砂石材料对水泥混凝土耐久性影响研究

莫莫

（广东华南混凝土有限公司， 广东 广州 510760）

对水泥混凝土的耐久性进行研究， 对于我国的发展、 人民的安全、 方便甚至环境的影响都有着重大的意义。 在水泥混凝土中， 砂石是最基本的、 最重要的原料。 但是， 由于天然砂石混凝土的耐久性远不能满足实际使用的需要， 所以研究人员需要对砂砾、 砾石等材料进行耐久性测试。 目前我国公路大多采用水泥混凝土路面， 对其耐久性的问题进行了大量的探讨。 它不仅关系到建筑物的质量和人员的生命安全， 还关系到整个城市的经济发展。

1 水泥混凝土的使用范围与耐久性研究重要意义

水泥混凝土路面是一种具有高抗压、 抗弯拉、抗磨等机械强度的硬质路面， 具有良好的稳定性，且受周围环境温度、 湿度的影响， 具有低成本、 低油耗等特点。 然而， 由于混凝土路面具有较高的反光强度， 严重影响了行车的视觉和安全性； 由于其抗滑、 弹性等特性较一般沥青路面有较大的缺陷，因而在施工、 维修中要设置大量的接缝， 从而造成行车时的震动、 噪声， 从而影响行车的舒适度； 水泥路面在施工、 养护、 开放等方面都没有沥青路面效率高、 使用方便等问题越来越突出， 从而加快了水泥路面产业的发展。 为解决施工中遇到的问题，科学、 高效地建造出实用、 美观的水泥混凝土路面，应用滑模摊铺技术， 实现水泥混凝土路面技术的质的飞跃， 改善和深化对技术需求的研究， 改善水泥混凝土路面的性能和施工技术， 缓解其它主要原材料的价格和短缺。 采用先进的智能化设备， 可以确保工期， 还能推动地区经济发展。

2 国内外对水泥混凝土施工用的砂石材料的研究状况

混凝土已有很长的历史了， 随着人们的生活和科技的进步， 各种不同的施工方法、 外加剂、 添加剂及其他新型材料也随之出现。 随着有关检测技术的不断推广， 以及混凝土的应用领域不断拓宽， 对其进行了深入的研究与开发。 目前， 关于人工砂的研究还处于起步阶段。 人工砂中石粉掺量对水泥混凝土的耐久性影响是世界各国普遍关注的问题。 机制砂中含有的石粉对提高集料的聚集起着重要的作用。 其作用机制是利用石粉填充粗细集料与胶凝物料之间的间隙， 使混凝土结构紧密地嵌合在一起，降低了水化时毛细沟槽的产生， 从而极大地改善了混凝土的抗渗性能。 但若掺入大量石灰， 则水泥砂浆的防渗性能将下降。 采用最优掺量的石灰， 可使水泥砂浆的抗渗性得到最好的发挥。

目前， 我国公路工程正处于大规模发展阶段， 水泥、 天然砂的消耗也十分巨大。 据估算， 中国2006年的水泥消耗总量大约为21 亿m3， 单是水泥混凝土就消耗了15 亿t。

3 研究砂石材料对水泥混凝土耐久性影响的方法

1） 前期调查工作： 搜集相关资料， 拟定具体的研究方案。

2） 原料的选用（见图1）。

图1 砂石材料的选择

3） 确定试验方案， 在公路建设中最常用的材料就是水泥混凝土。 目前， C40 和C50 是我国常用的预制梁， 只有少数几座大型桥梁使用C50 以上的高强混凝土。 以广元—巴中高速公路为例， 它周围的资源十分丰富， 闪长岩和辉长岩的储备量也较多，符合规范要求。 本文对碱集料的性能指标进行了对比。 选择的因素及水平如表1 所示。

表1 试验选用的因素与水平

4） 水泥混凝土的耐久性测试： 包含渗透测试、碱集料反应测试以及收缩性测试。 限于篇幅， 本文主要对碱集料反应进行耐久性测试， 该方法主要是判定砂岩物料中有无碱集料反应。

5） 结论。 由表2 可知[1]， 3d 后河砂、 闪长岩、辉长岩集料的膨胀率下降， 而灰泥则随之收缩。 结果表明， 辉长岩水泥混凝土存在较大的变形， 从而引起裂缝， 只有石灰岩的膨胀率随着时间的推移而增大。 但是， 混凝土的收缩还可以通过初期的化学反应和灰浆自身的收缩来实现。 另外温度的变化会使试样的长度变短， 造成热膨胀和冷缩。

表2 不同岩性集料膨胀率

四种集料在第3d 的膨胀率最大， 具体见图3。 由该图可知， 三种集料的膨胀率均为0.1%至0.2%， 故不能判断碱集料反应是否存在， 应采取混凝土棱柱法。 辉长岩的膨胀率在0.2%以上， 对碱-硅酸盐反应是不利的。 在实际应用中， 应注意水泥中碱的含量， 尽量减少碱集料的用量， 并应采取相应的预防措施。

图3 碱集料反应试验

4 机制砂混凝土的耐久性能分析

4.1 水泥混凝土耐久性的影响因素

目前， 冻融、 化学侵蚀、 碱集料反应对水泥混凝土的老化有很大的影响。 它的耐久性是指混凝土本身的破坏能力和破坏因素的抗剪强度。

4.1.1 冻融循环

在天然环境中， 最常见的是冻融循环。 在凝固过程中， 水饱和水泥混凝土的毛细管壁既要承受膨胀又要承受渗透压。 水泥混凝土裂缝是在两种应力都超过了其抗拉强度时发生的， 经过反复的冻融，混凝土中的裂纹会彼此相连， 强度会逐步下降， 直至全部消失， 导致混凝土由内而外的损伤。 对于机械砂混凝土的抗冻性能， 有人认为机械砂混凝土比自然砂混凝土具有更好的抗冻性， 但也有人反对。张映全等人认为， 石粉对混凝土的粗孔隙结构有一定的影响， 对混凝土的抗冻性有较大影响[2]。

4.1.2 化学侵蚀

水泥混凝土是一种由固体， 液体， 气体组成的多孔物质。 在混凝土中， 水化产物进入混凝土， 会产生一系列的化学反应， 经过不断的反应， 会对混凝土本身的结构产生一定的不良影响。

4.1.3 碱集料反应

碱集料反应会引起混凝土产生裂缝， 严重时会导致混凝土损坏。 在混凝土中， 这样的损伤是很难预防、 阻止、 修复和补救的。 它是混凝土中的"癌症"， 是影响其耐久性的一个主要因素。 所述反应要求： 第一， 具有一定数量的碱性活化矿物集料； 第二种方法是将水泥、 集料、 外加剂和水添加到混凝土中， 或在有利于碱渗透的条件下； 第三个步骤是为反应器提供必要的湿气以使其吸收和扩张。

碱含量、 集料的反应能力、 孔隙水等是影响集料反应的主要因素。 随着碱含量的增加， 反应的膨胀率也会受到一定的影响。 若增加水泥水灰比， 则混凝土的孔隙率， 各种离子的分配都会随之增大，水流速度也会随之加快， 进而加快了碱集料的生成。当水灰比低于0.4 时， 水泥比减小， 其膨胀系数减小； 在水灰比大于0.4 的情况下， 随着水泥比例的降低， 反应膨胀逐渐增加； 当水灰比达到0.4 时，混凝土的膨胀将会达到最大值； 而混凝土碱骨料的反应膨胀与其自身的性质、 粒度、 集料用量等因素有关。 若颗粒流速太大或太小， 则会显著降低反应的膨胀。 由于水泥和水泥孔隙的存在， 还能减缓由于胶体水的吸收而引起的膨胀压力， 从而使反应膨胀率随孔径的增加而降低[3]。

4.2 机制砂混凝土耐久性分析

机制砂是由机械粉碎、 筛分得到的粒度在4.75mm以下的岩石微粒， 不含风化的软岩和风化的微粒。由于机制砂属于机械粉碎， 其本身的特性决定了其使用寿命。 机制砂混凝土又称水泥混凝土， 仅对细集料的种类进行变化。 与一般混凝土一样， 对其耐用性有一定的影响。 影响水泥混凝土传质性能的因素之一。 水和有害离子的入侵是造成水泥混凝土构件腐蚀的主要原因， 水泥混凝土的渗透性与其耐用性密切相关。

4.2.1 机制砂混凝土渗透性能与耐久性关系的探讨

1） 渗透性能和机制砂混凝土的抗冻性， 抗冻性是衡量水泥混凝土防水能力的主要指标之一。 从以上研究结果可以看出， 在干混凝土中， 不存在冻害现象。 但若水泥混凝土的渗透性高， 则会在受湿条件下再次达到或超过临界饱和。 因此， 在冻融环境中， 混凝土的渗透性是非常关键的。 渗透性对冻结前的临界饱和度有一定的影响。 本文从理论上分析了混凝土渗透速率与冻融循环的相关性。

2） 渗透率和碳化作用机理砂混凝土的研究， 在设计混凝土的耐久性结构时， 首先要解决的问题就是碳化导致的钢筋腐蚀问题。 在强碱性水泥混凝土中， 有一层致密的氧化膜会在钢筋表面形成， 以阻止其侵蚀。

水泥混凝土的碳化反应很慢。 碳化速率可用一段时间的碳化深度来表达。 在混凝土中CO2的扩散机制下， 渗透速率与孔径、 孔隙率有关， 也就是渗透系数。 目前， 国内外已有很多学者对混凝土碳化深度进行了预测， 并将其应用于混凝土的碳化深度评估[4]。

3） 碱集料对机制砂混凝土渗透性能的影响， 影响混凝土耐久性还有一个至关重要的因素就是碱集料反应， 目前， 它已成为国际上公认的主要原因。前面已有研究表明， 碱集料在水泥混凝土中的作用有三个基本条件： 碱性离子、 活化集料、 水。 碱-集料反应需要用到水。 在使用期间， 若碱集料的作用终止了， 则表明混凝土的内部含水量低于了80%。

4.2.2 机制砂物理特征

与中粗河砂比较， 机制砂具有以下特征： 1） 机械砂以灰白或黑色为主， 具有锋利的颗粒， 类似于大量的石粉。 自然沙的外表是黄色的， 很少见到高的泥沙含量。 这就是人造沙与自然沙的最大差别；2） 机制砂具有粗糙、 锋利、 多棱角等特征； 3） 机械砂微粒中存在许多微裂纹、 大孔隙度、 多个相互连接的开口孔隙、 比表面积大。

5 砂石材料对水泥混凝土耐久性影响的研究结果

5.1 对粗集料用量的研究结果

研究结果表明， 混凝土的耐久性与粗集料粒径的大小有着密切的联系。 若粗集料的粒径大， 则其断裂韧度也会有所提高； 粗集料的颗粒尺寸越大，集料与水泥浆体的初始裂纹越大， 集料与基质间的粘结力越弱， 其力学性能越差。 结果表明： 集料最大强度、 水泥浆强度和粗集料与基体的结合强度是影响水泥混凝土强度的重要因素。 这三个问题是当前研究的重点。

5.2 对水泥混凝土耐久性影响的研究结果

研究水泥混凝土耐久性能最主要的手段就是观察其对化学腐蚀的响应。 这是一种化学侵蚀的反应，化学侵蚀的基本原理是由于在贮存过程中存在一定的介质， 会使混凝土中的空隙变大， 从而引起混凝土和空隙液的化学反应， 进而造成破坏， 大部分的混凝土破坏都是由水渗入到结构中。 混凝土裂缝的形成主要是由于其结构中存在着大量的裂缝、 裂缝和孔洞， 这些裂缝在荷载的作用下彼此相连。 结果表明， 混凝土的抗渗率降低， 内孔压力增加， 引起混凝土的膨胀， 钢筋腐蚀， 水冰破坏混凝土构件的内部破坏。 泥浆混凝土开裂的原因有很多种， 其中有温度、 湿度、 掺杂、 收缩方式等。 水泥混凝土是一种新型的混凝土结构， 它在混凝土板上的开裂和伸缩缝的破坏是非常常见的。 若不及时进行保养，将造成产品出现质量问题[5]。

6 结语

中国的基础设施建设是我国经济发展的重要组成部分， 它不仅关系到人民的日常生活， 也关系到国家的经济发展。 混凝土的大量应用不仅直接关系到工程的施工质量， 而且直接关系到公路的建设与发展。