砂率對機制砂混凝土強度及抗滑耐磨性能的影響分析

邢晗翰,周 坤,劉繼武,李舒陽

(1.中國葛洲壩集團第一工程有限公司,湖北 宜昌 443008;2.廣西道路結構與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;3.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國西部大開發的深入發展和西南陸海新通道的建設,廣西道路基礎設施建設正處于高速發展的快車道中。水泥混凝土路面具有強度高、剛度大等特點,其廣泛應用于高級公路、重載交通道路及農村公路中[1]。到“十四五”末期,廣西公路通車總里程將達14×104km,水泥混凝土路面的建設仍處于高峰期。然而,作為混凝土原材料的河砂因過度開采消耗巨大,不僅資源耗盡枯竭,而且對綠色生態環境造成破壞。因此,尋求一種資源豐富且符合可持續發展的新砂源代替河砂尤為迫切。研究表明機制砂能代替河砂摻入混凝土中并能有效提升混凝土各項性能,滿足路面結構性能基本要求[2-3]。

近年來,機制砂代替河砂在水泥混凝土路面中應用逐漸成為國內外學者研究的熱點[4-5]。謝開仲等[6]針對不同顆粒級配機制砂對混凝土性能的影響規律開展了相關研究研究,結果表明隨著機制砂顆粒粒徑的不斷增大,混凝土工作性能和力學性能呈現先提升后降低的變化趨勢,當力學性能的數值達到最大時,相比于天然砂混凝土提升了17.8%。陳飛宏等[7]研究了不同機制砂的水灰比對混凝土抗滑性和耐磨性的影響規律,發現混凝土路面的抗滑性和耐磨性隨著水灰比的降低而不斷提升,提出為了提高機制砂路面混凝土抗滑耐久性,應適當降低混凝土的水灰比。李振懷等[8]通過開展不同石粉含量機制砂混凝土的坍落度試驗和抗壓強度試驗,對混凝土流動性和抗壓強度開展研究,結果表明,當石粉含量不斷降低,對機制砂混凝土的流動性影響程度較大,而對強度影響程度較小。

當石粉含量≤7%,機制砂混凝土具有較好的流動性和強度。砂率是影響機制砂混凝土各項性能的重要因素,但關于其對混凝土各項性能的研究相對較少。研究機制砂砂率對混凝土流動性、強度及抗滑耐磨性的影響規律是機制砂能否在道路材料領域廣泛應用的關鍵。

因此,本研究制備了6種不同砂率(32%、34%、36%、38%、40%、42%)機制砂混凝土,通過開展混凝土坍落度測試、28 d抗壓強度劈裂強度測試、擺式摩擦及單位磨損量測試,研究不同砂率對機制砂混凝土的流動性、強度及抗滑耐久性的影響規律,為機制砂作為細骨料在道路材料領域的合理應用提供理論依據和實踐指導。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及配合比設計

本次試驗采用的是P·O 52.5級水泥;采用的細骨料為卵石生產的機制砂,其粒徑級配符合2區中砂的要求,細度模量為2.8,表觀密度為2.56 kg/m3,吸水率為1.6%,泥塊含量為0.4%;采用的粗骨料為石灰巖,壓碎值為18.4%,針片狀含量為1.1%,泥塊含量為0.3%,吸水率為0.3%,表觀密度為2.73 g/cm3;水為自來水;外加劑為聚羧酸減水劑。

為開展不同砂率對混凝土流動性、強度及抗滑耐久性的相關試驗研究,本研究采用6種不同的砂率,分別為32%、34%、36%、38%、40%、42%,設計了6組不同砂率混凝土,混凝土配合比設計如表1所示,其中水膠比為0.36,減水劑為1.3%,參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080-2016)制備混凝土試件。

表1 機制砂混凝土配合比設計數值表

1.2 試驗方法

為分析砂率對混凝土流動性、強度及抗滑耐久性的影響規律,按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080-2016)開展混凝土坍落度試驗;按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)開展混凝土28 d抗壓強度、劈裂強度試驗,混凝土試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm,達到28 d養護齡期;按照《公路路基路面現場測試規程》(JTG 3450-2019)開展抗滑性與耐磨性試驗,抗滑性采用擺式摩擦系數(擺值)進行評價,耐磨性采用單位磨損量進行評價。

2 結果與分析

2.1 機制砂混凝土流動性

圖1為砂率對機制砂混凝土坍落度的影響曲線圖。從圖1可以發現,隨著砂率不斷提高,混凝土坍落度呈現先降低后升高的變化趨勢。當砂率為32%,混凝土坍落度為90 mm,為全組中最大值。隨著砂率增大到38%和40%,混凝土坍落度降低至5 mm,相比于砂率為32%時降低了94.44%。當砂率為42%時,混凝土坍落度增大到20 mm,相比于砂率為42%時提升了300%。可以看出,砂率對混凝土流動性的影響程度較大,砂率的增大對混凝土的流動性有負面影響,砂率繼續增大,對流動性有著改善作用,但程度不大。當砂率適宜(32%和34%)時,機制砂能有效填滿粗骨料之間的空隙,保證粗骨料間存在一定厚度的砂漿以至于減少骨料相互作用產生的滑動阻力,促使漿體流變性能增大,有利于提升混凝土的流動性[9]。當砂率過大(>34%)時,由于骨料所占整體的表面積較大,導致包裹在骨料表面的水泥漿體厚度減小,削弱了水泥漿體對骨料的潤滑作用,同時砂率過大會增加混凝土中的含粉量,導致漿體的需水量增加,從而增加了混凝土的黏度,對漿體的流動性產生負面的影響[10-11]。因此,為有效保障混凝土流動性,機制砂的砂率不能過高。

圖1 不同砂率對機制砂混凝土坍落度的影響曲線圖

2.2 機制砂混凝土強度

圖2和圖3分別為砂率對機制砂混凝土的28 d抗壓強度、劈裂強度的影響柱狀圖。從圖2可以看出,隨著砂率的不斷增加,抗壓強度呈現不斷降低的變化趨勢。當砂率為32%時,混凝土抗壓強度為64.7 MPa,為全組中抗壓強度最高。隨著砂率從32%增大到36%,混凝土抗壓強度降低程度不大。當砂率持續增大到42%,混凝土抗壓強度僅為52 MPa,為全組中抗壓強度最低,相比于砂率為32%時,降低了19.63%。這是由于當砂率過大,混凝土中具有過多的漿體量,增加了包裹于骨料表面漿體厚度,削弱了骨料之間的咬合力,且砂率的增加提高了石粉含量,活性較低的石粉使得漿體與骨料之間的粘結力減弱,造成了混凝土的抗壓強度降低[12]。

圖2 不同砂率對機制砂混凝土28 d抗壓強度的影響柱狀圖

圖3 不同砂率對機制砂混凝土28 d劈裂強度的影響柱狀圖

相比于抗壓強度,砂率對混凝土劈裂強度呈現不同的變化規律。從圖3可以看出,隨著砂率的不斷增加,混凝土劈裂強度呈現先提升后降低的趨勢。當砂率為32%時,劈裂強度僅為2 MPa,為全組中強度最低。隨著砂率增大到36%,劈裂強度為全組中最高(3.57 MPa),相比于砂率為32%時提升了78.5%。砂率的提高,增大了混凝土中石粉的含量,從而增多了漿體的總量,且石粉具有填充效應,能有效填充混凝土中的微孔隙微裂縫,有利于提升界面過渡區的強度,密實度得到進一步提升,提高了混凝土劈裂強度[13]。隨著砂率持續增大,劈裂強度不斷降低。當砂率為42%時,劈裂強度僅為2.9 MPa,相比于砂率為36%時降低了18.77%。

2.3 機制砂混凝土抗滑耐磨性能

不同砂率對機制砂混凝土擺值的影響如圖4所示。由圖4可以看出,隨著砂率的增大,混凝土擺值呈現先降低后升高再降低再升高的變化趨勢,說明機制砂混凝土抗滑性能先減弱后提升再減弱再提升。當砂率為32%時,混凝土擺值為78。當砂率增大到34%,混凝土擺值降低至73,為全組中最低,混凝土抗滑性能最差。隨著砂率繼續增大至36%,混凝土擺值為89,是全組中最高,混凝土抗滑性能為最強。當砂率增大至38%、40%和42%,相比于砂率為36%時混凝土擺值呈現降低趨勢但變化程度不大,說明當砂率>36%時,砂率對混凝土的抗滑性能影響不大。在混凝土攪拌澆筑過程中,機制砂中的石粉會跟著水泥漿體上浮至混凝土表面;隨著砂率的增大,混凝土表面的石粉增多,導致混凝土摩擦系數降低,抗滑性能減弱[14]。

圖4 不同砂率對機制砂混凝土擺值的影響柱狀圖

不同砂率對機制砂混凝土單位面積磨損量如圖5所示。由圖5可以看出,隨著砂率的增大,單位面積磨損量呈現先增大后降低再增大的變化趨勢。當砂率為32%時,磨損量為0.6 kg/m2,為全組中最低,說明砂率為32%時的機制砂混凝土有著最優的耐磨性能。當砂率增加至38%,磨損量為1.55 kg/m2,為全組中最高,說明砂率為38%時機制砂混凝土的耐磨性能最差。當砂率過大,混凝土中水泥砂率體積增大,由于砂漿相比于碎石等粗骨料相對脆弱,使得混凝土的磨損量提高,導致混凝土的耐磨性變差[15]。

圖5 不同砂率對機制砂混凝土單位面積磨損量的影響柱狀圖

3 結語

本文通過開展不同砂率機制砂混凝土坍落度測試、抗壓強度測試、劈裂強度測試、擺式摩擦及單位磨損量測試,評價砂率對機制砂混凝土流動性、強度及抗滑耐磨性能的影響,得到以下結論:

(1)隨著砂率的增加,機制砂混凝土的流動性呈現先降低后提升的變化趨勢。當砂率為32%時,機制砂混凝土有著最優的流動性,坍落度高達90 mm。

(2)28 d抗壓強度隨著砂率的增加呈現不斷降低的變化規律,當砂率為32%時,抗壓強度為64.7 MPa,相比于砂率為42%時提升了24.42%。而28 d劈裂強度則隨著砂率增加呈現先提升后降低的趨勢,當砂率為36%時,劈裂強度為3.57 MPa,相比于砂率為32%時提升了78.5%。

(3)抗滑性能隨著砂率的增大呈現先減弱后提升再減弱再提升的趨勢,當砂率為36%時,混凝土抗滑性能為最強。而耐磨性能隨著砂率的增加呈現先提升后減弱再提升的趨勢,砂率為32%時的機制砂混凝土有著最優的耐磨性能,砂率為38%時機制砂混凝土的耐磨性能最差。