机制砂混凝土抗滑性能的影响因素分析

2021-10-14容洪流周泽华陈飞宏

科学技术与工程 2021年27期

容洪流，周泽华，肖璐，陈飞宏

(1.广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004； 2.广西特殊地质公路安全工程技术研究中心，南宁 530004; 3. 中国建筑第八工程局有限公司，南宁 530004)

水泥混凝土路面具有承载力强、平整度好、行车舒适等优点，广泛应用于我国交通建设的各个领域[1]。路面抗滑性能是路面结构的主要特征之一[2]。朱晟泽[3]研究了刻槽形式对路面抗滑性能的影响。刘清泉[4]指出混凝土抗滑性能随着集料细度和砂率的增加而增加。Alaskar[5]研究了不同聚丙烯(poly propylene, PP)纤维掺量下混凝土耐磨、抗滑性能的变化规律。Ghoddousi[6]比较了分别掺入湿润或干燥条件下纳米颗粒对混凝土抗滑性能的影响，指出使用干燥条件下的纳米颗粒可将混凝土抗滑性能提升20%。以上研究普遍是基于天然河砂进行的，然而在我国道路建设最为迅速的西南山区，普遍面临着天然河砂短缺、运输成本过高的问题，采用机制砂部分或全部代替天然河砂势在必行。

此前科研人员已对机制砂混凝土强度、抗冻性、耐腐蚀性[7-9]等方面进行了丰富的研究，在路面混凝土领域已经得到日益广泛的应用。谢吉程[10]指出砂率、压碎值对机制砂混凝土耐磨性的影响最为显著。王稷良[11]研究了机制砂亚甲蓝(methylene blue,MB)值对路面混凝土抗盐冻性能的影响规律。但关于机制砂混凝土路面抗滑性能的相关研究较少。路面抗滑性是由表观粗纹理和微观细纹理共同作用的结果[12]。粗纹理取决于路面结构和刻槽形式，此方面已有较多研究[3, 13-15]；细纹里取决于路面材料的自身构造，在近几年刚刚得到关注[16-17]。机制砂的岩性组成、粗糙程度、表观形状等因素与天然河砂均存在一定程度的差异，且含有一定量的石粉，明显改变了混凝土表面的细观纹理，对路面抗滑性能的影响不可忽视，有必要进行针对性研究。

基于摆式摩擦试验(british pendulum number，BPN)和表面回弹试验，研究了机制砂替代河砂比例(即机制砂掺率)、水灰比、砂率、石粉含量等因素对混凝土抗滑性的影响规律，基于灰色系统理论进行了各影响因素的重要程度排列，通过多元回归分析得到了在未刻槽情况下机制砂混凝土路面抗滑性能的预测模型。性会影响路面远期的抗滑性能。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

水泥：采用“驼山”牌P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，粗集料采用5～25 mm级配碎石，细集料采用天然河砂和石灰石机制砂，减水剂采用拓达建材公司生产的萘系高效减水剂。原材料主要性能见表1～表3。

表1 驼山牌P.O 42.5水泥的物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of camel mountain P·O42.5 cement

表2 5～25 mm连续级配碎石性能指标Table 2 Performance index of 5～25 mm continuous graded gravel

表3 细集料的物化性能Table 3 Physical and chemical properties of fine aggregates

1.1 试验方法

制备300 mm×300 mm×100 mm的混凝土板，通过调节减水剂使拌合物坍落度保持在40 mm左右。根据规范要求，所有试件均未刻槽。在标准环境中养护到28 d进行试验。采用BM-Ⅲ型摆式摩擦系数测定仪表征混凝土抗滑性能；采用碳化-回弹法表征混凝土强度。具体试验步骤按《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450—2019)进行。混凝土配合比如表4所示。

表4 试验配合比Table 4 Mix proportion in test

2 试验结果与分析

2.1 机制砂掺率对抗滑性能的影响

本研究测试了机制砂掺率对混凝土抗滑性能和强度的影响关系，如图1所示。从图1中可以看出，随着机制砂取代河砂掺量的提升，混凝土强度升高但BPN值逐渐下降。说明机制砂试件的抗滑性能低于河砂，这主要是因为机制砂中的石粉会产生辊珠效应[18]。石粉在混凝土内部起到改善流变性能的作用[19]，在混凝土表面时则会产生微滚动作用降低混凝土表面摩擦力。图2为100%机制砂，50%机制砂+50%河砂、100%河砂表面纹理放大30倍后的微观构造图，可以看出机制砂试件表面有较多浮浆，机制砂与河砂复掺试件浮浆较少并且可以观察到部分细骨料纹理，河砂试件可以清晰看到内部砂浆纹理。混凝土表面纹理随着机制砂掺率的增加而趋于光滑，这主要是因为机制砂塑性黏度低于河砂[20]，容易产生微离析现象。

图1 机制砂掺率对混凝土性能的影响Fig.1 Effect of different mixing ratio of manufactured sand on concrete performance

图2 不同机制砂掺率下的混凝土表面构造Fig.2 Surface structure of concrete with different mixing rate of manufactured sand

2.2 水灰比对抗滑性能的影响

不同水灰比情况下机制砂试件的抗滑如图3所示。通过图3可出混凝土抗滑性能与强度变化幅度一致，均随着水灰比的升高而衰减。当水灰比取0.35时混凝土抗滑性能最高，BPN值为30；当水灰比取0.51时BPN值最低，为22。抗滑性能不断衰退是因为当水灰比增高时，混凝土表层更容易产生微离析和微泌水[21]。结合图4可以看出，随着水灰比增高，混凝土表面的浮浆层逐渐增厚。浮浆层结构松散、水化程度较低，强度比整体结构低20%左右[22]。机制砂中石粉的密度比水泥低，在振捣、整形的过程中可能掺混在浮浆中[23]。最终造成局部石粉含量偏高，形成细密、光滑的浮浆层，削弱表层砂浆自身的微观构造。

图3 水灰比对混凝土性能的影响Fig.3 Effect of water cement ratio on concrete performance

图4 不同水灰比下的混凝土表面构造Fig.4 Surface structure of concrete under different water cement ratio

2.3 砂率对抗滑性能的影响

图5给出了砂率与机制砂混凝土抗滑性能的关系。从图5可知，混凝土强度和抗滑性能均随着砂率的提升呈现先升高后降低的趋势。当砂率低于36%时，混凝土抗滑性和强度均逐渐升高。在一定范围内，细骨料用量的增加会使路表砂浆层的微观构造更加粗糙，提升路面的综合品质。这与刘朝晖、郑健龙等[24]的总结是一致的。但当砂率继续增加时强度与抗滑性下降明显，砂率42%时混凝土强度和BPN值分别比36%时下降了9.2%和14%。这是因为机制砂中含有一定量的石粉，当增加细骨料用量时会不可避免地增加石粉含量。当石粉含量提升到一定程度时，石粉对混凝土表观构造的影响将超过砂率的影响，使混凝土抗滑性能降低。

图5 砂率对混凝土性能的影响Fig.5 Effect of sand ratio on concrete performance

2.4 石粉含量对抗滑性能的影响

图6是不同石粉含量与机制砂混凝土抗滑性能的关系曲线。结合图7可以明显地看出，随着石粉掺量的升高，混凝土表面浮浆层逐渐增厚。同时抗滑性能随着石粉含量的增加不断下降。当石粉掺率为20%时BPN值仅为20，相比掺率3.6%时下降1/3。过量的石粉不仅会造成级配紊乱，影响混凝土的综合性能；还会上浮至混凝土表层，削弱砂浆本身的微观结构。试验结果证明现行规范《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/TF 30—2014)要求石粉含量最高不超过5%～7%是合理的。当石粉含量由7%增加至10%时，BPN值下降14.3%。

图6 石粉含量对混凝土性能的影响Fig.6 Effect of stone powder content on concrete performance

图7 不同石粉含量下的混凝土表面构造Fig.7 Surface structure of concrete with different stone powder content

3 机制砂混凝土抗滑性影响因素的分析与预测

3.1 基于灰色系统理论的灰关联因子排序

灰色系统理论由中国邓聚龙院士首先提出，经过近40年的发展已广泛应用于工程、医疗、军工等各个领域[25]。基于灰色关联理论，采用均值化分析方法，将BPN值和强度设为母序列，将机制砂掺率、水灰比、砂率、石粉含量设为子序列，分析机制砂混凝土抗滑性和强度各影响因素的重要程度。灰关联系数和关联度的计算方法如式(1)、式(2)所示，得到关联度如表5所示。

(1)

(2)

式中，L0i(k)为子序列i与母序列0的关联系数；r0i为对应的关联度；ρ为分辨系数，取0.1；Δmax与Δmin表示比较序列绝对差中的最大值和最小值；xi(k)表示k时刻第i列无量纲化后的数值；N为数据个数。

由表5可知，砂率和水灰比对机制砂混凝土抗滑性能与强度的影响最为密切，关联度均高于0.9，为主要相关因素。而机制砂掺量的关联度最低，为0.63。这说明机制砂掺量的影响是可控的，通过优选砂率、水灰比与石粉含量的配合比可以制备出抗滑性能优良的机制砂混凝土路面。