砂母巖，并以15%的取代率替代水泥，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同巖性的機(jī)制砂對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性和耐久性能影響并不明顯。王稷良[4]在其研究文獻(xiàn)中也得出相同的結(jié)論，巖性的變化并不能顯著改變混凝土強(qiáng)度等性能。Li Huajian等[5]則選用不同母巖機(jī)制砂制備鐵路箱梁混凝土，其主要性能同河砂混凝土相差并不明顯，均滿足鐵路要求，并通過建立對(duì)數(shù)模型和冪函數(shù)模型對(duì)機(jī)制砂混凝土的干縮徐變隨齡期的變化規(guī)律進(jìn)行了表征，表明機(jī)制砂混凝土替代河砂制備預(yù)應(yīng)力鐵路混凝土具有良好的前景。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土的抗氯離子滲透性能和抗凍性能，并沒有因?yàn)闄C(jī)制砂母巖的不同表現(xiàn)出明顯差異，只有在干縮性方面，玄武巖略大。因此其研究成果認(rèn)為，基本可以忽略巖性對(duì)混凝土宏觀性能的影響。相比于巖性，機(jī)制砂中石粉的含量對(duì)混凝土性能的影響則較為突出。機(jī)制砂是由巖石采用破碎工藝制備而成經(jīng)篩分后粒徑小于4.75 mm的顆粒，因此，機(jī)制砂往往會(huì)帶有粒徑小于0.075 mm的石粉或泥塊。機(jī)制砂石粉對(duì)于混凝土性能是一把“雙刃劍”。隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加，混凝土的峰值應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢(shì)，對(duì)于C80高性能混凝土，4.5%～6.5%的石粉含量對(duì)混凝土性能起到良好的效果；對(duì)于水泥膠砂，玄武巖火山灰效應(yīng)主要在水化后期發(fā)生，玄武巖石粉的細(xì)度的提高更有利于其后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)，并且玄武巖石粉的存在以及本身的耐侵蝕性，可以明顯改善混凝土的抗硫酸鹽腐蝕能力[6],但比表面積超過600 m2/kg后，強(qiáng)度活性便開始下降[7-9]。適量的石粉含量可以填充水泥、活性材料之間的孔隙，優(yōu)化混凝土漿體中的孔結(jié)構(gòu)，增加無害孔、少害孔的比例，在范德華力、靜電作用下，相互交接成絮凝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高其黏聚性和包裹性。此外，石粉中CaCO3參與水泥的水化過程，促進(jìn)水泥早期水化產(chǎn)物的生長(zhǎng)和沉淀。而隨著石粉含量的增加，多余的石粉會(huì)吸收一定的水分，起到潤(rùn)滑作用的自由水含量減少，導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性能變差，密實(shí)度降低，強(qiáng)度下降。為此，需要增大高效減水劑的用量，來抑制機(jī)制砂中過多的石粉含量對(duì)混凝土造成的不良影響[10]。機(jī)制砂制備路面混凝土?xí)r，機(jī)制砂表面粗糙反而起到有益效果。Li等[11]發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂制備路面水泥混凝土(MS-PCC)時(shí)，當(dāng)其中石粉含量在4.3%增加到20%時(shí)，MS-PCC的抗壓、抗折強(qiáng)度、耐磨性都呈上升趨勢(shì)，并且機(jī)制砂粒表面粗糙程度越大，壓碎值越低，其抗壓強(qiáng)度越高。國(guó)標(biāo)GB/T 14684—2011《建筑用砂》規(guī)定混凝土用機(jī)制砂需要用亞甲藍(lán)方法檢測(cè)機(jī)制砂中泥粉的含量。要求機(jī)制砂MB值小于1.4。Zhou等[12]發(fā)現(xiàn)對(duì)于石灰?guī)r、花崗巖等增大MB值對(duì)C30混凝土影響不大，但對(duì)C60混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性會(huì)明顯降低，MB值小于1時(shí)，降低更加明顯。除此之外，機(jī)制砂制備混凝土?xí)r摻加適宜的外加劑和礦物摻合料，比如摻加礦渣降低單位用水量可以有效改善機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度以及耐久性[10,13]。

上述研究為響巖機(jī)制砂的應(yīng)用提供一定的借鑒，但響巖機(jī)制砂在公路工程混凝土中的應(yīng)用研究較少。該文采用肯尼亞內(nèi)羅畢地區(qū)的響巖機(jī)制砂與常用的花崗巖機(jī)制砂對(duì)比研究?jī)烧邔?duì)混凝土拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響，為肯尼亞采用響巖機(jī)制砂應(yīng)用在公路工程提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥：采用肯尼亞當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的CEMⅠ42.5水泥，凝結(jié)時(shí)間為初凝165 min，終凝267 min，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26%，3 d抗壓強(qiáng)度27.1 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為52.3 MPa。

2)細(xì)骨料：采用肯尼亞內(nèi)羅畢響巖機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.9，石粉含量7%，機(jī)制砂MB值1.3，飽和面干吸水率2.3%，壓碎值21.6%，堅(jiān)固性12.8%；肯尼亞花崗巖機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.8，石粉含量6%，機(jī)制砂MB值1.1，飽和面干吸水率1.4%，壓碎值12.3%，堅(jiān)固性7.1%。

3)粗骨料：采用肯尼亞響巖加工而成，粒徑為5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石。

4)粉煤灰：印度進(jìn)口Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度(45 μm篩篩余)14.6%，需水量比98%。

5)外加劑采用聚羧酸系高性能減水劑，含固量為15.6%，減水率21.2%。

1.2 混凝土配合比

參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)分別配制C30、C50強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，編號(hào)字母X代表響巖機(jī)制砂，H代表花崗巖機(jī)制砂，具體各組代號(hào)相應(yīng)的混凝土配合比見表 1。

表1 試驗(yàn)混凝土配合比 w/(kg·m-3)

1.3 混凝土試驗(yàn)方法

混凝土拌合物性能按照《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50080—2016測(cè)試坍落度、擴(kuò)展度、經(jīng)時(shí)損失；力學(xué)性能按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2019進(jìn)行測(cè)試，抗壓強(qiáng)度采用正方形試塊，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)齡期為7 d、28 d、56 d，抗壓彈性模量試驗(yàn)齡期為28 d、56 d；混凝土耐久性能按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082—2009進(jìn)行，標(biāo)養(yǎng)28 d后進(jìn)行電通量和碳化測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土拌合物性能

分別采用響巖機(jī)制砂和花崗巖機(jī)制砂制備C30、C50混凝土拌合物工作性能如表2所示。按照表1配合比設(shè)計(jì)配制的機(jī)制砂C30混凝土，在水膠比相同，增大減水劑用量的情況下，響巖機(jī)制砂混凝土初始坍落度略小于花崗巖機(jī)制砂混凝土，初始擴(kuò)展度則比花崗巖機(jī)制砂混凝土稍大；1 h流動(dòng)度損失方面，相比于花崗巖機(jī)制砂混凝土的17%和26%，響巖機(jī)制砂混凝土的坍落度和擴(kuò)展度損失達(dá)到21%和34%。對(duì)于C50混凝土，在增大7%減水劑用量的情況下，兩種不同巖性機(jī)制砂混凝土初始坍落度持平，初始擴(kuò)展度僅相差5 mm；在流動(dòng)度損失方面，與C30混凝土相似，響巖機(jī)制砂混凝土1 h坍落度和擴(kuò)展度損失分別為22%和37%，而花崗巖機(jī)制砂混凝土1 h坍落度和擴(kuò)展度損失僅為12%和26%。主要是由于響巖機(jī)制砂石粉含量較花崗巖較多，MB較大，對(duì)外加劑的吸附作用更強(qiáng)，同時(shí)，響巖機(jī)制砂的飽和面干吸水率比花崗巖機(jī)制砂大，會(huì)吸收更多的水分，導(dǎo)致混凝土中自由水減少，降低混凝土和易性。因此，需要增加減水劑用量來提高混凝土拌合物性能，而花崗巖機(jī)制砂混凝土摻加相對(duì)更少的減水劑便可以使水泥漿體有長(zhǎng)時(shí)間的分散效果，保持較小的流動(dòng)度損失。

表2 響巖機(jī)制砂和花崗巖機(jī)制砂對(duì)混凝土工作性能的影響

2.2 混凝土力學(xué)性能研究

圖1為響巖機(jī)制砂與花崗巖機(jī)制砂配制混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果。對(duì)于C30強(qiáng)度等級(jí)，兩種巖性機(jī)制砂混凝土隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度呈相似的增長(zhǎng)趨勢(shì)，花崗巖機(jī)制砂混凝土比響巖機(jī)制砂混凝土高出6%～8%。對(duì)于C50強(qiáng)度等級(jí)，二者也表現(xiàn)出相同的增長(zhǎng)趨勢(shì)，花崗巖機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度稍高出響巖機(jī)制砂混凝土3%～4%。總的來說，響巖機(jī)制砂混凝土較花崗巖機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度略低，這主要是因?yàn)轫憥r機(jī)制砂壓碎值大于花崗巖機(jī)制砂，導(dǎo)致響巖機(jī)制砂混凝土在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)機(jī)制砂與漿體界面較花崗巖機(jī)制砂混凝土先破壞。

圖2為響巖機(jī)制砂混凝土和花崗巖機(jī)制砂混凝土彈性模量對(duì)比結(jié)果。兩種機(jī)制砂混凝土彈性模量與其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)相同，強(qiáng)度等級(jí)越高，彈性模量越大；且兩者之間的彈性模量相差不大，C30強(qiáng)度等級(jí)在28 d相差最大，僅8%，其他齡期花崗巖機(jī)制砂混凝土彈性模量比響巖機(jī)制砂混凝土彈性模量高2%～6%?；炷翉椥阅Ａ颗c其抗壓強(qiáng)度、混凝土的密度和骨料體積分?jǐn)?shù)密切相關(guān)[3]。響巖機(jī)制砂的壓碎值較花崗巖的機(jī)制砂大，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度小于花崗巖機(jī)制砂混凝土的同時(shí)，彈性模量也在各個(gè)齡期小于花崗巖機(jī)制砂混凝土。另外，響巖機(jī)制砂的MB值較大，所含的泥粉較多，泥粉在混凝土內(nèi)部吸附大量的自由水，不僅會(huì)降低混凝土內(nèi)部的濕度，還會(huì)使內(nèi)部細(xì)微裂縫變多；吸水的泥粉結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，致使有害孔增多，最終造成混凝土內(nèi)部缺陷相對(duì)嚴(yán)重，也是導(dǎo)致響巖機(jī)制砂混凝土彈性模量比花崗巖機(jī)制砂混凝土低的重要原因。

2.3 混凝土耐久性能研究

圖3為響巖機(jī)制砂和花崗巖機(jī)制砂對(duì)混凝土電通量的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，C50混凝土電通量均低于C30混凝土，響巖機(jī)制砂混凝土比相同強(qiáng)度等級(jí)花崗巖混凝土電通量高6%，可見響巖機(jī)制砂對(duì)于混凝土氯離子滲透并沒有顯著的不利影響；56 d電通量明顯小于28 d電通量，其原因是隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥和礦物摻合料水化程度的提高，混凝土密實(shí)度逐漸提高，抗氯離子滲透能力顯著增強(qiáng)。C30強(qiáng)度等級(jí)響巖花崗巖機(jī)制砂混凝土56 d電通量分別降低到1 833 C和1 714 C，較28 d電通量分別降低21%和25%；C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土56 d電通量分別降低到1 462 C和1 363 C，較28 d電通量均降低達(dá)25%。響巖機(jī)制砂在配制C50高性能混凝土?xí)r，抗氯離子滲透能力隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)明顯增強(qiáng)。除此之外，抗氯離子滲透能力增強(qiáng)的原因還可能歸功于機(jī)制砂中所含石粉在物理方面的填充作用，石粉的存在優(yōu)化了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)，石粉在化學(xué)方面還可能對(duì)水泥水化起到促進(jìn)作用。夏京亮等[14]研究指出，機(jī)制砂MB值也是影響電通量的一個(gè)因素之一。當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量適中，石粉改善保水性占主導(dǎo)地位，降低了混凝土泌水的傾向，此時(shí)石粉的摻入則會(huì)提高混凝土抗壓強(qiáng)度，降低56 d電通量和氯離子滲透系數(shù)。

圖4為響巖和花崗巖機(jī)制砂對(duì)混凝土抗碳化性能的影響。從圖中可以看出，兩種巖性機(jī)制砂對(duì)混凝土抗碳化能力影響相近。C30混凝土隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，碳化深度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，響巖機(jī)制砂混凝土從3 d碳化深度的3.6 mm到28 d的5.7 mm，增長(zhǎng)37%；花崗巖機(jī)制砂混凝土從3 d碳化深度3.5 mm到28 d的5.5 mm，增長(zhǎng)36%。C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土則隨著齡期的增長(zhǎng)，碳化深度變深的趨勢(shì)相對(duì)較弱，響巖機(jī)制砂和花崗巖機(jī)制砂28 d碳化深度較3 d增幅分別達(dá)52%和54%。總的來說，C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土較C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗碳化能力強(qiáng)，這是因?yàn)镃50混凝土的水泥用量較C30混凝土較大，水膠比較C30混凝土低，混凝土隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)度逐漸提高，表層也更加密實(shí)，孔隙飽和度較低，從而減少了CO2進(jìn)入混凝土的通道，降低了CO2孔隙內(nèi)的溶解度，降低混凝土內(nèi)部受碳化的比例，提高混凝土的抗碳化性能。

3 結(jié) 論

a.響巖機(jī)制砂混凝土在適當(dāng)增加減水劑用量時(shí)，可以達(dá)到和花崗巖機(jī)制砂混凝土相近的拌合物性能。

b.采用響巖機(jī)制砂配制C30和C50混凝土，力學(xué)性能略低于花崗巖機(jī)制砂混凝土。

c.采用響巖機(jī)制砂配制C30和C50混凝土，耐久性能與花崗巖機(jī)制砂混凝土相近。