不同岩性粗骨料对大流态混凝土抗压强度影响

2022-04-20卢京宇贺鑫鑫

铁道建筑技术 2022年3期

郭宏卢京宇贺鑫鑫

(1.山西铧兴工程检测有限公司山西太原 030012；2.北京建筑大学北京 100044)

1 引言

混凝土是使用最为频繁的建筑材料，其强度大小取决于以下两点:一是水泥石自身的强度，二是粗骨料与水泥石之间的粘结强度。而对于高强度等级混凝土的强度，除了以上两点，还有粗骨料强度自身大小的因素[1-3]。粗骨料在混凝土的作用主要包括:填充作用、构架支撑作用、控制收缩作用，其在混凝土体积中的比例约为50%～70%[4]。现有研究资料反映，最初的认知，混凝土结构主体是由骨料与水泥石粘结构成，而包含粗、细骨料在内的所有骨料都属于惰性材料，只是在混凝土中物理性堆积，起填充作用而不参与任何反应。但事实上，通过不断研究，发现粗骨料在混凝土中的填充作用并不像表面上那么简单，其自身的强度、颗粒形状及吸水率等性能不仅会影响新拌混凝土的性能[5]，也会在一定程度上影响混凝土两方面的性能，即耐久性能和力学性能[6-8]。

混凝土所用粗骨料的母岩强度，国内现行国家及行业标准、规范都做了明确规定，如 TB 10424—2018中要求:岩石的母岩抗压值与混凝土力学抗压值之比大于等于150%[9]；JTG/T 3650—2020要求:岩石母岩力学抗压值与混凝土强度等级之比，C60及以上不小于200%，其余不小于150%[10]。对于普通混凝土如C50以下所用粗骨料，一般的天然岩石都满足标准、规范要求的加工条件。在配制高强度等级高性能混凝土时，特别是C80以上强度等级的混凝土，需要选择强度更高的天然岩石作为粗骨料[11]。

由于施工条件的限制，泵送混凝土被广泛地应用于实际工程中，而对大流态混凝土的研究也越来越深入。在高强且大流态混凝土中，混凝土的力学抗压值是否决定于骨料的抗压强度还有待研究。

本文将探讨不同强度粗骨料对大流态混凝土力学抗压值的影响规律。

2 原材料性能

水泥:采用P.O 42.5水泥，具体性能指标见表1。

表1 水泥技术指标

粉煤灰、矿渣粉、硅灰性能指标如表2所示。

表2 粉煤灰、矿粉、硅灰性能指标

粗骨料:采用辉绿岩(产地:山西)、玄武岩(产地:山西)、片麻岩(产地:河北)、石灰岩(产地:河北)加工而成的粗骨料，性能指标如表3所示，通过对粗骨料进行分级筛余，并按照累计筛余量进行配制，使得各种粗骨料的级配大致相同；SEM观察不同岩性粗骨料的表观结构，扫描电镜照片如图1所示。

表3 不同岩性粗骨料性能指标

图1 扫描电镜放大粗骨料表观织构

细骨料:天然河砂(产地:山西斗罗)，筛分结果(Ⅱ区中砂)，其他指标:细度模数(2.40)，空隙率(36.4%)，堆积密度(1 740 kg/m3)，表观密度(2 660 kg/m3)，含泥量(1.7%)。

聚羧酸高性能减水剂:产地(山西荣河)，减水率(26.7%)。

试验用水:饮用水。

图1显示，辉绿岩、玄武岩、石灰岩三种粗骨料表面凹凸不平、比表面积较大，凹凸不平的表面可以增大粘结面积，增大啮合作用，改善骨料与水泥浆体界面过渡区的粘接强度，但是，比表面积的增大可能会降低新拌混凝土拌合物的流动性。片麻岩呈现片状纹理，表面粗糙。

3 试验结果及分析

通过聚羧酸减水剂适应性试验，由不同比例的水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰组成胶凝材料[12]。

为研究分析粗骨料对不同强度等级混凝土力学性能的影响趋势，在四个大流态强度等级混凝土中，使用辉绿岩、玄武岩、片麻岩及石灰岩四种粗骨料，通过正交设计，形成十六个混凝土配合比，具体数值见表4。

表4 混凝土配合比设计参数kg/m3

根据表4配合比参数指标，制备混凝土试件，按试验设计需要养护至 7 d、14 d、28 d、56 d，然后进行立方体力学抗压检测，根据试验结果分析粗骨料对混凝土立方体力学抗压值的影响。

3.1 C30混凝土

表4中C30强度等级的混凝土7 d、14 d、28 d、56 d不同龄期的力学抗压值如图2所示。

图2 C30混凝土力学抗压

由图2可知，前期，混凝土力学抗压值增速较快的为石灰岩，可达38.1%；石灰岩、片麻岩、辉绿岩、玄武岩粗骨料混凝土28 d力学抗压算数平均值分别为 42.3 MPa、41.5 MPa、40.4 MPa、39.6 MPa。力学抗压值数据趋势验证既有研究成果，即玄武岩、辉绿岩低于片麻岩、石灰岩。

由于石灰岩中含有的钙成分较多，相对于其他岩性粗骨料，一定程度上促进生成Ca(OH)2晶体及C-S-H凝胶，致使7～14 d龄期混凝土内部结构更加致密，从而提高了力学抗压值。实验表明片麻岩、石灰岩粗骨料力学抗压值低于玄武岩、辉绿岩粗骨料，但56 d龄期时混凝土力学抗压值反而较高，分析原因，无论片麻岩、石灰岩粗骨料的力学抗压值还是弹性模量，均与硬化水泥浆体对应值接近，因此对混凝土的力学抗压值的提升略有帮助。此外，石灰岩混凝土力学抗压值略高于片麻岩混凝土，主要是因其表观织构多有凹凸，不但增加了粘结面积，而且增大了机械咬合。

3.2 C50混凝土

表4中C50强度等级的混凝土7 d、14 d、28 d、56 d不同龄期的力学抗压值随龄期的变化如图3所示。

图3 C50混凝土力学抗压

由图3可以看出，28 d前四种粗骨料混凝土力学抗压值发展趋势大致相同，早期混凝土力学抗压值，片麻岩、石灰岩低于辉绿岩、玄武岩；7～14 d，混凝土力学抗压值增幅较快的为石灰岩，其次为辉绿岩、玄武岩，石灰岩可达20.5%；14～28 d，凝土力学抗压值增幅较快的为辉绿岩、玄武岩，而片麻岩、石灰岩则有所减缓；56 d时，四种粗骨料混凝土的力学抗压值则较为接近。

石灰岩、片麻岩的吸水率高于辉绿岩、玄武岩，因吸收更多的拌合水，从而减缓了水化反应速度，影响了混凝土早期力学抗压值，而辉绿岩、玄武岩则水化反应相对充分，有利于早期力学抗压值的增长；在混凝土养护后期，由于辉绿岩、玄武岩粗骨料在混凝土拌制过程中，吸收的水分较少，加之早期消耗，不能维持持续水化，致使增幅减缓甚至停止增长，相反，由于石灰岩、片麻岩吸收了较多拌合用水，后期释放反而有利于混凝土水化持续反应，因此力学抗压值持续增长，56 d后不同岩性粗骨料混凝土趋于接近。

3.3 C70混凝土

表4中C70强度等级的混凝土7 d、14 d、28 d、56 d不同龄期时力学抗压值随龄期的变化如图4所示。

图4 C70混凝土力学抗压

由图4可知，不同岩性粗骨料混凝土7 d时的力学抗压值，石灰岩、片麻岩偏低；统计整个养护期混凝土的力学抗压值增幅，7～14 d，石灰岩、片麻岩略高于岩辉绿、玄武岩，分别达23.1%和24.0%；14～28 d，石灰岩、片麻岩有所减缓，略低于另外两种岩石；28～56 d，所有岩性均有减缓趋势。此外，整个养护龄期内，片麻岩混凝土的力学抗压值均低于其他岩性混凝土。

C70强度等级混凝土配合比，由于水胶比降到0.31，在水化早期，辉绿岩、玄武岩的力学抗压值与水泥硬化力学值较为接近，在力值作用时，两者之间的应力分布相对均匀，产生的形变相对一致、差异较小，有利于混凝土力学抗压；石灰岩与片麻岩粗骨料与另外两种相比，吸水率较大，可能对用水量及外加剂等产生一定的吸附作用，减缓了水泥水化、加大了胶体收缩，从而在粗骨料与胶体界面产生裂缝，进一步影响混凝土的力学抗压值，使之低于辉绿岩、玄武岩。

3.4 C90混凝土

按表4配制C90强度等级混凝土配合比时，如果仅采用P.O42.5水泥是非常困难的，为确保其力学抗压值达到设计目标，除了通过选择较低的水胶比和较大的胶凝材料用量，还需选择活性更强的硅灰来实现，因此要确保水泥早期水化有充足的水分，为此还需要通过改变养护方式，以减少混凝土试件表面水分的散失。具体做法是制作混凝土试件后立即带模养护24～48 h，然后拆模进行标准养护，按实验设计龄期，进行力学性能检测。7 d、14 d、28 d、56 d不同龄期各组混凝土力学抗压值随龄期的变化规律如图5所示。

图5 C90混凝土力学抗压

由图5可知，混凝土的力学抗压值统计结果为:7～14 d，石灰岩相对于其他岩性混凝土发展最快；14～28 d，玄武岩、辉绿岩的增幅相对于另两种岩石较快；28 d时，四种岩性混凝土平均力学抗压值从小到大依次为片麻岩、石灰岩、玄武岩、辉绿岩，力学抗压值均达到90 MPa以上，均值为102.2 MPa，与均值最大差值为4.6 MPa，力学抗压值分别为:97.6 MPa、102.9 MPa、103.8 MPa、104.5 MPa。

另外，石灰岩混凝土在7～14 d内，不仅增幅最大而且力学抗压值相对较高。分析原因，可能如前文所述是由于石灰岩中含有较多的钙质成分，一定程度上有利于Ca(OH)2晶体和C-S-H凝胶填充物的生成，减少了空隙，改善了混凝土内部结构，使之更致密，从而提高混凝土的力学值。在14 d时，不同岩性混凝土的力学抗压值相差10 MPa左右，介于90～97 MPa之间，石灰岩混凝土的力学抗压值相对较高的原因，可能是石灰岩粗骨料与硬化浆体在受到应力作用时形变较为一致，承受应力能力更强，宏观上，是两者更趋向于一个整体决定的。14～28 d内，混凝土力学抗压值增速变化趋势为玄武岩、辉绿岩略大于石灰岩，玄武岩、辉绿岩含有较多的硅质成分，在水泥水化过程中，可以提供充足的硅，水化生成凝胶体填充物较多，从而提高混凝土力学抗压值。