骨料种类与级配对路面混凝土耐磨性能的影响

罗发胜，李 彬，杜俊朋，郭奕群，麦俊明，张同生

(1.保利长大工程有限公司，广州 511430；2.华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510641； 3.广东省建筑材料研究院有限公司，广州 510145)

0 引 言

当车辆速度快、载荷高时，对路面磨损大，易导致路面出现凹陷、开裂等问题[1-2]。路面磨损原因一般分为两种：一是坚硬磨粒楔入混凝土表面时，车辆与路面的切向作用力使得磨粒发生移动，致使磨粒与混凝土表面发生刮擦[3-4]，混凝土表面砂石等碎屑脱落,成为新磨粒，反复作用下路面表皮脱落,大面积骨料裸露；二是车轮对路面的冲击、挤压等作用下，路面混凝土原生裂纹扩展,产生疲劳裂缝[3]，最终引起路面沿疲劳裂缝的局部断裂。因此，路面混凝土耐磨性能日益受到重视，在满足力学性能要求的前提下，改善混凝土耐磨性能是延长路面服役寿命、保障行车安全的重要举措。

目前改善混凝土耐磨性能的措施主要有优化胶凝材料组成与调控骨料级配两大类。大量研究通过掺加矿渣提高混凝土耐磨性能，掺入质量分数为20%的矿渣可使混凝土抗折强度提高15%，磨损量从4.2 kg/m2降低至3.0 kg/m2，矿渣掺量大于40%时，会导致混凝土早期耐磨性能大幅度降低，其原因在于矿渣水化速率低，不利于混凝土早期力学性能与耐磨性能的发展[5-6]。Siddique等[7]和Yoshitake等[8]发现，掺入少量粉煤灰有助于改善混凝土耐磨性能，但是质量掺量超过20%会引起混凝土强度下降，耐磨性变差。也有研究[9-10]通过掺加纳米SiO2或纳米Al2O3调控水化产物组成与结构，改善混凝土的耐磨性能。纳米SiO2具有较高的表面能，使得水化产物排列整齐，分布均匀，密实度较高，故掺入纳米SiO2的质量分数为1%和3%时，混凝土表面耐磨性能分别提高157.0%和100.8%[10-11]，但掺纳米粒子混凝土耐磨性能受养护条件的影响非常大[12-14]。可见，矿渣仅能提高混凝土长期耐磨性能，纳米粒子成本较高，养护条件要求较高，难以满足规模化道路工程需求。

骨料体积约占混凝土的60%～80%，骨料本征耐磨性与骨料含量是混凝土耐磨性能的关键影响因素。余斌等[15]研究了石灰岩及花岗碎石对混凝土耐磨性能的影响，结果显示粗骨料的耐磨性越好，混凝土的耐磨性越好。此外，通过抛填粗骨料工艺提高骨料体积含量，当粗骨料体积置换率为10%时，混凝土磨损量降低了15.28%[16]。Lu等[17]采用再生陶瓷作为水泥砂浆的细骨料，利用陶瓷自身高耐磨性能增强水泥砂浆的耐磨性，与其他天然骨料砂浆相比，再生陶瓷砂浆耐磨性能最好，磨损量仅为石灰岩机制砂砂浆的50%。综上，如何充分发挥骨料对混凝土抗磨性能的贡献，是制备耐磨混凝土的关键之一。

本文选用典型工程骨料，通过调控粗骨料级配、胶凝材料用量、细骨料种类与砂率，充分发挥骨料嵌锁效应，改善骨料与浆体的粘结，提高路面混凝土力学与耐磨性能。其次通过调控水胶比等参数，研究路面混凝土抗压、抗折强度和耐磨性能，建立强度与耐磨性能的量化关系，揭示细骨料本征耐磨性、粗骨料级配等因素对混凝土耐磨性能的影响机制，为设计和提高路面混凝土耐磨性能提供理论依据。

1 实 验

1.1 原材料

本研究所用硅酸盐水泥与矿渣的化学组成见表1，水泥物理性能见表2。细骨料为细度模数2.7的河砂和机制砂，颗粒形貌和粒度分布如图1和图2(a)所示，其中河砂含泥量为1.5%(质量分数)。粗骨料分别为5～10 mm、10～20 mm和16～31.5 mm的辉绿岩碎石，粒度分布见图2(b)。所用聚羧酸高性能减水剂固含量19.8%，减水率35.0%(见表3)。拌合水符合现行行业标准《混凝土用拌合水》(JGJ 63—2006)要求。

表1 硅酸盐水泥与矿渣的化学组成Table 1 Chemical compositions of Portland cement and slag

表2 硅酸盐水泥的基本性能Table 2 Fundamental properties of Portland cement

表3 聚羧酸高性能减水剂性能指标Table 3 Performance index of polycarboxylic superplasticizer

图1 细骨料颗粒形貌Fig.1 Shape of fine aggregates

图2 骨料粒度分布Fig.2 Particle size distribution of aggregates

1.2 配合比设计

为探究粗、细骨料对混凝土耐磨性能的影响，围绕细骨料种类、砂率、胶凝材料用量、粗骨料级配和水胶比等影响因素，分别设计了T、RS、B、CA和W/B五个系列混凝土(见表4)。胶凝材料组成固定为质量分数75%的水泥和25%的矿渣，通过减水剂调控混凝土坍落度为(5.0±2.0) mm。首先，为了对比机制砂、河砂对混凝土耐磨性能的影响，采用机制砂分别以质量分数为0%、50%、100%替代河砂(T系列混凝土)；RS系列混凝土采用机制砂，通过改变砂率(质量分数)为28%、30%、32%、34%，研究了砂率对混凝土耐磨性能的影响；B系列混凝土为了探讨胶凝材料用量对混凝土力学性能和耐磨性能的影响，改变胶凝材料用量为400 kg/m3、360 kg/m3、340 kg/m3、320 kg/m3；CA系列混凝土为了研究粗骨料级配对耐磨性能的影响，改变5～10 mm、10～20 mm、16～31.5 mm碎石质量比例分别为20 ∶55 ∶25、15 ∶50 ∶35、5 ∶25 ∶70；W/B系列混凝土通过改变水胶比(0.29、0.31、0.33、0.35、0.37、0.39)，研究混凝土强度与耐磨性能的变化规律。

表4 路面混凝土配合比Table 4 Mix proportion of pavement concrete /(kg·m-3)

1.3 试验方法

采用HJS-45型强制式双卧轴混凝土搅拌机制备新拌混凝土，搅拌时先将碎石和砂加入搅拌机，搅拌1 min后加入胶凝材料再搅拌1 min，最后加入水和减水剂继续拌和2.5 min。将新拌混凝土放入温度为(20±1) ℃、相对湿度大于90%的环境中养护24 h，脱模后将试件放入(20±1) ℃的水中养护，养护至指定龄期后取出试件擦干备用。

混凝土力学性能测试参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)，选取0.7 MPa/s的加荷速度进行抗压强度测试，抗折强度测试的加荷速度为0.07 MPa/s。

混凝土耐磨性能测试参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)，将养护至指定龄期的混凝土试块干燥至恒重，并刷净表面浮尘。试件夹紧于耐磨试验机的水平转盘上(磨削面与成型时的顶面垂直)，在200 N负荷下磨30转，取下试件刷净表面粉尘称重作为初始质量，记为m1。然后在200 N负荷下磨60转，取下试件刷净表面粉尘称重作为试件磨损后的质量，记为m2。以单位面积磨损量来衡量混凝土的耐磨性能，即：

(1)

式中：G为单位面积磨损量，kg/m2；S为磨损面积，取值0.012 5 m2。

2 结果与讨论

2.1 细骨料种类对路面混凝土性能的影响

图3为细骨料种类对混凝土力学性能的影响。如图3所示，河砂被机制砂替代50%时，混凝土7 d与28 d抗压强度没有变化。河砂被机制砂全部替代时，混凝土7 d抗压强度比河砂混凝土提高3.4 MPa，为73.0 MPa，但其28 d抗压强度降低了2.1 MPa。对于抗折强度而言，河砂被机制砂替代50%后，混凝土7 d、28 d抗折强度略有降低。机制砂混凝土7 d、28 d抗折强度分别为7.0 MPa和10.2 MPa，较河砂混凝土分别增加了0.4 MPa和0.8 MPa。由此可见，采用机制砂对混凝土强度影响不大，甚至有利于抗折强度提升。图4为细骨料种类对混凝土耐磨性能的影响。通过图4可以看出，河砂混凝土单位面积磨损量达到0.640 kg/m2，机制砂混凝土耐磨性能有所改善，单位面积磨损量仅为0.267 kg/m2，较河砂混凝土磨损量减少了58.3%，说明机制砂混凝土的耐磨性能得到了显著提升，但河砂与机制砂复合使用时混凝土的耐磨性最差。

图3 细骨料种类对混凝土力学性能的影响Fig.3 Effect of fine aggregate types on mechanical properties of concrete

图4 细骨料种类对混凝土耐磨性能的影响Fig.4 Effect of fine aggregate types on wear resistance of concrete

2.2 砂率对路面混凝土性能的影响

图5为砂率对混凝土力学性能的影响。砂率从28%提高到34%，混凝土抗压强度先增大后减小，混凝土7 d抗压强度在砂率为32%时达到最大为58.5 MPa，混凝土28 d抗压强度在砂率为30%时达到最大为74.7 MPa(见图5(a))。砂率从28%提高到34%，混凝土7 d抗折强度变化不明显，基本稳定在5.5 MPa，28 d抗折强度在砂率34%时达到最大为7.3 MPa，砂率为32%时最小为6.8 MPa，相差仅为0.5 MPa(见图5(b))。由此可见，砂率对混凝土强度几乎没有影响。混凝土单位面积磨损量随砂率的增大而降低，由图6可以看出，砂率从28%提高到34%，混凝土单位面积磨损量从1.200 kg/m2降低到0.667 kg/m2。当砂率大于32%时，混凝土单位面积磨损量的降幅比较小，仅为7%，当砂率小于32%时，随着砂率的提高，混凝土单位面积磨损量的降幅保持在23%左右。

图5 砂率对混凝土力学性能的影响Fig.5 Effect of sand ratio on mechanical properties of concrete

图6 砂率对混凝土耐磨性能的影响Fig.6 Effect of sand ratio on wear resistance of concrete

2.3 胶凝材料用量对路面混凝土性能的影响

胶凝材料用量从320 kg/m3提高到400 kg/m3，混凝土抗压强度基本没有变化，7 d、28 d抗压强度极差分别为3.5 MPa、7.8 MPa，胶凝材料用量为340 kg/m3时，28 d抗压强度达到最大，为91.7 MPa(见图7(a))。随着胶凝材料用量的提高，混凝土7 d抗折强度先降低后增加，当胶凝材料用量为360 kg/m3时，7 d抗折强度最低，为6.3 MPa。随着混凝土养护龄期的增长，340 kg/m3胶材混凝土28 d抗折强度超过320 kg/m3胶凝材料的混凝土，达到9.5 MPa。随着胶凝材料用量的增加，混凝土单位面积磨损量先降低后增加，其中340 kg/m3胶材混凝土单位面积磨损量最低，为0.320 kg/m2(见图8)。由图8可知，胶凝材料用量从320 kg/m3增加到340 kg/m3，混凝土单位磨损量降低46%。

图7 胶凝材料用量对混凝土力学性能的影响Fig.7 Effect of the amount of cementitious material on mechanical properties of concrete

图8 胶凝材料用量对混凝土耐磨性能的影响Fig.8 Effect of the amount of cementitious material on wear resistance of concrete

2.4 粗骨料级配对路面混凝土性能的影响

图9为粗骨料级配对混凝土力学性能的影响。随着16～31.5 mm骨料质量分数从25%增加到70%，混凝土7 d抗压强度从68.6 MPa增加到72.9 MPa，增幅仅有6.3%，28 d抗压强度均为87.0 MPa。由图9(b)可知，混凝土28 d抗折强度随着16～31.5 mm骨料用量的增加而提高，16～31.5 mm骨料质量分数为70%的混凝土7 d抗折强度为8.1 MPa。增加16～31.5 mm骨料用量，粗骨料总表面积减小，界面过渡区所占体积减小，而且16～31.5 mm骨料相互嵌接的概率较高，提高该粒径区间骨料的含量能够增强混凝土内部骨料嵌锁作用，提高混凝土结构稳定性，因此抗压与抗折强度有所增加。16～31.5 mm骨料用量的增加有利于提高混凝土耐磨性能，随着16～31.5 mm骨料质量分数从25%增加到70%，混凝土单位磨损量从0.640 kg/m2降低到0.453 kg/m2，降幅达到29.2%(见图10)。增加粗骨料粒径，有利于提高混凝土的耐磨性能。

图9 粗骨料级配对混凝土力学性能的影响Fig.9 Effect of coarse aggregate gradation on mechanical properties of concrete

图10 粗骨料级配对混凝土耐磨性能的影响Fig.10 Effect of coarse aggregate gradation on wear resistance of concrete

2.5 水胶比对路面混凝土性能的影响

为了改变混凝土的强度，本研究混凝土水胶比在0.29～0.39变化。随着水胶比的增加，混凝土7 d、28 d的抗压强度与抗折强度都逐渐下降，如图11所示。水胶比为0.29时，混凝土28 d抗压强度为91.8 MPa，28 d抗折强度为9.3 MPa，而水胶比为0.39时，28 d抗压强度与抗折强度分别下降到66.2 MPa和7.5 MPa，降幅为28%和19%。混凝土单位面积磨损量随着水胶比的增大而增大。当水胶比大于0.33时，混凝土耐磨性能急剧下降，水胶比从0.33增加到0.35时，混凝土单位面积磨损量从0.640 kg/m2增加到0.880 kg/m2，增幅达到38%；然而水胶比从0.29增加到0.33，混凝土单位面积磨损量增幅仅有14%，同样，水胶比从0.35增加到0.39，混凝土单位面积磨损量增幅仅有18%(见图12)。

图11 水胶比对混凝土力学性能的影响Fig.11 Effect of W/B on mechanical properties of concrete

图12 水胶比对混凝土耐磨性能的影响Fig.12 Effect of W/B on wear resistance of concrete

2.6 细骨料种类与砂率对路面混凝土耐磨性能的影响机制

混凝土摩擦损失包括硬化浆体的磨损、骨料的磨损和剥落，同时骨料的剥落伴随着初始缺陷的形成。石灰岩机制砂摩尔硬度为3，远低于河砂(石英)的摩尔硬度(为7)，理论上机制砂自身耐磨性能比河砂差。但机制砂棱角较多，与水泥浆的机械咬合力较强，在抵抗外界磨损过程中不易脱落，间接提升了机制砂抵抗磨损的能力(见图13)。因此，机制砂有利于增强骨料间相互作用及与浆体粘结能力，进而实现机制砂混凝土耐磨性能的提升。当河砂与机制砂复合使用时，河砂首先从基体中剥落产生初始裂纹或孔隙，在外加荷载作用下，机制砂颗粒棱角附近发生应力集中，加速了初始缺陷的扩展与合并，加剧了骨料及硬化浆体的剥落，进而表现为宏观磨损量提高，因此河砂与机制砂复合使用时混凝土的耐磨性最差。

混凝土浇筑硬化后通常分为两层(见图14)，5～10 mm的表面砂浆层和下方混凝土层。混凝土单位面积磨损量随砂率的减小而增大，这与砂浆中细骨料所占体积有关。混凝土最先抵抗外界磨损的部位是表面砂浆层，砂率提高，那么细骨料所占砂浆的体积分数增大，细骨料承担外界磨损的面积增大，加之细骨料抵抗外界磨损的能力优于水泥浆，因此砂率增加，混凝土耐磨性会相应提高。

图13 细骨料种类对混凝土耐磨性能影响机制示意图Fig.13 Illustrating diagram for mechanism of fine aggregate types on wear resistance of concrete

图14 砂率对混凝土耐磨性能影响机制示意图Fig.14 Illustrating diagram for mechanism of sand ratio on wear resistance of concrete

2.7 胶凝材料用量与粗骨料级配对路面混凝土耐磨性能的影响机制

可以采用浆骨比研究胶凝材料用量与骨料用量对混凝土耐磨性的影响。如图15所示，提高胶凝材料用量会使富余浆体体积增大，进而提高了骨料间距，应力由骨料及骨料间大量存在的浆体共同承担，由于硬化浆体本征力学性能远弱于骨料，此时混凝土整体刚度下降，对磨削作用的抵抗能力下降，混凝土耐磨性降低；骨料用量过高时，部分骨料直接接触，混凝土受力时骨料易发生相对滑移导致骨架结构失稳，致使骨料剥落，混凝土耐磨性变差。当浆骨比处于合适范围内，粗骨料表面浆体包裹层厚度适当，形成一种稳定嵌接架构，骨料之间的嵌锁作用增强，进而提高了混凝土力学性能与耐磨性能。因为粒径较大的骨料之间嵌接的接触面积大，因此粗骨料粒径的提高进一步增强了骨料的嵌锁作用，混凝土结构更加稳定，耐磨性能再次得到改善，这与Khasawneh等[18]的研究结果相符。

图15 浆骨比对粗骨料架构的影响示意图Fig.15 Illustrating diagram for the effect of paste-aggregate ratio on coarse aggregate skeleton

2.8 路面混凝土力学性能与耐磨性能关系

理论上，混凝土强度越高，骨料与浆体的黏结能力越强，耐磨性能越好。砂率、细骨料种类和粗骨料级配相同的情况下，通过改变水胶比调控混凝土的抗压、抗折强度和单位面积磨损量，获得了抗压、抗折强度与磨损量的关系(见图16)。混凝土抗压强度与磨损量并不是线性相关，符合幂函数特征(见式(2))，即提高混凝土抗压强度，可降低混凝土磨损量，这与Siddique等[19]和Singh等[20]的研究结果一致，但是当抗压强度大于75 MPa时，提高强度改善耐磨性能的效果不显著，单纯提高抗压强度难以实现混凝土耐磨性显著提升，这有助于规避混凝土耐磨性优化过程中的低效改进。混凝土抗折强度与磨损量的相关系数R2为0.904 2，表明抗折强度与磨损量相关性更显著，说明混凝土耐磨性能对抗折强度更加敏感，验证了骨料与水泥浆体剥离是影响耐磨性能的主要因素。

(2)

(3)

式中：Fcu为混凝土抗压强度，MPa；Ff为混凝土抗折强度，MPa。

图16 混凝土力学性能与耐磨性能的相关性Fig.16 Correlation between mechanical properties and wear resistance of concrete

综上研究分析，磨削首先作用于混凝土表面砂浆层，随着磨损深度的增加，磨削作用由砂浆与粗骨料共同承担。降低水胶比本质上是提高骨料间黏结浆体的强度，保证砂浆及粗骨料嵌接结构的稳定性。砂率提高，意味着细骨料的体积分数增大，表面砂浆层受磨损作用时，增大高刚度细骨料更有利于降低磨损量。与细骨料相比，粗骨料更难从混凝土中剥离，对磨削作用具有更高的抵抗效果，因此不能过分提高砂率，以充分发挥粗骨料对耐磨性的贡献。通过粗骨料级配优化调整，能增强骨料间的嵌挤作用，促使外加应力在骨架结构中的均匀传递与分散，保证耐磨性能的持续提升。因此，对路面混凝土配合比的设计有如下建议：机制砂与浆体有较强的机械咬合力，细骨料宜选用机制砂；砂率大于32%时，提高砂率改善混凝土耐磨性能的效果不再显著，故砂率建议为32%；胶凝材料用量影响混凝土中粗骨料架构类型，建议胶凝材料用量控制在(340±10) kg/m3，此时粗骨料表面浆体包裹层厚度适当，粗骨料的嵌锁作用最强，在此基础上，增大粗骨料公称粒径，5～10 mm、10～20 mm、16～31.5 mm粗骨料级配为5 ∶25 ∶70时，可获得耐磨性能较好的混凝土。

3 结 论

(1)与河砂混凝土相比，机制砂混凝土单位面积磨损量减少了58.3%，在28%～34%的砂率范围内，砂率为34%的混凝土耐磨性能最好，单位面积磨损量为0.667 kg/m2。机制砂本征耐磨性能优于水泥砂浆，且棱角多、表面粗糙，与水泥浆的机械咬合力强，随着砂率提高，细骨料所占砂浆的体积分数增大，所以选用机制砂并且提高砂率有助于提高混凝土耐磨性能。

(2)340 kg/m3胶凝材料用量的混凝土单位面积磨损量最低，仅为0.320 kg/m2；混凝土单位面积磨损量随着粗骨料公称粒径增大而降低。浆体量与骨料量达到合适的比例时，粗骨料形成嵌锁架构，粗骨料公称粒径越大，嵌锁作用越强，降低了骨料被剥落风险，进而提高了混凝土力学性能与耐磨性能。

(4)路面混凝土宜选用机制砂，建议砂率为32%，16～31.5 mm的碎石质量分数为粗骨料总量的70%，胶凝材料用量控制在(340±10) kg/m3，水胶比为0.33，此时路面混凝土耐磨性能较佳。