石灰岩-砂岩组合骨料混凝土力学特性试验研究

赵胜利,张国辉,魏 雄,杨振东

(1.中信建设有限责任公司,北京 100027; 2.昆明理工大学 电力工程学院,云南 昆明 650500)

粗骨料是混凝土的重要组成部分,约占混凝土材料总质量的75%,不同的骨料特性对混凝土性能的影响尤为显著[1-2]。石灰岩骨料强度高、骨料粒形好、热学性能佳,是人工骨料中的首选之一。近年来我国混凝土浇筑量快速增长,对优质石灰岩粗骨料的需求量巨大。受优质骨料价格及运输成本限制,导致不少地区优质粗骨料资源十分短缺[3-4]。利用我国西南地区工程开挖产生的丰富的砂岩资源替代部分石灰岩骨料,形成砂岩-石灰岩组合骨料不仅可以解决石灰岩骨料价格高昂和运输不便的问题,还可以提高资源利用率,就地取材,具有良好的经济及社会效益。砂岩骨料具有强度相对较低,多孔吸水以及针片率高等特性,组合骨料可充分利用不同骨料的优势,进而提升混凝土物理力学特性,满足工程使用要求[5-6]。

系统开展地缘性骨料与优质骨料的组合骨料混凝土物理力学特性影响规律研究对实现绿色可持续工程建设意义深远。部分研究者首先就砂岩骨料特性及砂岩骨料混凝土性能展开研究,杨林等开展了砂岩原岩岩矿鉴定和物理力学性能试验,测试分析了大吸水率砂岩碾压混凝土强度及抗渗和抗冻性能,表明大吸水率砂岩骨料亦可满足碾压混凝土的相关要求[7]。为降低纯砂岩骨料混凝土的碱骨料反应和干缩性,增强砂岩骨料混凝土强度及抵抗变形能力,部分研究者随即开展了砂岩与其他优质骨料的组合运用研究。肖翔和董芸等提出采取组合骨料,掺入高掺粉煤灰以及严控碱含量可以有效将ASR反应控制在较低水平[8-9]。罗键等开展了石英砂岩粗骨料与灰岩细骨料的组合骨料混凝土温度变形及绝热温升等特性研究, 验证了水库坝体堆石混凝土采用组合骨料是可行的[10]。陈治旭等得到了与全砂岩骨料相比,砂岩-大理岩组合骨料能提高全级配混凝土的抗压强度、降低混凝土的干缩和自生体积变形的结论[11],但未涉及砂岩-石灰岩组合骨料。研究者亦对不同岩性的粗细骨料组合开展了探索性研究。张建峰等选取了4 种不同粗细骨料组合,在相同条件下进行了抗冲磨混凝土的力学、变形、热学和抗冲磨性能试验。研究结果表明骨料特性对混凝土力学性能、变形性能、热学性能和抗冲磨性能均有影响[12]。董海英等研究结论表明采用组合骨料,且骨料为间断级配时,与采用单一骨料时对比,降低了粉煤灰掺量,水胶比变大,用水量增加[13]。目前研究者较多关注机制砂河砂组合细骨料混凝土物理力学性能研究,针对粗骨料种类,主要就各类型粗骨料混凝土差异性展开研究,关于地缘性砂岩粗骨料与优质石灰岩骨料掺配使用研究较少。石灰岩砂岩组合骨料混凝土,由于砂岩的高吸水率,研究者较多关注砂岩骨料混凝土干缩性及徐变性能[14],针对组合骨料中优质石灰岩骨料占比对混凝土物理力学特性研究尚不系统,有必要系统开展组合骨料混凝土物理力学特性研究,探究组合骨料中优质石灰岩骨料的优化占比,为优质石灰岩掺配地缘性砂岩骨料的实际工程运用提供支撑。

本文通过物理试验,设置5种不同石灰岩与砂岩占比的组合骨料,在相同配合比条件下,系统研究砂岩与石灰岩粗骨料占比对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度以及弹性模量的影响规律,并综合强度、弹性模量演化规律及材料经济性,提出砂岩与石灰岩组合骨料的石灰岩优化推荐占比,为砂岩与石灰岩组合骨料的实际工程运用提供支撑。

1 试验概况

1.1 试验材料及设备

水泥选用云南宜良红狮水泥有限公司生产的P·C 42.5级复合硅酸盐水泥,其初凝时间为148 min,终凝时间为285 min,安定性合格,标准稠度用水量为26.4%。细骨料采用中砂,细度模数为2.65,表观密度为2718 kg/m3,堆积密度为1 644 kg/m3,含泥量0.2%,有害物质含量均在规定值以下。粗骨料采用砂岩与石灰岩组合骨料,砂岩与石灰岩粗骨料均为机制碎石,最大骨料粒径均为40 mm,均为2级配,其中小石5 mm～20 mm和中石20 mm～40 mm的质量比为1∶1。骨料级配对混凝土性能存在影响,砂岩与石灰岩骨料级配的差异势必将影响组合骨料混凝土物理力学性能的评价。故将石灰岩与砂岩骨料进行了预筛分,石灰岩与砂岩骨料筛分级配曲线基本相似,石灰岩及砂岩粗骨料筛分级配曲线见图1,砂岩与石灰岩粗骨料其他物理参数详见表1,本试验采用的砂岩与石灰岩粗骨料如图2所示。混凝土强度试验机采用上海华龙仪器公司生产的WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机,最大试验力可达1 000 kN,位移测量精度为±0.5%。

图1 石灰岩与砂岩粗骨料的筛分级配曲线

图2 砂岩和石灰岩粗骨料

1.2 试验设计与方法

试验控制因素为粗骨料类型及组合质量比,石灰岩粗骨料与砂岩粗骨料质量比设置5种组合,试验设计分组详见表2。试验研究指标为混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量。由于砂岩与石灰岩粗骨料吸水率存在显著差异,故将砂岩和石灰岩碎石进行10 d浸泡处理,使砂岩及石灰岩粗骨料均达到饱和状态后进行混凝土拌和,排除粗骨料吸水率差异导致的配合比变化。为避免粗骨料级配差异影响,将石灰岩与砂岩骨料分5级筛分,配置级配相近的砂岩骨料与石灰岩骨料。在混凝土配合比保持不变条件下,按照预设砂岩与石灰岩粗骨料质量占比,拌和形成砂岩与石灰岩组合粗骨料混凝土,研究砂岩与石灰岩粗骨料质量比对混凝土力学特性影响规律。试验混凝土水灰比为0.57,其中水、水泥、细骨料、粗骨料质量比为1.00∶1.76∶5.10∶7.06。混凝土试件标准养护28 d后,进行抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量的检测试验。试验执行标准为《水工混凝土试验规程》[15](SL 532—2020)。每个试验组设置6块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件,其中3块检测抗压强度,其余3块检测劈裂抗拉强度。6块尺寸为φ150 mm×300 mm圆柱体试件,用于检测混凝土弹性模量。

表2 试验分组

2 试验结果与分析

2.1 组合骨料混凝土抗压强度变化规律

根据不同组合粗骨料条件下混凝土抗压强度试验值,以石灰岩与砂岩的组合粗骨料中石灰岩占比为横坐标,抗压强度为纵坐标,得到混凝土抗压强度随石灰岩粗骨料占比变化曲线,如图3所示。

图3 混凝土抗压强度随石灰岩粗骨料占比变化曲线

由图3可知,相同配合比条件下,混凝土抗压强度受其粗骨料的种类及占比影响显著。混凝土抗压强度随优质石灰岩骨料占比的增加而增大,说明相同配合比条件下,优质石灰岩粗骨料的掺入能够有效提高混凝土抗压强度。譬如,石灰岩与砂岩质量比为1∶1时的混凝土抗压强度仅为二者质量比为1∶0的85.28%。 纯石灰岩骨料及纯砂岩骨料混凝土抗压强度分别达到最大及最小值,纯石灰岩粗骨料混凝土抗压强度为纯砂岩粗骨料的1.29倍。石灰岩粗骨料占比由20%增至50%时,对应的混凝土抗压强度增幅仅为1%,基本保持不变。而当石灰岩粗骨料占比由0%增至20%、由50%增至100%时,对应抗压强度增幅分别为8.63%和17.27%。说明仅考虑抗压强度增幅,优质石灰岩骨料占比范围为0%～20%、50%～100%时具有较好的性价比。

2.2 组合骨料混凝土劈裂抗拉强度变化规律

根据不同组合粗骨料条件下混凝土劈裂抗拉强度试验值,以石灰岩与砂岩的组合粗骨料中石灰岩占比为横坐标,劈裂抗拉强度为纵坐标,得到混凝土劈裂抗拉强度随石灰岩粗骨料占比变化曲线,如图4所示。

由图4可知,相同配合比条件下,砂岩及石灰岩粗骨料占比变化对混凝土劈裂抗拉强度影响甚微,混凝土劈裂抗拉强度存在小幅波动,基本保持稳定。纯砂岩粗骨料混凝土劈裂抗拉强度较纯石灰岩骨料混凝土变幅仅为2.75%。仅考虑混凝土劈裂抗拉强度,优质石灰岩粗骨料的掺入对混凝土劈裂抗拉强度增益效应并不显著,其原因与混凝土劈裂抗拉的破坏机理有关。试件劈裂破坏时,破坏面多是薄弱的粘结界面层,内部裂纹一旦产生便会快速扩展。由于砂浆基体抗拉强度均低于砂岩及石灰岩骨料,此时裂缝扩展将绕过骨料而发生曲折破坏,因而砂岩及石灰岩骨料颗粒阻碍微裂缝发展的能力是相同的,这导致纯砂岩骨料混凝土与纯石灰岩骨料混凝土劈裂抗拉强度试验较为接近[16]。

图4 混凝土劈裂抗拉强度随石灰岩粗骨料占比变化曲线

普通混凝土抗拉强度一般约为抗压强度的7%～14%,即拉压比为0.07～0.14[17]。石灰岩砂岩组合骨料混凝土劈裂抗拉强度与其抗压强度之比如表3所示。由表3可知,石灰岩砂岩骨料混凝土拉压比平均值为0.078,且石灰岩砂岩骨料混凝土拉压比随石灰岩占比变化存在显著差异。组合骨料混凝土拉压比随石灰岩占比的增加而降低,纯砂岩骨料混凝土拉压比为纯石灰岩骨料拉压比的1.24倍。石灰岩与砂岩组合骨料混凝土结构设计时应该充分考虑骨料种类及占比。

表3 组合骨料混凝土拉压比

2.3 组合骨料混凝土弹性模量变化规律

根据不同组合粗骨料条件下混凝土劈裂抗拉强度试验值,以石灰岩与砂岩的组合粗骨料中石灰岩占比为横坐标,弹性模量为纵坐标,得到混凝土弹性模量随石灰岩粗骨料占比变化曲线,如图5所示。

图5 混凝土弹性模量随石灰岩粗骨料占比变化曲线

由图5可知,相同配合比条件下,混凝土弹性模量受其粗骨料种类及占比的影响显著,混凝土弹性模量随优质石灰岩粗骨料占比的增加呈近似线性关系增大。优质石灰岩粗骨料占比范围为0%～100%时,混凝土弹性模量增幅基本恒定。石灰岩骨料占比为80%时混凝土弹性模量为石灰岩骨料占比为20%时的1.17倍。纯石灰岩骨料及纯砂岩骨料混凝土弹性模量分别达到最大及最小值,纯砂岩粗骨料混凝土弹性模量仅为纯石灰岩骨料的73.40%。说明相同配合比条件下,优质石灰岩粗骨料的掺入能够有效提高混凝土抵抗变形能力。

在混凝土结构变形及裂缝研究计算中均需先获得混凝土弹性模量,研究石灰岩与砂岩组合骨料混凝土弹性模量与抗压强度相关性对组合骨料混凝土结构设计研究具有重要意义。根据不同石灰岩骨料占比条件下的弹性模量与抗压强度试验值,拟合得到组合骨料混凝土弹性模量关于抗压强度的预测方程,详见式(1),其相关系数为0.954,相关性良好。图6为组合骨料混凝土弹性模量实测值与预测值对比曲线。由图6可知,试验值与预测模型吻合较好,该预测方程可为石灰岩与砂岩组合骨料混凝土弹性模量预测提供支撑。

图6 组合骨料混凝土弹性模量实测值与预测值对比曲线

(1)

式中:E为混凝土弹性模量,GPa;fc为混凝土抗压强度,MPa。

2.4 砂岩与石灰岩骨料占比的综合影响规律

以石灰岩骨料占比为0,即纯砂岩粗骨料混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度以及弹性模量为基础,定义各不同石灰岩骨料占比下的混凝土强度、弹性模量与纯砂岩骨料混凝土强度、弹性模量之差,该差值再与纯砂岩骨料混凝土强度、弹性模量之比为强度及弹性模量增幅。图7为不同石灰岩骨料占比下混凝土强度与弹性模量增幅变化曲线。

图7 组合骨料混凝土强度及弹性模量增幅变化曲线

由图7可知,相同配合比条件下,混凝土抗压强度及弹性模量增幅随石灰岩骨料占比提高而增大,抗压强度及弹性模量最大增幅达28.77%、36.23%,而石灰岩骨料占比对混凝土劈裂抗拉强度增幅基本无影响。结合石灰岩粗骨料单价80元/t,砂岩粗骨料单价50元/t,材料差价30元/t。基于石灰岩骨料占比对混凝土强度、弹性模量增幅规律以及经济性的综合考虑,石灰岩骨料占比区间0%～20%时,抗压强度及弹性模量最大增幅分别为8.64%、4.64%,为石灰岩骨料低占比推荐区间。1 t砂岩石灰岩组合骨料,石灰岩占比20%时,石灰岩与砂岩组合骨料材料单价为56元/t,较纯石灰岩骨料节省材料费24元/t。按照粗骨料需求10 t计算,即可节省材料费240万元,经济效益显著。石灰岩骨料占比区间为20%～50%时,抗压强度较20%占比时仅增加了1.17%,较石灰岩骨料的低占比区间0%～20%提升较小,且石灰岩骨料占比增加至50%时,组合骨料单价已增加至65元/t,经济效益降低,故应尽量避免该石灰岩骨料的占比区间。石灰岩骨料占比区间为50%～80%时,混凝土抗压强度及弹性模量最大增幅为15.72%、22.15%,强度及刚度提升显著,此时的组合骨料单价已增加到74元/t,较纯石灰岩单价差为6元/t,此时主要考虑其组合骨料混凝土是否满足实际工程需求,经济效益为辅。

3 结 论

(1) 石灰岩与砂岩级配相近条件下,组合骨料中石灰岩与砂岩占比差异对混凝土抗压强度及弹性模量影响显著,而对其劈裂抗拉强度影响甚微。随石灰岩骨料占比的提高,混凝土抗压强度及弹性模量均不同程度有所增加。纯石灰岩骨料混凝土抗压强度较纯砂岩骨料混凝土增加了28.77%,纯石灰岩骨料混凝土弹性模量较纯砂岩骨料混凝土增加了36.23%,石灰岩骨料的掺入能有效提升混凝土强度及刚度。

(2) 组合骨料混凝土拉压比随石灰岩占比的增加而降低,纯砂岩骨料混凝土拉压比为纯石灰岩骨料拉压比的1.24倍。石灰岩与砂岩组合骨料混凝土结构设计时应该充分考虑骨料种类及占比。组合骨料混凝土弹性模量与其抗压强度呈幂函数关系,且所建立的组合骨料混凝土弹性模量预测方程相关性良好。

(3) 基于石灰岩骨料占比对混凝土强度、弹性模量增幅规律以及经济性的综合考虑,石灰岩骨料的推荐低占比区间为0%～20%,推荐高占比区间为50%～80%,应尽量避开区间为20%～50%。以上研究成果可为砂岩-石灰岩组合骨料在中低强度等级混凝土实际工程运用提供支撑。