响岩与花岗岩机制砂混凝土性能对比研究

2022-04-24万永旺潘延昇

建材世界 2022年2期

万永旺，潘延昇

(中交四航局第一工程有限公司，广州 510000)

肯尼亚内罗毕快速路项目主线全长27.131 km，设计时速80 km，为国道A级公路。内罗毕周边河砂资源短缺，响岩资源丰富，常用作机制砂的石灰岩、玄武岩、花岗岩资源距离较远，同时响岩存在压碎值较高、吸水率较大、坚固性不良的问题。

由于砂石资源的不可再生性、可持续发展的限采性，砂石供需的矛盾日益突出。机制砂逐步替代天然河砂、石成为必然趋势。不同母岩所生产的机制砂，由于其风化程度和矿物成分的不同，表现出来的特性如细度模数、粒形、级配和石粉性能等有一定的差异[1]；不仅如此，同一种母岩采用相同的破碎方式所制备的机制砂的物理差异也会较大，有明显的棱角，而且会伴随着一些杂质[2]。近几年，国内外学者对于石灰岩、花岗岩、玄武岩等作为母岩生产机制砂对混凝土性能影响做了深入的试验研究。Wang等[3]选取石灰岩、石英岩、片麻岩等六种具有代表性的砂母岩，并以15%的取代率替代水泥，结果发现不同岩性的机制砂对混凝土的工作性能、力学性能、体积稳定性和耐久性能影响并不明显。王稷良[4]在其研究文献中也得出相同的结论，岩性的变化并不能显著改变混凝土强度等性能。Li Huajian等[5]则选用不同母岩机制砂制备铁路箱梁混凝土，其主要性能同河砂混凝土相差并不明显，均满足铁路要求，并通过建立对数模型和幂函数模型对机制砂混凝土的干缩徐变随龄期的变化规律进行了表征，表明机制砂混凝土替代河砂制备预应力铁路混凝土具有良好的前景。同时，试验结果表明，混凝土的抗氯离子渗透性能和抗冻性能，并没有因为机制砂母岩的不同表现出明显差异，只有在干缩性方面，玄武岩略大。因此其研究成果认为，基本可以忽略岩性对混凝土宏观性能的影响。相比于岩性，机制砂中石粉的含量对混凝土性能的影响则较为突出。机制砂是由岩石采用破碎工艺制备而成经筛分后粒径小于4.75 mm的颗粒，因此，机制砂往往会带有粒径小于0.075 mm的石粉或泥块。机制砂石粉对于混凝土性能是一把“双刃剑”。随着机制砂中石粉含量的增加，混凝土的峰值应力呈先增大后减小的趋势，对于C80高性能混凝土，4.5%～6.5%的石粉含量对混凝土性能起到良好的效果；对于水泥胶砂，玄武岩火山灰效应主要在水化后期发生，玄武岩石粉的细度的提高更有利于其后期强度的增长，并且玄武岩石粉的存在以及本身的耐侵蚀性，可以明显改善混凝土的抗硫酸盐腐蚀能力[6],但比表面积超过600 m2/kg后，强度活性便开始下降[7-9]。适量的石粉含量可以填充水泥、活性材料之间的孔隙，优化混凝土浆体中的孔结构，增加无害孔、少害孔的比例，在范德华力、静电作用下，相互交接成絮凝网状结构，提高其黏聚性和包裹性。此外，石粉中CaCO3参与水泥的水化过程，促进水泥早期水化产物的生长和沉淀。而随着石粉含量的增加，多余的石粉会吸收一定的水分，起到润滑作用的自由水含量减少，导致混凝土流动性能变差，密实度降低，强度下降。为此，需要增大高效减水剂的用量，来抑制机制砂中过多的石粉含量对混凝土造成的不良影响[10]。机制砂制备路面混凝土时，机制砂表面粗糙反而起到有益效果。Li等[11]发现机制砂制备路面水泥混凝土(MS-PCC)时，当其中石粉含量在4.3%增加到20%时，MS-PCC的抗压、抗折强度、耐磨性都呈上升趋势，并且机制砂粒表面粗糙程度越大，压碎值越低，其抗压强度越高。国标GB/T 14684—2011《建筑用砂》规定混凝土用机制砂需要用亚甲蓝方法检测机制砂中泥粉的含量。要求机制砂MB值小于1.4。Zhou等[12]发现对于石灰岩、花岗岩等增大MB值对C30混凝土影响不大，但对C60混凝土抗压强度和抗冻性会明显降低，MB值小于1时，降低更加明显。除此之外，机制砂制备混凝土时掺加适宜的外加剂和矿物掺合料，比如掺加矿渣降低单位用水量可以有效改善机制砂混凝土强度以及耐久性[10,13]。

上述研究为响岩机制砂的应用提供一定的借鉴，但响岩机制砂在公路工程混凝土中的应用研究较少。该文采用肯尼亚内罗毕地区的响岩机制砂与常用的花岗岩机制砂对比研究两者对混凝土拌合物性能、力学性能和耐久性能的影响，为肯尼亚采用响岩机制砂应用在公路工程提供一定的技术指导。

1 试验

1.1 原材料

1)水泥：采用肯尼亚当地生产的CEMⅠ42.5水泥，凝结时间为初凝165 min，终凝267 min，标准稠度用水量为26%，3 d抗压强度27.1 MPa，28 d抗压强度为52.3 MPa。

2)细骨料：采用肯尼亚内罗毕响岩机制砂，细度模数2.9，石粉含量7%，机制砂MB值1.3，饱和面干吸水率2.3%，压碎值21.6%，坚固性12.8%；肯尼亚花岗岩机制砂，细度模数2.8，石粉含量6%，机制砂MB值1.1，饱和面干吸水率1.4%，压碎值12.3%，坚固性7.1%。

3)粗骨料：采用肯尼亚响岩加工而成，粒径为5～25 mm连续级配碎石。

4)粉煤灰：印度进口Ⅱ级粉煤灰，细度(45 μm筛筛余)14.6%，需水量比98%。

5)外加剂采用聚羧酸系高性能减水剂，含固量为15.6%，减水率21.2%。

1.2 混凝土配合比

参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)分别配制C30、C50强度等级的混凝土，编号字母X代表响岩机制砂，H代表花岗岩机制砂，具体各组代号相应的混凝土配合比见表 1。

表1 试验混凝土配合比 w/(kg·m-3)

1.3 混凝土试验方法

混凝土拌合物性能按照《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》GB/T50080—2016测试坍落度、扩展度、经时损失；力学性能按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081—2019进行测试，抗压强度采用正方形试块，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，抗压强度试验龄期为7 d、28 d、56 d，抗压弹性模量试验龄期为28 d、56 d；混凝土耐久性能按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082—2009进行，标养28 d后进行电通量和碳化测试。

2 结果与分析

2.1 混凝土拌合物性能

分别采用响岩机制砂和花岗岩机制砂制备C30、C50混凝土拌合物工作性能如表2所示。按照表1配合比设计配制的机制砂C30混凝土，在水胶比相同，增大减水剂用量的情况下，响岩机制砂混凝土初始坍落度略小于花岗岩机制砂混凝土，初始扩展度则比花岗岩机制砂混凝土稍大；1 h流动度损失方面，相比于花岗岩机制砂混凝土的17%和26%，响岩机制砂混凝土的坍落度和扩展度损失达到21%和34%。对于C50混凝土，在增大7%减水剂用量的情况下，两种不同岩性机制砂混凝土初始坍落度持平，初始扩展度仅相差5 mm；在流动度损失方面，与C30混凝土相似，响岩机制砂混凝土1 h坍落度和扩展度损失分别为22%和37%，而花岗岩机制砂混凝土1 h坍落度和扩展度损失仅为12%和26%。主要是由于响岩机制砂石粉含量较花岗岩较多，MB较大，对外加剂的吸附作用更强，同时，响岩机制砂的饱和面干吸水率比花岗岩机制砂大，会吸收更多的水分，导致混凝土中自由水减少，降低混凝土和易性。因此，需要增加减水剂用量来提高混凝土拌合物性能，而花岗岩机制砂混凝土掺加相对更少的减水剂便可以使水泥浆体有长时间的分散效果，保持较小的流动度损失。

表2 响岩机制砂和花岗岩机制砂对混凝土工作性能的影响

2.2 混凝土力学性能研究

图1为响岩机制砂与花岗岩机制砂配制混凝土抗压强度对比结果。对于C30强度等级，两种岩性机制砂混凝土随养护龄期的延长，抗压强度呈相似的增长趋势，花岗岩机制砂混凝土比响岩机制砂混凝土高出6%～8%。对于C50强度等级，二者也表现出相同的增长趋势，花岗岩机制砂混凝土强度稍高出响岩机制砂混凝土3%～4%。总的来说，响岩机制砂混凝土较花岗岩机制砂混凝土抗压强度略低，这主要是因为响岩机制砂压碎值大于花岗岩机制砂，导致响岩机制砂混凝土在抗压强度试验时机制砂与浆体界面较花岗岩机制砂混凝土先破坏。

图2为响岩机制砂混凝土和花岗岩机制砂混凝土弹性模量对比结果。两种机制砂混凝土弹性模量与其抗压强度增长趋势相同，强度等级越高，弹性模量越大；且两者之间的弹性模量相差不大，C30强度等级在28 d相差最大，仅8%，其他龄期花岗岩机制砂混凝土弹性模量比响岩机制砂混凝土弹性模量高2%～6%。混凝土弹性模量与其抗压强度、混凝土的密度和骨料体积分数密切相关[3]。响岩机制砂的压碎值较花岗岩的机制砂大，导致其抗压强度小于花岗岩机制砂混凝土的同时，弹性模量也在各个龄期小于花岗岩机制砂混凝土。另外，响岩机制砂的MB值较大，所含的泥粉较多，泥粉在混凝土内部吸附大量的自由水，不仅会降低混凝土内部的湿度，还会使内部细微裂缝变多；吸水的泥粉结构变得疏松多孔，致使有害孔增多，最终造成混凝土内部缺陷相对严重，也是导致响岩机制砂混凝土弹性模量比花岗岩机制砂混凝土低的重要原因。

2.3 混凝土耐久性能研究

图3为响岩机制砂和花岗岩机制砂对混凝土电通量的影响。从图中可以发现，C50混凝土电通量均低于C30混凝土，响岩机制砂混凝土比相同强度等级花岗岩混凝土电通量高6%，可见响岩机制砂对于混凝土氯离子渗透并没有显著的不利影响；56 d电通量明显小于28 d电通量，其原因是随着养护时间的延长，水泥和矿物掺合料水化程度的提高，混凝土密实度逐渐提高，抗氯离子渗透能力显著增强。C30强度等级响岩花岗岩机制砂混凝土56 d电通量分别降低到1 833 C和1 714 C，较28 d电通量分别降低21%和25%；C50强度等级混凝土56 d电通量分别降低到1 462 C和1 363 C，较28 d电通量均降低达25%。响岩机制砂在配制C50高性能混凝土时，抗氯离子渗透能力随着养护时间的延长明显增强。除此之外，抗氯离子渗透能力增强的原因还可能归功于机制砂中所含石粉在物理方面的填充作用，石粉的存在优化了混凝土内部的孔结构，同时，石粉在化学方面还可能对水泥水化起到促进作用。夏京亮等[14]研究指出，机制砂MB值也是影响电通量的一个因素之一。当机制砂中石粉含量适中，石粉改善保水性占主导地位，降低了混凝土泌水的倾向，此时石粉的掺入则会提高混凝土抗压强度，降低56 d电通量和氯离子渗透系数。

图4为响岩和花岗岩机制砂对混凝土抗碳化性能的影响。从图中可以看出，两种岩性机制砂对混凝土抗碳化能力影响相近。C30混凝土随着养护龄期的延长，碳化深度呈增长趋势，响岩机制砂混凝土从3 d碳化深度的3.6 mm到28 d的5.7 mm，增长37%；花岗岩机制砂混凝土从3 d碳化深度3.5 mm到28 d的5.5 mm，增长36%。C50强度等级混凝土则随着龄期的增长，碳化深度变深的趋势相对较弱，响岩机制砂和花岗岩机制砂28 d碳化深度较3 d增幅分别达52%和54%。总的来说，C50强度等级混凝土较C30强度等级混凝土抗碳化能力强，这是因为C50混凝土的水泥用量较C30混凝土较大，水胶比较C30混凝土低，混凝土随着养护时间的延长，强度逐渐提高，表层也更加密实，孔隙饱和度较低，从而减少了CO2进入混凝土的通道，降低了CO2孔隙内的溶解度，降低混凝土内部受碳化的比例，提高混凝土的抗碳化性能。