砂率对机制砂混凝土强度及抗滑耐磨性能的影响分析

邢晗翰,周 坤,刘继武,李舒阳

(1.中国葛洲坝集团第一工程有限公司,湖北 宜昌 443008;2.广西道路结构与材料重点实验室,广西 南宁 530007;3.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

随着我国西部大开发的深入发展和西南陆海新通道的建设,广西道路基础设施建设正处于高速发展的快车道中。水泥混凝土路面具有强度高、刚度大等特点,其广泛应用于高级公路、重载交通道路及农村公路中[1]。到“十四五”末期,广西公路通车总里程将达14×104km,水泥混凝土路面的建设仍处于高峰期。然而,作为混凝土原材料的河砂因过度开采消耗巨大,不仅资源耗尽枯竭,而且对绿色生态环境造成破坏。因此,寻求一种资源丰富且符合可持续发展的新砂源代替河砂尤为迫切。研究表明机制砂能代替河砂掺入混凝土中并能有效提升混凝土各项性能,满足路面结构性能基本要求[2-3]。

近年来,机制砂代替河砂在水泥混凝土路面中应用逐渐成为国内外学者研究的热点[4-5]。谢开仲等[6]针对不同颗粒级配机制砂对混凝土性能的影响规律开展了相关研究研究,结果表明随着机制砂颗粒粒径的不断增大,混凝土工作性能和力学性能呈现先提升后降低的变化趋势,当力学性能的数值达到最大时,相比于天然砂混凝土提升了17.8%。陈飞宏等[7]研究了不同机制砂的水灰比对混凝土抗滑性和耐磨性的影响规律,发现混凝土路面的抗滑性和耐磨性随着水灰比的降低而不断提升,提出为了提高机制砂路面混凝土抗滑耐久性,应适当降低混凝土的水灰比。李振怀等[8]通过开展不同石粉含量机制砂混凝土的坍落度试验和抗压强度试验,对混凝土流动性和抗压强度开展研究,结果表明,当石粉含量不断降低,对机制砂混凝土的流动性影响程度较大,而对强度影响程度较小。

当石粉含量≤7%,机制砂混凝土具有较好的流动性和强度。砂率是影响机制砂混凝土各项性能的重要因素,但关于其对混凝土各项性能的研究相对较少。研究机制砂砂率对混凝土流动性、强度及抗滑耐磨性的影响规律是机制砂能否在道路材料领域广泛应用的关键。

因此,本研究制备了6种不同砂率(32%、34%、36%、38%、40%、42%)机制砂混凝土,通过开展混凝土坍落度测试、28 d抗压强度劈裂强度测试、摆式摩擦及单位磨损量测试,研究不同砂率对机制砂混凝土的流动性、强度及抗滑耐久性的影响规律,为机制砂作为细骨料在道路材料领域的合理应用提供理论依据和实践指导。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料及配合比设计

本次试验采用的是P·O 52.5级水泥;采用的细骨料为卵石生产的机制砂,其粒径级配符合2区中砂的要求,细度模量为2.8,表观密度为2.56 kg/m3,吸水率为1.6%,泥块含量为0.4%;采用的粗骨料为石灰岩,压碎值为18.4%,针片状含量为1.1%,泥块含量为0.3%,吸水率为0.3%,表观密度为2.73 g/cm3;水为自来水;外加剂为聚羧酸减水剂。

为开展不同砂率对混凝土流动性、强度及抗滑耐久性的相关试验研究,本研究采用6种不同的砂率,分别为32%、34%、36%、38%、40%、42%,设计了6组不同砂率混凝土,混凝土配合比设计如表1所示,其中水胶比为0.36,减水剂为1.3%,参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)制备混凝土试件。

表1 机制砂混凝土配合比设计数值表

1.2 试验方法

为分析砂率对混凝土流动性、强度及抗滑耐久性的影响规律,按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)开展混凝土坍落度试验;按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)开展混凝土28 d抗压强度、劈裂强度试验,混凝土试件尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm,达到28 d养护龄期;按照《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450-2019)开展抗滑性与耐磨性试验,抗滑性采用摆式摩擦系数(摆值)进行评价,耐磨性采用单位磨损量进行评价。

2 结果与分析

2.1 机制砂混凝土流动性

图1为砂率对机制砂混凝土坍落度的影响曲线图。从图1可以发现,随着砂率不断提高,混凝土坍落度呈现先降低后升高的变化趋势。当砂率为32%,混凝土坍落度为90 mm,为全组中最大值。随着砂率增大到38%和40%,混凝土坍落度降低至5 mm,相比于砂率为32%时降低了94.44%。当砂率为42%时,混凝土坍落度增大到20 mm,相比于砂率为42%时提升了300%。可以看出,砂率对混凝土流动性的影响程度较大,砂率的增大对混凝土的流动性有负面影响,砂率继续增大,对流动性有着改善作用,但程度不大。当砂率适宜(32%和34%)时,机制砂能有效填满粗骨料之间的空隙,保证粗骨料间存在一定厚度的砂浆以至于减少骨料相互作用产生的滑动阻力,促使浆体流变性能增大,有利于提升混凝土的流动性[9]。当砂率过大(>34%)时,由于骨料所占整体的表面积较大,导致包裹在骨料表面的水泥浆体厚度减小,削弱了水泥浆体对骨料的润滑作用,同时砂率过大会增加混凝土中的含粉量,导致浆体的需水量增加,从而增加了混凝土的黏度,对浆体的流动性产生负面的影响[10-11]。因此,为有效保障混凝土流动性,机制砂的砂率不能过高。

图1 不同砂率对机制砂混凝土坍落度的影响曲线图

2.2 机制砂混凝土强度

图2和图3分别为砂率对机制砂混凝土的28 d抗压强度、劈裂强度的影响柱状图。从图2可以看出,随着砂率的不断增加,抗压强度呈现不断降低的变化趋势。当砂率为32%时,混凝土抗压强度为64.7 MPa,为全组中抗压强度最高。随着砂率从32%增大到36%,混凝土抗压强度降低程度不大。当砂率持续增大到42%,混凝土抗压强度仅为52 MPa,为全组中抗压强度最低,相比于砂率为32%时,降低了19.63%。这是由于当砂率过大,混凝土中具有过多的浆体量,增加了包裹于骨料表面浆体厚度,削弱了骨料之间的咬合力,且砂率的增加提高了石粉含量,活性较低的石粉使得浆体与骨料之间的粘结力减弱,造成了混凝土的抗压强度降低[12]。

图2 不同砂率对机制砂混凝土28 d抗压强度的影响柱状图

图3 不同砂率对机制砂混凝土28 d劈裂强度的影响柱状图

相比于抗压强度,砂率对混凝土劈裂强度呈现不同的变化规律。从图3可以看出,随着砂率的不断增加,混凝土劈裂强度呈现先提升后降低的趋势。当砂率为32%时,劈裂强度仅为2 MPa,为全组中强度最低。随着砂率增大到36%,劈裂强度为全组中最高(3.57 MPa),相比于砂率为32%时提升了78.5%。砂率的提高,增大了混凝土中石粉的含量,从而增多了浆体的总量,且石粉具有填充效应,能有效填充混凝土中的微孔隙微裂缝,有利于提升界面过渡区的强度,密实度得到进一步提升,提高了混凝土劈裂强度[13]。随着砂率持续增大,劈裂强度不断降低。当砂率为42%时,劈裂强度仅为2.9 MPa,相比于砂率为36%时降低了18.77%。

2.3 机制砂混凝土抗滑耐磨性能

不同砂率对机制砂混凝土摆值的影响如图4所示。由图4可以看出,随着砂率的增大,混凝土摆值呈现先降低后升高再降低再升高的变化趋势,说明机制砂混凝土抗滑性能先减弱后提升再减弱再提升。当砂率为32%时,混凝土摆值为78。当砂率增大到34%,混凝土摆值降低至73,为全组中最低,混凝土抗滑性能最差。随着砂率继续增大至36%,混凝土摆值为89,是全组中最高,混凝土抗滑性能为最强。当砂率增大至38%、40%和42%,相比于砂率为36%时混凝土摆值呈现降低趋势但变化程度不大,说明当砂率>36%时,砂率对混凝土的抗滑性能影响不大。在混凝土搅拌浇筑过程中,机制砂中的石粉会跟着水泥浆体上浮至混凝土表面;随着砂率的增大,混凝土表面的石粉增多,导致混凝土摩擦系数降低,抗滑性能减弱[14]。

图4 不同砂率对机制砂混凝土摆值的影响柱状图

不同砂率对机制砂混凝土单位面积磨损量如图5所示。由图5可以看出,随着砂率的增大,单位面积磨损量呈现先增大后降低再增大的变化趋势。当砂率为32%时,磨损量为0.6 kg/m2,为全组中最低,说明砂率为32%时的机制砂混凝土有着最优的耐磨性能。当砂率增加至38%,磨损量为1.55 kg/m2,为全组中最高,说明砂率为38%时机制砂混凝土的耐磨性能最差。当砂率过大,混凝土中水泥砂率体积增大,由于砂浆相比于碎石等粗骨料相对脆弱,使得混凝土的磨损量提高,导致混凝土的耐磨性变差[15]。

图5 不同砂率对机制砂混凝土单位面积磨损量的影响柱状图

3 结语

本文通过开展不同砂率机制砂混凝土坍落度测试、抗压强度测试、劈裂强度测试、摆式摩擦及单位磨损量测试,评价砂率对机制砂混凝土流动性、强度及抗滑耐磨性能的影响,得到以下结论:

(1)随着砂率的增加,机制砂混凝土的流动性呈现先降低后提升的变化趋势。当砂率为32%时,机制砂混凝土有着最优的流动性,坍落度高达90 mm。

(2)28 d抗压强度随着砂率的增加呈现不断降低的变化规律,当砂率为32%时,抗压强度为64.7 MPa,相比于砂率为42%时提升了24.42%。而28 d劈裂强度则随着砂率增加呈现先提升后降低的趋势,当砂率为36%时,劈裂强度为3.57 MPa,相比于砂率为32%时提升了78.5%。

(3)抗滑性能随着砂率的增大呈现先减弱后提升再减弱再提升的趋势,当砂率为36%时,混凝土抗滑性能为最强。而耐磨性能随着砂率的增加呈现先提升后减弱再提升的趋势,砂率为32%时的机制砂混凝土有着最优的耐磨性能,砂率为38%时机制砂混凝土的耐磨性能最差。