人工骨料坚固性指标对混凝土耐久性能影响研究

王恩辉

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

骨料作为混凝土的主要组成部分约占混凝土总体积的50%，骨料的力学性能直接影响着混凝土强度与抗渗、抗冻性能等耐久性性能。近些年，随着混凝土应用范围的扩大，对混凝土骨料的研究多集中在轻型骨料、再生骨料和高强骨料等方面，但对不满足规范要求的人工骨料一般均作为不合格料处理，对其配置的混凝土性能的相关研究很少。新疆某引水隧洞工程末端段衬砌混凝土可选骨料场仅有1处以石炭系火山角砾岩、安山岩为主爆破料场，工程区附近35km范围内再无合适料场，经初步检验该料场人工骨料除坚固性超标外，其余指标均满足规范要求，为充分节约工程成本和确保施工工期，本文结合工程实际，针对人工骨料坚固性对混凝土的性能影响进行了专题研究。

国内现行规范结合行业特点对骨料的坚固性均有明确规定，其最大允许值为粗骨料≤12%，细骨料≤10%。鉴于规范对坚固性控制指标的初衷是基于天然骨料品质特性制定的，电力行业标准DL/T 5144—2015《水工混凝土施工规范》针对近年来人工骨料工程应用中出现的坚固性超标问题，允许骨料坚固性指标“经试验论证可适当放宽”，目前国内现行规范对骨料坚固性的控制指标见表1。

表1 现行规范对骨料坚固性控制性指标统计

1 试验原材料

1.1 人工骨料

项目骨料场以石炭系火山角砾岩为主，局部夹弱蚀变绿泥石化凝灰岩和弱蚀变绢云母化安山岩，室内原岩检测物理性能见表2。

由表2得出，火山角砾岩各项力学能力明显优于安山岩。结合历次料场破碎骨料的坚固性试验结果情况，本次试验初拟了4个等级的坚固性指标区域进行骨料筛选，初拟骨料坚固性分级及料场骨料破碎后获得最终骨料坚固性分级检测数值见表3。人工骨料(砂、小石、中石)其他性能指标除砂的细度模数在3.0～3.2范围内较规范允许值偏大外，其他各项检测指标均满足SL 677—2014《水工混凝土施工规范》的规定要求。

表3 混凝土骨料坚固性分级表 单位：%

1.2 水泥

本次试验所用水泥是新疆阜康天山水泥有限责任公司生产的低碱中抗硫酸盐水泥。试验用水泥产品的主要化学成分、物理性能指标检验结果均满足GB 748—2005《抗硫酸盐硅酸盐水泥》的规定要求。

1.3 粉煤灰

试验采用新疆乾元盛I级粉煤灰进行试验，其化学分析试验结果、物理品质检验结果均满足DL/T 5055—2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》中对I级粉煤灰的技术要求。

注：经多次试验检测后，部分骨料等级坚固性获得指标与初拟等级界限略有差异，其中小石最大坚固性为19.3%，中石最小坚固性为10.7%。

2 混凝土性能试验

2.1 配合比与拌和物性能

基于工程主体衬砌混凝土C35W10F50为基准，根据骨料坚固性的4个等级，分3个批次分别制备C35W10F50混凝土试件，对混凝土配合比参数、拌和物的坍落度、含气量、凝结时间等进行检测分析，试验结果见表4。

表4 衬砌混凝土配合比与拌和物性能

由表4得出，配置混凝土配合比所采用的水胶比基本一致(0.39～0.40)，砂率在45%～47%之间，用水量在148～155kg/m3之间，坍落度范围在180～220mm，混凝土拌和物的性能都满足施工要求，骨料坚固性对衬砌混凝土配合比参数、拌和物的坍落度、含气量、凝结时间没有影响。

2.2 力学性能

不同坚固性等级骨料配置的混凝土强度随龄期的发展规律见表5，从表5中可以看出，骨料坚固性在前述范围内波动对C35衬砌混凝土抗压强度及轴拉强度影响不明显。

表5 衬砌混凝土抗压、轴拉强度检测成果统计表 单位：MPa

2.3 耐久性能

2.3.1抗冻性能

混凝土抗冻试验结果见表6。根据3批次的试验结果显示，骨料坚固性在上诉范围内波动配制的混凝土抗冻性等级均达到F300，但由于第3批次试验未掺加引气剂，其质量损失率和相对动弹性模量随试件冻融次数的增加数值变化见显著。另外，采用第四级坚固性值骨料配制的混凝土随着冻融循环次数的增加，相对动弹模量下降明显。

表6 混凝土抗冻试验成果统计表

2.3.2抗渗性能

衬砌混凝土抗渗试验结果列于表7。验试验结果表明各批次试验获得混凝土抗渗性能均达到抗渗等级W10以上，骨料坚固性大小的变化对混凝土的抗渗性没有影响。

表7 混凝土抗渗试验检测统计表

2.3.3氯离子扩散系数

试验采用SL 352—2006《水工混凝土试验规程》和GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，才用RCM测定仪进行氯离子扩散试验，试验结果见表8。由试验结果可知，骨料坚固性在上述范围内波动混凝土的氯离子扩散系数在2.88×10-12～7.90×10-12m2/s之间，骨料坚固性波动对混凝土氯离子扩散系数有一定的影响。

表8 混凝土氯离子扩散系数检测统计表

2.3.4抗硫酸盐侵蚀性能

试验采用GBT 50082—2009中抗硫酸盐侵蚀试验方法，对前两批次试件采用56d龄期、第3批次试件采用28d龄期进行试验，试验结果见表9。由试验结果可知，第1、2批次的4组混凝土的抗硫酸盐侵蚀耐久性均能达到KS150，且耐久性系数变化不大；第3批次4组混凝土采用28d龄期试件的抗硫酸盐侵蚀耐久性均能达到KS120。

表9 衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀性能测试结果

分析认为，第3批次在配制混凝土时，没掺加引气剂，配制出的混凝土含气量在3.2%～3.7%，且养护龄期仅为28d，可能是导致其抗硫酸盐侵蚀耐久系数结果偏低的主要原因，另外，从其试验成果数据来看，仅比质量指标低0.3%～1.7%，通过掺加引气剂，延长养护龄期至56d，混凝土抗硫酸盐侵蚀等级均可达到KS150要求。骨料坚固性在上述范围内波动混凝土的抗硫酸侵蚀性能基本没有影响。

3 结论

人工破碎细骨料坚固性测值在6.3%～15.2%之间，粗骨料坚固性测值在7.7%～25.3%之间波动，均可以配制出满足设计要求的C35衬砌混凝土。骨料坚固性在此范围内波动，对混凝土配合比、拌合物性能没有影响；对混凝土抗压强度、轴向抗拉强度、抗渗性能、抗硫酸盐侵蚀能影响不明显；对衬砌混凝土氯离子扩散系数、抗冻性能有轻微影响。采用第4级坚固性等级骨料(粗骨料坚固性测值25.3%，细骨料坚固性测值15.2%)配制的C35衬砌混凝土，经300次冻融循环后的相对动弹性模量下降明显。试验结果认为在人工破碎骨料选择受限的情况下，骨料坚固性指标参照规范要求可适当放宽，经混凝土性能试验确定骨料的合格性。