不同集料組合對(duì)C40水泥混凝土路面耐久性能的影響研究

劉貞鵬 楊宇

摘要：為提升C40水泥混凝土路面的耐久性，同時(shí)豐富路面建設(shè)材料來源，文章對(duì)砂巖碎石+天然砂（A）、砂巖碎石+砂巖機(jī)制砂（B）、玄武巖碎石+天然砂（C）三種集料組合下水泥混凝土進(jìn)行了耐久性對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明：從抗水滲、抗氯離子滲透、抗碳化、抗凍、抗硫酸鹽侵蝕和早期抗裂性試驗(yàn)結(jié)果來講，均表現(xiàn)為A>C>B；三種集料組合下，抗水滲透性均＞P30，抗氯離子滲透性均滿足100年的設(shè)計(jì)使用需求，A組的抗碳化能力滿足T-Ⅴ等級(jí)，B組和C組的抗碳化能力滿足T-Ⅳ等級(jí)；在材料允許情況下，應(yīng)優(yōu)先使用天然砂作為細(xì)集料，選用砂巖碎石作為粗集料，當(dāng)天然砂不足時(shí)，也可采用砂巖機(jī)制砂作為細(xì)集料，配制的C40水泥混凝土也同樣具有良好的耐久性。

關(guān)鍵詞：水泥混凝土；砂巖；玄武巖；機(jī)制砂；天然砂；集料；耐久性

中圖分類號(hào)：U416.03 A 16 47 2

0 引言

水泥混凝土路面是應(yīng)用較為成熟的路面形式，在山區(qū)公路建設(shè)中較為常見，在當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，原材料的采集、運(yùn)輸與使用問題日益突出，如果采用外運(yùn)砂石骨料的方法，成本過高，因而一般采取就地取材的方式，從而達(dá)到節(jié)約成本的目的［1-2］。砂巖和玄武巖在我國(guó)各地區(qū)都有廣泛分布，因此如何有效利用當(dāng)?shù)氐慕ú馁Y源成為當(dāng)前工程建設(shè)的一大重點(diǎn)［3-4］。本文對(duì)砂巖碎石+天然砂、砂巖碎石+砂巖機(jī)制砂、玄武巖碎石+天然砂三種集料組合下水泥混凝土的耐久性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，探討如何利用集料組合來提升水泥混凝土路面的耐久性，可為水泥混凝土道路建設(shè)提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，平均密度為3.2 g/cm3，比表面積為360 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27%，初凝和終凝時(shí)間分別為145 min和295 min，28 d抗折和28 d抗壓強(qiáng)度分別為6.9 MPa和44 MPa。

粗集料：包括砂巖碎石（粒徑為4.75～19 mm）和玄武巖碎石（粒徑為4.75～25 mm）兩種。砂巖碎石的表觀密度為2 650 kg/m3，堆積密度1 610 kg/cm3，壓碎值為13%，針片狀含量為4.8%，平均吸水率1%，堅(jiān)固性1%，含泥量0.3%；玄武巖碎石的表觀密度為2 850 kg/m3，堆積密度為1 580 kg/cm3，壓碎值為14.3%，針片狀含量為6%，平均吸水率1%，堅(jiān)固性1.7%，含泥量0.4%。

細(xì)集料：包括天然砂和砂巖機(jī)制砂兩種，細(xì)度模數(shù)分別為2.8和2.86，表觀密度分別為2 670 kg/cm3和2 645 kg/cm3，自然堆積密度分別為1 511 kg/cm3和1 480 kg/cm3，孔隙率分別為34.3%和36.7%，含泥量分別為1.6%和2.2%，堅(jiān)固性分別為4%和3%。

減水劑：采用聚羧酸高性能減水劑，1%摻量下的減水率為30.5%，泌水率為34%，含氣量3%，摻量宜控制在0.8%～1.4%。

水：實(shí)驗(yàn)室自來水。

1.2 配合比

水泥混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，通過初步配合比和基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)，最終得到實(shí)驗(yàn)室配合比設(shè)計(jì)情況。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)三種不同粗細(xì)集料組成的水泥混凝土，分別為砂巖碎石+天然砂（編號(hào)為A）、砂巖碎石+砂巖機(jī)制砂（編號(hào)為B）、玄武巖碎石+天然砂（編號(hào)為C），水膠比均為0.4。不同集料C40水泥混凝土配合比情況見表1。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

對(duì)三種不同集料水泥混凝土分別進(jìn)行抗水滲試驗(yàn)、抗氯離子滲透試驗(yàn)、抗碳化試驗(yàn)、抗凍試驗(yàn)、抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)和早期抗裂性試驗(yàn)。抗水滲試驗(yàn)采用逐級(jí)加壓法，測(cè)量滲水高度；抗氯離子滲透試驗(yàn)采用電通量法，在60 V電壓下測(cè)試混凝土試件在6 h內(nèi)通過的電通量；抗碳化試驗(yàn)采用碳化試驗(yàn)箱對(duì)水泥混凝土碳化不同的時(shí)間，并利用酚酞溶液來測(cè)試碳化深度；抗凍試驗(yàn)采用快速凍融試驗(yàn)法，溫度為-20 ℃～20 ℃，每次凍融循環(huán)時(shí)間為8 h；抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)采用全自動(dòng)混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)機(jī)，硫酸鹽的濃度為5%；早期抗裂性試驗(yàn)溫度為20 ℃±2 ℃，濕度60%±5%，24 h后測(cè)試裂縫數(shù)量、長(zhǎng)度和寬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗水滲

不同集料配合比下水泥混凝土的抗水滲試驗(yàn)結(jié)果見圖1。當(dāng)逐漸加壓到3.2 MPa后，所有試件兩端并未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，表明三組水泥混凝土的抗?jié)B等級(jí)均>P30，而工程要求的水泥混凝土抗?jié)B等級(jí)>P12即可，因此不再繼續(xù)加壓，停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量A、B、C三組試件的平均滲水高度分別為7 mm、14 mm和11 mm，因此抗水滲能力A>C>B。這是因?yàn)樘烊簧跋啾葯C(jī)制砂具有更好的填充作用，因而A、C組的密實(shí)度高于B組，同時(shí)玄武巖的平均碎石粒徑要大于砂巖的平均碎石粒徑，集料粒徑越大的區(qū)域水膠比也越大，導(dǎo)致界面過渡區(qū)孔隙率也相對(duì)偏大，結(jié)構(gòu)相對(duì)較疏松，故而A組的密實(shí)度大于C組，從而表現(xiàn)出A>C>B的抗水滲性能。

2.2 抗氯離子滲透

不同集料組合對(duì)C40水泥混凝土路面耐久性能的影響研究/劉貞鵬，楊 宇

不同集料配合比下水泥混凝土（56 d齡期）的抗氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可知：A組的平均電通量最小，僅為775 C，其次為C組，為1 072 C，平均電通量最大的為B組，達(dá)到1 134 C，因此抗氯離子滲透性能排序?yàn)椋篈>C>B，與抗水滲試驗(yàn)結(jié)果一致，密實(shí)度越高，水泥混凝土的抗氯離子滲透性能越好。對(duì)于C40水泥混凝土，100年設(shè)計(jì)使用年限下要求電通量<1 200 C，60年設(shè)計(jì)使用年限下<1 500 C，30年設(shè)計(jì)使用年限下<2 000 C，A、B、C三組水泥混凝土均滿足設(shè)計(jì)使用100年的要求。

2.3 抗碳化

不同集料配合比下水泥混凝土抗碳化試驗(yàn)結(jié)果見表2。三組配合比水泥混凝土在碳化3 d、7 d和14 d后，均沒有出現(xiàn)碳化損傷，當(dāng)碳化時(shí)間達(dá)到28 d后，A組仍然沒有出現(xiàn)碳化損傷，而B組和C組的碳化深度分別為2 mm和1 mm，表明抗碳化能力排序也為A>C>B。這是因?yàn)樗嗷炷恋慕Y(jié)構(gòu)越致密，阻止CO2進(jìn)入試件內(nèi)部的能力越強(qiáng)。根據(jù)《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 193-2009）對(duì)抗碳化等級(jí)的劃分，A組滿足T-Ⅴ抗碳化等級(jí)，B組和C組滿足T-Ⅳ抗碳化等級(jí)，利用砂巖碎石和天然砂可配制出抗碳化性能優(yōu)良的水泥混凝土。

2.4 抗凍

不同集料配合比下水泥混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3可知：在經(jīng)過350次凍融循環(huán)后，A的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率分別為2.17%和16.8%，B組的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率分別為1.96%和21.7%，C組的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率分別為2.52%和18.7%。質(zhì)量損失率排序?yàn)镃>A>B，強(qiáng)度損失率排序?yàn)锽>C>A，由于質(zhì)量損失率均未>55%，因此以強(qiáng)度損失率來評(píng)價(jià)抗凍性，即為A>C>B。三組集料配合比下均具有較好的抗?jié)B性能，故試件不易達(dá)到飽和狀態(tài)，不易產(chǎn)生冰凍破壞，同時(shí)砂巖碎石粒徑小，而且天然砂填充性好，故孔結(jié)構(gòu)連通性較少，可緩解水在水泥石中遷移產(chǎn)生的壓力破壞。

2.5 抗硫酸鹽侵蝕

不同集料配合比下水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)結(jié)果見后頁(yè)圖4。由圖4可知：在5%濃度硫酸鹽溶液干濕循環(huán)作用下，90次過后的水泥混凝土耐蝕系數(shù)均>90%，A、B、C三組的耐蝕系數(shù)分別為93.3%、90.4%和82.1%；當(dāng)經(jīng)歷120次干濕循環(huán)后，耐蝕系數(shù)分別降至85.6%、80.4%和82.4%，抗硫酸鹽侵蝕能力排序?yàn)锳>C>B。這是由于天然砂相比機(jī)制砂填充效果更好，水泥混凝土的密實(shí)度更高，抗?jié)B性更好，使得硫酸根離子進(jìn)入試件的難度增加，減少了與混凝土中氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)的概率，而使用機(jī)制砂的水泥混凝土在硫酸根離子反復(fù)作用下（經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成鹽結(jié)晶，產(chǎn)生體積膨脹應(yīng)力，對(duì)混凝土造成膨脹損傷），表面漿體出現(xiàn)了剝落和剝離現(xiàn)象，一部分滲透通道貫通，因而后期耐腐蝕系數(shù)下降幅度較快。

2.6 早期抗裂

不同集料配合比下水泥混凝土早期抗裂試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可知：A組的平均開裂面積最小，僅為12 mm2/條，其次為B組，為14 mm2/條，C組的平均開裂面積最大，達(dá)到19 mm2/條，A、B、C三組的單位面積裂縫數(shù)分別為13.2條/m2，15.9條/m2和10.2條/m2。從單位面積的總開裂面積來看，B組的單位面積總開裂面積最大，為223 mm2/m2；其次為C組，單位面積總開裂面積為194 mm2/m2；最小的為A組，單位面積總開裂面積僅為158 mm2/m2；故早期抗裂性排序仍然為：A>C>B。砂巖質(zhì)地堅(jiān)硬，抗拉強(qiáng)度較高，砂巖碎石表面構(gòu)造相對(duì)更為粗糙，有利于和水泥漿體形成更強(qiáng)的粘結(jié)力，同時(shí)天然砂配制的混凝土界面過渡區(qū)的寬度更小，因而更不易產(chǎn)生裂縫。

3 結(jié)語

對(duì)比分析了砂巖碎石+天然砂（A）、砂巖碎石+砂巖機(jī)制砂（B）、玄武巖碎石+天然砂（C）三種集料組合下水泥混凝土的耐久性能，得出如下結(jié)論：

（1）采用砂巖碎石+天然砂集料組合的水泥混凝土耐久性最好，其次為玄武巖碎石+天然砂集料組合，最差的為砂巖碎石+砂巖機(jī)制砂集料組合，即表現(xiàn)為：A>C>B。

（2）三種集料組合下，抗水滲透性均>P30，抗氯離子滲透性均滿足100年的設(shè)計(jì)使用需求，A組的抗碳化能力滿足T-Ⅴ等級(jí)，B組和C組的抗碳化能力滿足T-Ⅳ等級(jí)。

（3）本文僅對(duì)砂巖和玄武巖集料進(jìn)行了探討，也僅采用最常用的C40水泥混凝土開展了相關(guān)試驗(yàn)，關(guān)于其他材質(zhì)強(qiáng)度等級(jí)和集料的研究將在今后做進(jìn)一步補(bǔ)充。

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收稿日期：2023-09-26