兰州地区商品混凝土用骨料性能试验研究

杜迎东，王起才，于本田，张 庆，王神力

(1．兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070;2．鞍钢建设集团有限公司，辽宁 鞍山 114021)

兰州地区商品混凝土用骨料性能试验研究

杜迎东1，王起才1，于本田1，张 庆2，王神力1

(1．兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070;2．鞍钢建设集团有限公司，辽宁 鞍山 114021)

为了解兰州地区商品混凝土用骨料的各项性能指标，对从兰州12家商品混凝土拌合站抽取的细骨料进行了颗粒级配、细度模数、含泥量、泥块含量和快速碱—硅酸反应等试验，对粗骨料进行了含泥量、泥块含量、针片状颗粒含量、快速碱—硅酸反应等试验。结果表明:兰州地区商品混凝土所用细骨料中粗颗粒所占比例偏大，颗粒级配不符合规范要求，含泥量较高，有明显的潜在碱—硅酸反应危害;而粗骨料泥块含量较高，发生碱—硅酸反应危害的概率较细骨料低。分析了问题产生的原因，并给出了优化建议。

商品混凝土 耐久性 骨料 颗粒级配 试验研究

砂石原材料作为混凝土的主要组成，其性能对高性能混凝土的性能影响巨大［1-5］，我国混凝土中的水泥用量和拌合用水比发达国家至少多用20%，不仅资源浪费严重，而且使硬化后的混凝土更易开裂，威胁结构物的耐久性，其主要原因就是砂石质量太差［6］。了解兰州地区骨料重要性能指标，分析骨料性能对高性能混凝土影响，进而给出建议，将对优化高性能混凝土配合比设计、保证结构耐久性具有重要意义。

本文以兰州地区商品混凝土用粗、细骨料为研究对象，进行了骨料性能指标的试验研究，分析了兰州地区商品混凝土所用砂石存在的问题，对问题的原因进行了分析，以期为兰州地区商品混凝土用骨料的选择提供理论依据。

1 试验材料

试验所用的粗、细骨料是在兰州12家商品混凝土拌合站现场抽取的，以代号 G1～G12表示在12家商品混凝土拌合站所抽取的石子，S1～S12表示所抽取的砂。其基本信息见表1。

2 测试内容及方法

依据《建设用砂》(GB/T 14684—2011)［7］对砂进行了含泥量、泥块含量、细度模数、颗粒级配、快速碱—硅酸反应等试验，依据《建设用碎石、卵石》(GB/T 14685—2011)［8］对石子进行了含泥量、泥块含量、针片状颗粒含量、快速碱—硅酸反应等试验。

表1 砂、石子基本信息

碱—骨料反应(AAR)是指混凝土胶凝材料中的水泥、矿物掺合料、外加剂和水中的碱与骨料中的碱活性物质(如活性SiO2等)在混凝土凝固后发生的一种缓慢的化学反应。反应生成的胶凝物质吸水后会发生膨胀，从而导致混凝土延伸、开裂，直至损坏，这种反应由内及外发生。按照混凝土中的碱与骨料中不同的活性物质的反应，把碱—骨料反应分为碱—碳酸反应(ACR)和碱—硅酸反应(ASR)。碱—硅酸反应所形成的反应产物是碱硅凝胶，碱硅凝胶的吸水性极强，吸水之后会产生很大的膨胀，使混凝土内部产生裂缝，导致混凝土耐久性降低或结构破坏［9］。碱—骨料反应是影响混凝土耐久性的一个十分重要的因素。其破坏的程度随骨料活性大小、反应类型、碱的含量、环境等级等的不同而有明显变化。通常碱—骨料反应造成的开裂破坏随时间变化而加剧，维修技术难度大，且费用昂贵，现已引起世界各国土木工程工作人员的高度重视。

碱—骨料反应采用快速砂浆棒法测试。具体为:将骨料和硅酸盐水泥混合制成的砂浆试件置于80℃，1 mol/L NaOH溶液中，定期测定试件的初始长度，依据试件14 d膨胀率评定骨料的碱活性大小。砂石料的检测结果评定需参考《建设用砂》(GB/T 14684—2011)和《建设用碎石、卵石》(GB/T 14685—2011)的规定:当14 d砂浆棒膨胀率＜0.10%时，在大多数情况可判断为无潜在碱—硅酸反应危害;当14 d砂浆棒膨胀率＞0.20%时，可以判定为有潜在碱—硅酸反应危害，不能用来配制轨道交通工程耐久性混凝土;当14 d砂浆棒膨胀率在0.10% ～0.20%时，不能最终判定有潜在碱—硅酸反应危害，这时可进行长期(6个月)碱—硅酸反应试验。采用快速碱—硅酸反应试验测试出的14 d砂浆棒膨胀率在0.10% ～0.20%之间的骨料，原则上不要用来配制轨道交通工程耐久性混凝土，如使用，则必须控制混凝土中的总碱含量，并按照现行国家标准《预防混凝土碱骨料反应技术规范》(GB/T 50733—2011)［10］进行碱活性抑制试验，抑制有效才能使用。

3 试验结果分析

表2、表3为在12家商品混凝土拌合站所取砂、石子性能指标测试结果，依据《铁路混凝土工程施工质量验收标准》(TB 10424—2010)［11］对各项性能进行分析。

表2 砂性能测试结果

表3 石子性能测试结果

由表2可知，从12家商品混凝土拌合站抽取的砂试样中，仅有S1，S6，S7和S10这4家砂试样的颗粒级配是符合要求的，仅占抽样总数量的33.33%，其他8家的砂试样的颗粒级配不合格。不合格的主要原因是砂颗粒中粒径≥4.75 mm粗颗粒所占比例超过规范限值，粒径≥4.75 mm的骨料实际上属于石子，这相当于无形中改变了混凝土砂率，增大了石子用量;而且大颗粒增多，导致这些骨料比表面积增大，与胶凝材料的粘结力减弱，同时也会导致骨料与胶凝材料之间的缝隙增大，过渡区更为松散，影响结构的耐久性［12］。造成砂中粗颗粒所占比例超过规范限值的主要原因是兰州地区的砂有较高的含泥量，砂场为了降低砂的含泥量，往往对泥砂进行水洗，而在水洗过程中，砂中细小颗粒也随泥被水带走，造成砂里的细颗粒流失，因而粗颗粒所占比例升高，并最终使得砂的颗粒级配无法满足要求。采用级配不合格的砂拌制混凝土时，由于粗颗粒较多，混凝土的孔隙率较大，填充这些孔隙所需要的胶凝材料的量就多，并易导致凝结硬化的混凝土和易性、强度和耐久性差。

《铁路混凝土工程施工质量验收标准》(TB 10424—2010)规定:配制C30及以下强度等级的混凝土，砂中含泥量不得超过3.0%，石子含泥量不得超过1.0%;配制强度等级 C30～C45的混凝土，砂中含泥量不得超过2.5%，石子含泥量不得超过1.0%;配制C50及以上强度等级的混凝土，砂中含泥量不得超过2.0%，石子含泥量不得超过0.5%，砂中泥块含量不大于0.5%，石子中泥块含量不大于0.2%。

由表2、表3可知，抽取的砂的含泥量较高，而石子的泥块含量较高。这是因为砂、石子厂家在生产时没有对其生产的砂石进行清洗或者清洗得不彻底所致，当原材料具有较高的含泥量或泥块含量时，会引起混凝土拌合用水量的增加，阻碍水泥与骨料的充分胶结，妨碍水泥的正常水化，使混凝土更容易被风化，进而影响混凝土强度、抗渗、抗冻、耐磨等性能。所以在实际配制混凝土之前要充分了解骨料中的含泥量和泥块含量，并进行必要处理，以保证混凝土质量。

图1为所抽取的砂、石子试样的泥块含量分布。由图1(a)可以看出，在抽取的12个砂样中，泥块含量超过0.5%的占总数的41.67%。由图1(b)可知，在抽取的12个石子试样中，有4个砾石试样、3个破碎砾石试样、5个碎石试样，其泥块含量超过0.2%的石子数量分别占各类型石子总数的 75%，33.33%和60%，而泥块含量超过 0.2%的石子占试样总数的58.33%。

图2为所抽取砂、石子试样的含泥量分布。由图2(a)可看出，在抽取的 12个砂试样中，含泥量超过3.0%的占总数的8.33%;含泥量在2.5% ～3.0%的同样占总数的8.33%;含泥量在2.0%～2.5%的占总数的16.67%;含泥量超过2.0%的占总数的33.33%。由图2(b)可知，在抽取的12个石子试样中，含泥量超过1.0%和含泥量在 0.5% ～1.0% 的均占总数的16.67%，而含泥量＜0.5%的占总数的66.67%。

由图3可知，14 d砂浆棒膨胀率＜0.1%的砂试样有0个，膨胀率在0.1% ～0.2%的砂试样有9个，膨胀率 ＞0.2%的砂试样有 3个，分别占试样总数的75%和25%;14 d砂浆棒膨胀率 ＜0.1%的石子试样有3个，膨胀率在0.1% ～0.2%的石子试样有8个，膨胀率＞0.2%的石子试样有1个，分别占试样总数的25%，67%和8%。砂、石子14 d膨胀率较大，说明该地区砂、石子试样的碱活性物质含量较高。这是因为兰州砂、石子骨料属于天山系水域形成的岩石，岩石含有50%以上凝灰岩，而这种岩性骨料是具有发生碱—硅酸反应的潜在碱活性骨料。因此在兰州地区进行混凝土配合比设计时，需进行原材料优选，控制水泥、外加剂和矿物掺合料中总碱含量，减少混凝土发生碱骨料反应的概率，从而保证混凝土耐久性。

图1 砂和石子的泥块含量分布

图2 砂和石子的含泥量分布

图3 砂和石子14 d膨胀率

4 结论与建议

通过对抽取的12个砂试样和12个石子试样的性能试验结果分析可知，骨料存在砂颗粒偏粗、级配不合格，及砂、石子中碱活性物质含量高等问题，将严重影响混凝土强度、工作性和耐久性。针对此问题，在进行高性能混凝土的配合比设计时建议:

1)改变砂率，使混凝土中粗大的缝隙尽可能被细砂填充，以改善混凝土的工作性。此外，还应关注破碎用机器以及破碎方法。破碎时应该使用反击式破碎机，在破碎尺寸较小砾石时，砾石极易形成针片状颗粒，会影响黏结强度，所以要控制砾石尺寸不宜过小。

2)为使砂的颗粒级配满足要求，可在砂洗过之后让其通过0.16 mm的筛子，把被冲走的细小颗粒反捞回来。

3)骨料14 d砂浆棒膨胀率在0.10% ～0.20%时，后期发生碱骨料反应可能性很大，因此使用其配制混凝土时必须控制总碱含量。在进行混凝土配合比设计时可使用低碱水泥或者优化矿物掺合料的掺量。此外，控制混凝土的含气量、使用高效减水剂也能有效减低混凝土中碱含量，最终降低发生碱—骨料反应的概率。

［1］姚保新．特长隧道耐久性混凝土配合比设计及施工控制［J］．铁道建筑，2014(1):121-125．

［2］于本田，刘树红，王起才，等．兰新铁路第二双线鄯善至乌鲁木齐段骨料性能试验研究［J］．铁道标准设计，2011 (2):9-12．

［3］朱凯．掺粉煤灰煤矸石轻骨料混凝土性能研究［J］．铁道建筑，2014(3):118-121．

［4］安明喆，苏阳，王月，等．粗骨料石粉含量对C50高性能混凝土性能的影响研究［J］．中国铁道科学，2013，34(4):27-31．

［5］廉慧珍．砂石质量是影响混凝土质量的关键［J］．混凝土世界，2010(8):28-32．

［6］王起才，鲍学英，曹兴龙，等．基于主成分分析法的C50高性能混凝土配合比优选研究［J］．铁道建筑，2013(4):152-155．

［7］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．GB/T 14685—2011 建设用碎石、卵石［S］．北京:中国标准出版社，2011．

［8］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．GB/T 14684—2011 建设用砂［S］．北京:中国标准出版社，2011．

［9］王起才，姜鹏．兰新铁路高性能混凝土碱—骨料反应试验研究［J］．西部交通科技，2010(11):69-72．

［10］中华人民共和国住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局．GB/T 50733—2011 预防混凝土碱骨料反应技术规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．

［11］中华人民共和国铁道部．TB 10424—2010 铁路混凝土工程施工质量验收标准［S］．北京:中国铁道出版社，2010．

［12］刑锋．混凝土结构耐久性设计与应用［M］．北京:中国建筑工业出版社，2011:17-18．

Experimental study on performance of aggregate used in commercial concrete in Lanzhou region

DU Yingdong1，WANG Qicai1，YU Bentian1，ZHANG Qing2，WANG Shenli1
(1．School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China; 2．Angang Construction Consortium Co．，Ltd．，Anshan Liaoning 114021，China)

T o study the performance parameters of commercial concrete aggregate in Lanzhou province，the paper takes the fine and coarse aggregates of 12 commercial concrete mixing centers in Lanzhou．Fine aggregates samples are put under tests for grain gradation，fineness modulus，silt content，silt-lump content and rapid AAR performance，while coarse aggregates samples are tested for silt content，silt lump content，elongated grain content and rapid AAR performance．T he results indicate that fine aggregate tend to be high in coarse particle ratio，concrete content and possibility of AAR risk，which does not comply with the regulation concerned．At the same time，the coarse aggregate displays a high silt-lump ratio，yet its potential for AAR risk is relatively low compared with fine aggregate．On this basis，the paper looks into the cause behind and offers countermeasures accordingly．

Commercial concrete;Durability;Aggregate;Grain gradation;Experimental study

TU528

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．36

(责任审编 葛全红)

2015-02-10;

:2015-06-10

长江学者和创新团队发展计划项目(IRT1139);铁道部科技研究开发计划项目(2012G011-A)

杜迎东(1990— )，男，辽宁海城人，硕士研究生。

1003-1995(2015)08-0127-04