石灰巖-砂巖組合骨料混凝土力學特性試驗研究

趙勝利,張國輝,魏 雄,楊振東

(1.中信建設有限責任公司,北京 100027; 2.昆明理工大學 電力工程學院,云南 昆明 650500)

粗骨料是混凝土的重要組成部分,約占混凝土材料總質量的75%,不同的骨料特性對混凝土性能的影響尤為顯著[1-2]。石灰巖骨料強度高、骨料粒形好、熱學性能佳,是人工骨料中的首選之一。近年來我國混凝土澆筑量快速增長,對優質石灰巖粗骨料的需求量巨大。受優質骨料價格及運輸成本限制,導致不少地區優質粗骨料資源十分短缺[3-4]。利用我國西南地區工程開挖產生的豐富的砂巖資源替代部分石灰巖骨料,形成砂巖-石灰巖組合骨料不僅可以解決石灰巖骨料價格高昂和運輸不便的問題,還可以提高資源利用率,就地取材,具有良好的經濟及社會效益。砂巖骨料具有強度相對較低,多孔吸水以及針片率高等特性,組合骨料可充分利用不同骨料的優勢,進而提升混凝土物理力學特性,滿足工程使用要求[5-6]。

系統開展地緣性骨料與優質骨料的組合骨料混凝土物理力學特性影響規律研究對實現綠色可持續工程建設意義深遠。部分研究者首先就砂巖骨料特性及砂巖骨料混凝土性能展開研究,楊林等開展了砂巖原巖巖礦鑒定和物理力學性能試驗,測試分析了大吸水率砂巖碾壓混凝土強度及抗滲和抗凍性能,表明大吸水率砂巖骨料亦可滿足碾壓混凝土的相關要求[7]。為降低純砂巖骨料混凝土的堿骨料反應和干縮性,增強砂巖骨料混凝土強度及抵抗變形能力,部分研究者隨即開展了砂巖與其他優質骨料的組合運用研究。肖翔和董蕓等提出采取組合骨料,摻入高摻粉煤灰以及嚴控堿含量可以有效將ASR反應控制在較低水平[8-9]。羅鍵等開展了石英砂巖粗骨料與灰巖細骨料的組合骨料混凝土溫度變形及絕熱溫升等特性研究, 驗證了水庫壩體堆石混凝土采用組合骨料是可行的[10]。陳治旭等得到了與全砂巖骨料相比,砂巖-大理巖組合骨料能提高全級配混凝土的抗壓強度、降低混凝土的干縮和自生體積變形的結論[11],但未涉及砂巖-石灰巖組合骨料。研究者亦對不同巖性的粗細骨料組合開展了探索性研究。張建峰等選取了4 種不同粗細骨料組合,在相同條件下進行了抗沖磨混凝土的力學、變形、熱學和抗沖磨性能試驗。研究結果表明骨料特性對混凝土力學性能、變形性能、熱學性能和抗沖磨性能均有影響[12]。董海英等研究結論表明采用組合骨料,且骨料為間斷級配時,與采用單一骨料時對比,降低了粉煤灰摻量,水膠比變大,用水量增加[13]。目前研究者較多關注機制砂河砂組合細骨料混凝土物理力學性能研究,針對粗骨料種類,主要就各類型粗骨料混凝土差異性展開研究,關于地緣性砂巖粗骨料與優質石灰巖骨料摻配使用研究較少。石灰巖砂巖組合骨料混凝土,由于砂巖的高吸水率,研究者較多關注砂巖骨料混凝土干縮性及徐變性能[14],針對組合骨料中優質石灰巖骨料占比對混凝土物理力學特性研究尚不系統,有必要系統開展組合骨料混凝土物理力學特性研究,探究組合骨料中優質石灰巖骨料的優化占比,為優質石灰巖摻配地緣性砂巖骨料的實際工程運用提供支撐。

本文通過物理試驗,設置5種不同石灰巖與砂巖占比的組合骨料,在相同配合比條件下,系統研究砂巖與石灰巖粗骨料占比對混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度以及彈性模量的影響規律,并綜合強度、彈性模量演化規律及材料經濟性,提出砂巖與石灰巖組合骨料的石灰巖優化推薦占比,為砂巖與石灰巖組合骨料的實際工程運用提供支撐。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及設備

水泥選用云南宜良紅獅水泥有限公司生產的P·C 42.5級復合硅酸鹽水泥,其初凝時間為148 min,終凝時間為285 min,安定性合格,標準稠度用水量為26.4%。細骨料采用中砂,細度模數為2.65,表觀密度為2718 kg/m3,堆積密度為1 644 kg/m3,含泥量0.2%,有害物質含量均在規定值以下。粗骨料采用砂巖與石灰巖組合骨料,砂巖與石灰巖粗骨料均為機制碎石,最大骨料粒徑均為40 mm,均為2級配,其中小石5 mm～20 mm和中石20 mm～40 mm的質量比為1∶1。骨料級配對混凝土性能存在影響,砂巖與石灰巖骨料級配的差異勢必將影響組合骨料混凝土物理力學性能的評價。故將石灰巖與砂巖骨料進行了預篩分,石灰巖與砂巖骨料篩分級配曲線基本相似,石灰巖及砂巖粗骨料篩分級配曲線見圖1,砂巖與石灰巖粗骨料其他物理參數詳見表1,本試驗采用的砂巖與石灰巖粗骨料如圖2所示。混凝土強度試驗機采用上海華龍儀器公司生產的WAW-1000微機控制電液伺服萬能試驗機,最大試驗力可達1 000 kN,位移測量精度為±0.5%。

圖1 石灰巖與砂巖粗骨料的篩分級配曲線

圖2 砂巖和石灰巖粗骨料

1.2 試驗設計與方法

試驗控制因素為粗骨料類型及組合質量比,石灰巖粗骨料與砂巖粗骨料質量比設置5種組合,試驗設計分組詳見表2。試驗研究指標為混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量。由于砂巖與石灰巖粗骨料吸水率存在顯著差異,故將砂巖和石灰巖碎石進行10 d浸泡處理,使砂巖及石灰巖粗骨料均達到飽和狀態后進行混凝土拌和,排除粗骨料吸水率差異導致的配合比變化。為避免粗骨料級配差異影響,將石灰巖與砂巖骨料分5級篩分,配置級配相近的砂巖骨料與石灰巖骨料。在混凝土配合比保持不變條件下,按照預設砂巖與石灰巖粗骨料質量占比,拌和形成砂巖與石灰巖組合粗骨料混凝土,研究砂巖與石灰巖粗骨料質量比對混凝土力學特性影響規律。試驗混凝土水灰比為0.57,其中水、水泥、細骨料、粗骨料質量比為1.00∶1.76∶5.10∶7.06。混凝土試件標準養護28 d后,進行抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量的檢測試驗。試驗執行標準為《水工混凝土試驗規程》[15](SL 532—2020)。每個試驗組設置6塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件,其中3塊檢測抗壓強度,其余3塊檢測劈裂抗拉強度。6塊尺寸為φ150 mm×300 mm圓柱體試件,用于檢測混凝土彈性模量。

表2 試驗分組

2 試驗結果與分析

2.1 組合骨料混凝土抗壓強度變化規律

根據不同組合粗骨料條件下混凝土抗壓強度試驗值,以石灰巖與砂巖的組合粗骨料中石灰巖占比為橫坐標,抗壓強度為縱坐標,得到混凝土抗壓強度隨石灰巖粗骨料占比變化曲線,如圖3所示。

圖3 混凝土抗壓強度隨石灰巖粗骨料占比變化曲線

由圖3可知,相同配合比條件下,混凝土抗壓強度受其粗骨料的種類及占比影響顯著。混凝土抗壓強度隨優質石灰巖骨料占比的增加而增大,說明相同配合比條件下,優質石灰巖粗骨料的摻入能夠有效提高混凝土抗壓強度。譬如,石灰巖與砂巖質量比為1∶1時的混凝土抗壓強度僅為二者質量比為1∶0的85.28%。 純石灰巖骨料及純砂巖骨料混凝土抗壓強度分別達到最大及最小值,純石灰巖粗骨料混凝土抗壓強度為純砂巖粗骨料的1.29倍。石灰巖粗骨料占比由20%增至50%時,對應的混凝土抗壓強度增幅僅為1%,基本保持不變。而當石灰巖粗骨料占比由0%增至20%、由50%增至100%時,對應抗壓強度增幅分別為8.63%和17.27%。說明僅考慮抗壓強度增幅,優質石灰巖骨料占比范圍為0%～20%、50%～100%時具有較好的性價比。

2.2 組合骨料混凝土劈裂抗拉強度變化規律

根據不同組合粗骨料條件下混凝土劈裂抗拉強度試驗值,以石灰巖與砂巖的組合粗骨料中石灰巖占比為橫坐標,劈裂抗拉強度為縱坐標,得到混凝土劈裂抗拉強度隨石灰巖粗骨料占比變化曲線,如圖4所示。

由圖4可知,相同配合比條件下,砂巖及石灰巖粗骨料占比變化對混凝土劈裂抗拉強度影響甚微,混凝土劈裂抗拉強度存在小幅波動,基本保持穩定。純砂巖粗骨料混凝土劈裂抗拉強度較純石灰巖骨料混凝土變幅僅為2.75%。僅考慮混凝土劈裂抗拉強度,優質石灰巖粗骨料的摻入對混凝土劈裂抗拉強度增益效應并不顯著,其原因與混凝土劈裂抗拉的破壞機理有關。試件劈裂破壞時,破壞面多是薄弱的粘結界面層,內部裂紋一旦產生便會快速擴展。由于砂漿基體抗拉強度均低于砂巖及石灰巖骨料,此時裂縫擴展將繞過骨料而發生曲折破壞,因而砂巖及石灰巖骨料顆粒阻礙微裂縫發展的能力是相同的,這導致純砂巖骨料混凝土與純石灰巖骨料混凝土劈裂抗拉強度試驗較為接近[16]。

圖4 混凝土劈裂抗拉強度隨石灰巖粗骨料占比變化曲線

普通混凝土抗拉強度一般約為抗壓強度的7%～14%,即拉壓比為0.07～0.14[17]。石灰巖砂巖組合骨料混凝土劈裂抗拉強度與其抗壓強度之比如表3所示。由表3可知,石灰巖砂巖骨料混凝土拉壓比平均值為0.078,且石灰巖砂巖骨料混凝土拉壓比隨石灰巖占比變化存在顯著差異。組合骨料混凝土拉壓比隨石灰巖占比的增加而降低,純砂巖骨料混凝土拉壓比為純石灰巖骨料拉壓比的1.24倍。石灰巖與砂巖組合骨料混凝土結構設計時應該充分考慮骨料種類及占比。

表3 組合骨料混凝土拉壓比

2.3 組合骨料混凝土彈性模量變化規律

根據不同組合粗骨料條件下混凝土劈裂抗拉強度試驗值,以石灰巖與砂巖的組合粗骨料中石灰巖占比為橫坐標,彈性模量為縱坐標,得到混凝土彈性模量隨石灰巖粗骨料占比變化曲線,如圖5所示。

圖5 混凝土彈性模量隨石灰巖粗骨料占比變化曲線

由圖5可知,相同配合比條件下,混凝土彈性模量受其粗骨料種類及占比的影響顯著,混凝土彈性模量隨優質石灰巖粗骨料占比的增加呈近似線性關系增大。優質石灰巖粗骨料占比范圍為0%～100%時,混凝土彈性模量增幅基本恒定。石灰巖骨料占比為80%時混凝土彈性模量為石灰巖骨料占比為20%時的1.17倍。純石灰巖骨料及純砂巖骨料混凝土彈性模量分別達到最大及最小值,純砂巖粗骨料混凝土彈性模量僅為純石灰巖骨料的73.40%。說明相同配合比條件下,優質石灰巖粗骨料的摻入能夠有效提高混凝土抵抗變形能力。

在混凝土結構變形及裂縫研究計算中均需先獲得混凝土彈性模量,研究石灰巖與砂巖組合骨料混凝土彈性模量與抗壓強度相關性對組合骨料混凝土結構設計研究具有重要意義。根據不同石灰巖骨料占比條件下的彈性模量與抗壓強度試驗值,擬合得到組合骨料混凝土彈性模量關于抗壓強度的預測方程,詳見式(1),其相關系數為0.954,相關性良好。圖6為組合骨料混凝土彈性模量實測值與預測值對比曲線。由圖6可知,試驗值與預測模型吻合較好,該預測方程可為石灰巖與砂巖組合骨料混凝土彈性模量預測提供支撐。

圖6 組合骨料混凝土彈性模量實測值與預測值對比曲線

(1)

式中:E為混凝土彈性模量,GPa;fc為混凝土抗壓強度,MPa。

2.4 砂巖與石灰巖骨料占比的綜合影響規律

以石灰巖骨料占比為0,即純砂巖粗骨料混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度以及彈性模量為基礎,定義各不同石灰巖骨料占比下的混凝土強度、彈性模量與純砂巖骨料混凝土強度、彈性模量之差,該差值再與純砂巖骨料混凝土強度、彈性模量之比為強度及彈性模量增幅。圖7為不同石灰巖骨料占比下混凝土強度與彈性模量增幅變化曲線。

圖7 組合骨料混凝土強度及彈性模量增幅變化曲線

由圖7可知,相同配合比條件下,混凝土抗壓強度及彈性模量增幅隨石灰巖骨料占比提高而增大,抗壓強度及彈性模量最大增幅達28.77%、36.23%,而石灰巖骨料占比對混凝土劈裂抗拉強度增幅基本無影響。結合石灰巖粗骨料單價80元/t,砂巖粗骨料單價50元/t,材料差價30元/t。基于石灰巖骨料占比對混凝土強度、彈性模量增幅規律以及經濟性的綜合考慮,石灰巖骨料占比區間0%～20%時,抗壓強度及彈性模量最大增幅分別為8.64%、4.64%,為石灰巖骨料低占比推薦區間。1 t砂巖石灰巖組合骨料,石灰巖占比20%時,石灰巖與砂巖組合骨料材料單價為56元/t,較純石灰巖骨料節省材料費24元/t。按照粗骨料需求10 t計算,即可節省材料費240萬元,經濟效益顯著。石灰巖骨料占比區間為20%～50%時,抗壓強度較20%占比時僅增加了1.17%,較石灰巖骨料的低占比區間0%～20%提升較小,且石灰巖骨料占比增加至50%時,組合骨料單價已增加至65元/t,經濟效益降低,故應盡量避免該石灰巖骨料的占比區間。石灰巖骨料占比區間為50%～80%時,混凝土抗壓強度及彈性模量最大增幅為15.72%、22.15%,強度及剛度提升顯著,此時的組合骨料單價已增加到74元/t,較純石灰巖單價差為6元/t,此時主要考慮其組合骨料混凝土是否滿足實際工程需求,經濟效益為輔。

3 結 論

(1) 石灰巖與砂巖級配相近條件下,組合骨料中石灰巖與砂巖占比差異對混凝土抗壓強度及彈性模量影響顯著,而對其劈裂抗拉強度影響甚微。隨石灰巖骨料占比的提高,混凝土抗壓強度及彈性模量均不同程度有所增加。純石灰巖骨料混凝土抗壓強度較純砂巖骨料混凝土增加了28.77%,純石灰巖骨料混凝土彈性模量較純砂巖骨料混凝土增加了36.23%,石灰巖骨料的摻入能有效提升混凝土強度及剛度。

(2) 組合骨料混凝土拉壓比隨石灰巖占比的增加而降低,純砂巖骨料混凝土拉壓比為純石灰巖骨料拉壓比的1.24倍。石灰巖與砂巖組合骨料混凝土結構設計時應該充分考慮骨料種類及占比。組合骨料混凝土彈性模量與其抗壓強度呈冪函數關系,且所建立的組合骨料混凝土彈性模量預測方程相關性良好。

(3) 基于石灰巖骨料占比對混凝土強度、彈性模量增幅規律以及經濟性的綜合考慮,石灰巖骨料的推薦低占比區間為0%～20%,推薦高占比區間為50%～80%,應盡量避開區間為20%～50%。以上研究成果可為砂巖-石灰巖組合骨料在中低強度等級混凝土實際工程運用提供支撐。