风化砂混凝土的抗冻性研究及改良试验

杨 俊 罗空空

(三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

随着三峡库区旅游业经济的快速发展，原有道路已难以满足日益增长的交通需求，大量的道路开始改造、兴建，混凝土的需求量越来越大，由此河沙的需求也随之日益增加.由于库区以山地为主，交通运输不便，造成河沙的运输成本较高，且经常供不应求.通过前期的调研，发现三峡库区因其独特的地貌特征，沿线分布着大量的风化砂资源，但因其物理力学性质和耐久性较差，导致难以直接应用于实际工程中[1-3].若能用风化砂取代河沙作为混凝土的细骨料，应用于道路建设，对于推动三峡库区的经济发展将具有十分重要的意义.

国内外学者对各类风化砂的性质与应用做了大量的研究，如C.W.W.Ng等[4]通过试验对比研究了风化红土和风化花岗岩土的压缩性，发现风化红土的可压缩性较风化花岗岩土降低了36%.梁为邦[5]对云南保山地区的花岗岩风化砂用作土石坝填料进行了可行性研究，结果表明，风化砂的物理性质、长期稳定性和动力特性均能满足工程应用的要求.WEI Houzhen，等[6]研究了风化玄武岩的含量对土-岩混合物性能的影响，研究表明，随着岩块含量的增加，混合物显示出越来越明显的应变硬化行为，在达到峰值剪切强度之前，混合物的应力比和位移-增量比之间存在幂律关系.庄心善，王子翔[7]将不同比例的风化砂掺入膨胀土中对其进行改良，试验结果表明，风化砂能显著降低膨胀土的膨胀率，增大其抗剪强度.雷俊安，杨俊[8]采用不同质量比的石灰和粉煤灰对三峡库区风化砂进行稳定处理，然后进行不固结不排水三轴试验，发现二灰稳定风化砂试件的应力-应变关系表现为应变软化型.

目前关于将风化砂用作混凝土细骨料的研究鲜有报道，只有少数学者对于将风化砂用作三峡大坝混凝土的细骨料做了一些基本物理性质和砂浆强度方面的可行性研究[9-10].笔者前期通过将风化砂100%取代河沙配制风化砂混凝土，然后进行抗压及抗折强度试验，发现风化砂混凝土的28d抗压强度达到普通混凝土的89.2%，28d抗折强度达到普通混凝土的96.8%[11]，用风化砂取代河沙并未导致混凝土的强度有较大降低，具备一定的工程应用价值.混凝土道路在实际运营的过程中还会受到环境作用的影响，要想将风化砂混凝土应用于道路建设中，其抗冻性也必须达到普通混凝土的标准，故本文在前文研究的基础上，通过进一步研究冻融循环作用下风化砂混凝土抗压强度与抗折强度的变化规律，并用减水剂对其进行改良，以此来论证将风化砂混凝土用于三峡库区道路建设的可行性，并为当地风化砂资源的有效利用提供参考.

1 试验材料

1.1 水泥

试验所用水泥为华新水泥(宜昌)有限公司生产的32.5级硅酸盐水泥，基本物理参数见表1.

表1 水泥基本物理性质

1.2 风化砂

试验所用风化砂取自湖北省宜昌市三峡库区某砂料场，为花岗岩风化而成，呈黄褐色，颗粒大小不一，形状不规则，棱角明显，大颗粒受力易破碎.其基本物理性质见表2，级配曲线如图1所示.

表2 风化砂基本物理性质

图1 风化砂级配曲线

1.3 河沙

试验所用河沙表观密度为2520kg/m3，含泥量为2.1%，云母含量为1.1%，细度模数为2.76，系II区中砂.

1.4 碎石

参考JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》，配比粒径分别为2.36～9.50mm、9.50～19.00mm、19.50～31.50mm 3类不同的碎石，得到级配优良的中间级配，小、中、大3类碎石的质量比为3∶4∶3，其级配曲线如图2所示，物理性质指标见表3，均能满足规范要求.

图2 碎石级配曲线

表3 碎石物理指标

1.5 减水剂

试验所用的减水剂为聚羧酸高效减水剂，由河北衡水友谊化工有限公司生产，其基本性质参数见表4.

表4 聚羧酸减水剂基本参数

1.6 水

试验用水采用自来水.

2 试验方案

试验配合比参照JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》进行计算，基准混凝土设计强度为C30，采用风化砂100%取代普通河沙制备风化砂混凝土，并用普通河沙混凝土作为对照组.根据使用说明，将聚羧酸减水剂掺量为0.15%、0.2%、0.25%、0.30%、0.35%的风化砂混凝土分别养护28d，然后进行抗压强度试验，得到最大抗压强度值为38.61 MPa，从而确定聚羧酸减水剂的最佳掺量为0.3%，配合比见表5.普通河沙混凝土、风化砂混凝土和改良风化砂混凝土均采用此配合比.

表5 混凝土配合比

参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，抗压强度试验选择边长为150mm 的立方体标准试件，抗折强度试验选用边长为150mm×150mm×550mm 的棱柱体标准试件.将风化砂、碎石、水泥、减水剂按比例倒入HJW-30型强制式单卧轴搅拌机中搅拌1min，再加水搅3min，使混凝土拌合均匀.然后将混凝土装入模具中成型，再将模具放在ZS-10型振动台上振捣密实.最后将模型放在20℃的环境下静置24h后脱模，将脱模的试件编号后放入标准养护室(温度(20±1)℃，湿度＞95%)养护.

试件养护龄期为28d，在规定龄期的前4d，将试件放在(20±2)℃的水中浸泡，水面高出试件20mm，4d后进行冻融试验.根据规范要求，一轮冻融循环中，饱和试样放在-20℃～-18℃的冻融箱内的冻结时间为4h(计时从温度降至-18℃开始)，再放入18℃～20℃的水中进行融化(试样被完全浸没)，融化时间为4h.设计冻融循环次数分别为40、80、120、160、200次，在进行相应次数的冻融循环后分别进行抗压及抗折强度试验，每组试验需做3组平行试验，在误差允许的范围内取3组试验的平均值作为最终结果.

3 试验结果及分析

3.1 冻融循环对风化砂混凝土抗压强度的影响及改良试验

以冻融循环次数为横坐标，抗压强度、抗压强度损失率为纵坐标，绘出普通混凝土、风化砂混凝土及改良风化砂混凝土抗压强度、抗压强度损失率随冻融循环次数变化的曲线图，如图3～4所示.

图3 冻融循环下3类混凝土抗压强度变化曲线

图4 冻融循环下3类混凝土抗压强度损失率变化曲线

通过图3、图4可以得出：无论是普通混凝土，还是风化砂混凝土，随着冻融循环次数的增加，抗压强度均逐渐降低，但两者的抗压强度变化速率有较大差别.当经过40～120次冻融循环后，普通混凝土的抗压强度损失率为12.16%～28.22%，风化砂混凝土的抗压强度损失率为13.49%～34.44%，此时两者抗压强度损失率的差值为1.33%～6.22%，说明当冻融循环次数小于120次时，两种混凝土的抗冻性较为接近.当经过160～200次冻融循环后，普通混凝土的抗压强度损失率为33.99%～41.15%，风化砂混凝土的抗压强度损失率为51.60%～61.08%，两者抗压强度损失率的差值为17.61%～19.93%，表明经过160次冻融循环后，风化砂混凝土的抗压强度损失显著增加，抗冻性较普通混凝土有较大降低.

经过减水剂改良后，风化砂混凝土的初始抗压强度达到38.61MPa，较未经改良的风化砂混凝土提高了41.90%，较普通混凝土提高了14.23%.在经过40次冻融循环后，其抗压强度损失率为5.93%，较未改良的风化砂混凝土降低了7.56%，较普通混凝土降低了6.23%.当经过200次冻融循环后，其抗压强度损失率为33.49%，较未经改良的风化砂混凝土降低了27.59%，较普通混凝土降低了7.66%，表明改良后风化砂混凝土的抗冻性有较大提升，能够达到普通混凝土的标准.

3.2 冻融循环对风化砂混凝土抗折强度的影响及改良试验

以冻融循环次数为横坐标，抗折强度、抗折强度损失率为纵坐标，绘出普通混凝土、风化砂混凝土和改良风化砂混凝土的抗折强度、抗折强度损失率随冻融循环次数变化的曲线图，如图5～6所示.

图5 冻融循环下3类混凝土抗折强度变化曲线

图6 冻融循环下3类混凝土抗折强度损失率变化曲线

分析图5、图6可以得出：随着冻融循环次数的增加，风化砂混凝土和普通混凝土的抗折强度均不断降低，但两者的抗折强度损失率有较大差异.在经过40～120次冻融循环后，普通混凝土的抗折强度损失率为15.18%～33.26%，风化砂混凝土的抗折强度损失率为17.20%～39.45%，两者抗折强度损失率的差值为2.02%～6.19%，说明此时两者的抗冻性相差较小.当经过160～200次冻融循环后，普通混凝土的抗折强度损失率为41.29%～49.55%，风化砂混凝土的抗折强度损失率为51.15%～63.76%，两者抗折强度损失率的差值为9.86%～14.21%，约为冻融前期两者抗折强度损失率差值的2倍，此时风化砂混凝土的抗冻性显著降低.

经过减水剂改良后，风化砂混凝土的初始抗折强度为5.4MPa，较未经改良的风化砂混凝土提高了23.85%，较普通混凝土提高了20.54%.在经过200次冻融循环后，其抗折强度损失率为42.22%，较未经改良的风化砂混凝土降低了21.54%，较普通混凝土降低了7.33%，表明改良后风化砂混凝土的抗冻性得到显著提升.

3.3 机理及分析

分析其作用机理，主要为当冻融循环次数较少时，普通混凝土与风化砂混凝土试件表面均较为密实，在泡水过程中，水分难以渗透到试件内部，导致冻结膨胀力对试件的强度影响较小.另一方面，由于风化砂颗粒表面棱角分明，在混凝土的搅拌过程中会引入大量空气，使得混凝土内部形成许多微小的气泡，在振捣过程中残留的气泡会在混凝土中产生许多孔洞，使得风化砂混凝土试件内部初始缺陷较多，从而使其抗冻性较普通混凝土有一定程度的降低，所以当经过40～120次冻融循环时，风化砂混凝土的抗压与抗折强度较普通混凝土有稍许降低，此时两者的强度损失率差值仅为1.33%～6.22%，抗冻性较为接近.