压制成型海砂混凝土路面砖力学性能试验研究★

徐若男，张军浩，彭庆庆，王腾飞，黄倩峰，赵俊亮

(1.浙江瓯越交建科技股份有限公司,浙江 温州 325000; 2.温州大学建筑工程学院,浙江 温州 325035)

混凝土路面砖在城市人行道、公园、广场等场所应用广泛。混凝土路面砖的生产通常采用振压成型或压制成型工艺[1-2]。在该生产工艺中,混凝土为干硬性混凝土,拌合料基本没有流动性,需要通过外部机械压力和振动使其达到密实。该工艺的优点是单位体积水泥用量更低、经济性更好,且压制成型后可立即脱模,能提高模具的周转率和生产效率。

近年来,国内外普遍面临淡水河砂的短缺,很多学者聚焦于寻找河砂的替代品。其中,海砂资源具有储量大、开采成本低的特点。然而,海砂中由于含有氯离子,会加速钢筋的锈蚀,引起“海砂屋”等工程事故[3]。因此,我国规范规定,海砂不能直接用于钢筋混凝土结构,而需经过淡化处理,使其氯离子含量低于规范限值[4]方可使用。然而,海砂淡化过程需要消耗大量淡水资源[5],不仅提高了海砂的利用成本,而且容易引发二次污染。近年来,很多学者致力于在非金属配筋混凝土中直接使用未淡化海砂,甚至海水用于混凝土的拌合,并取得了良好的成效[6-8]。

在混凝土路面砖中,通常不配置钢筋,因此,也无需担心海砂中氯离子的影响。同时,现有研究表明,氯离子对混凝土本身并不会产生有害影响,反而有助于加快水泥的水化进程和提高混凝土的早期强度[9-11]。因此,本研究提出采用未淡化海砂进行混凝土路面砖的生产。为了验证其可行性,本文对不同配合比的海砂混凝土路面砖的基本力学性能进行了测试和讨论。

1 试验研究

1.1 路面砖制作工艺

设计了混凝土路面砖压制的专用模具,如图1所示,该模具由4块侧板和1块底板组成,侧板与底板通过螺栓组装形成整体,并与一个独立的钢制压块配合使用,压块尺寸略小于模具,从而使其能够压入模具内部。模具内部平面尺寸为200 mm×100 mm,高度为100 mm。试验中,首先将一定量混凝土拌合料填入模具,手工调平后将压块放入模具顶部并对中;然后将整个模具置于压力机下以600 kN/min的速率压至20 MPa(400 kN)应力水平,并保持1 min,之后进行卸载;卸载后,拆除模具连接螺栓实现路面砖的脱模,取出路面砖(如图2所示)并放入养护室进行养护。本研究采用的路面砖压制成型后的厚度均为60 mm。

1.2 原材料及配合比

制作路面砖的原材料包括:石子、海砂、水泥、淡水。其中石子为粒径5 mm～10 mm的碎石;试验用海砂筛分曲线如图3所示,细度模数2.08,属于Ⅲ区砂[12];水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥;拌合用水为普通自来水。

混凝土配合比根据前期研究确定[13-14],本研究共探讨了5种不同的配合比,具体如表1所示。其中,前4个配合比均采用未淡化海砂,但采用了不同的水灰比;第5组与第4组采用相同的配合比,但第5组的海砂经过了淡化处理。海砂的淡化通过将其浸泡于足量淡水中1个星期,中间换水2次,最终捞出烘干得到。

表1 混凝土配合比

1.3 力学性能测试方法

本研究对标准养护3 d,7 d,14 d和28 d的路面砖按GB 28635—2012混凝土路面砖[15]进行了抗压和抗折强度测试。抗压强度测试在500 t电液伺服压力机上进行;抗折强度试验采用30 t电子万能试验机进行,试验装置如图4所示。每个配合比每个龄期测试3个抗压和3个抗折试件,并取其平均值进行分析,共进行了60个抗压强度测试和60个抗折强度测试。

2 试验结果与分析

图5为路面砖典型抗压和抗折破坏模式。受压破坏主要表现为侧面混凝土剥离、酥落;抗折破坏一般在砖中部产生竖向通缝而断裂成两半。不同配合比路面砖破坏模式基本相似。

表2,表3分别给出了路面砖抗压强度和抗折强度测试结果,表中数据均为3个试块的平均值。图6,图7给出了不同龄期的抗压强度、抗折强度与对应28 d强度的比值随龄期变化的曲线。由试验结果可知,路面砖抗压强度、抗折强度均随龄期增大而提高。平均来讲,3 d,7 d和14 d抗压强度为28 d抗压强度的78.6%,86.5%和93.3%;3 d,7 d和14 d抗折强度为28 d抗折强度的76.1%,82.0%和92.4%。

表2 路面砖抗压强度测试结果 MPa

表3 路面砖抗折强度测试结果 MPa

图8,图9对比了相同龄期下,不同配合比路面砖的抗压强度和抗折强度。在相同龄期下,抗压强度、抗折强度由配合比1到配合比4逐步提高,即路面砖的抗压强度和抗折强度均随水灰比的增大而增大。以28 d强度为例,水灰质量比由0.29(配合比1)增加至0.35(配合比4),抗压强度提高了70.6%,抗折强度提高了28.2%。其原因是随着水灰比的增大,混凝土的流动性提高,更容易在机械压力下达到密实,从而提高其强度,且砖的密实程度对抗压强度的影响大于对抗折强度的影响。然而,水灰比过大,容易导致路面砖脱模后出现“鼓腰”变形,影响其品质,因此,建议水灰比不宜过大。

此外,对比配合比4和配合比5,两者采用了相同的配合比,但前者采用未淡化海砂,后者采用淡化海砂。在各龄期下,采用未淡化海砂路面砖的抗压强度均高于采用淡化海砂的路面砖。28 d时,采用未淡化海砂的路面砖抗压强度比采用淡化海砂路面砖高约10.5%。在抗折强度方面,采用未淡化海砂和淡化海砂的路面砖测试结果比较接近,两者差别一般在5%以内,即淡化与否对路面砖的抗折强度影响有限。

3 结论

通过对不同配合比海砂混凝土路面砖不同龄期的抗压强度测试和抗折强度测试,本研究主要结论如下:

1)在本研究范围内,压制成型混凝土路面砖抗压强度和抗折强度均随水灰比增大而增大,其原因是随水灰比增大,混凝土更容易被压制密实。

2)压制成型混凝土路面3 d强度约为28 d强度的75%左右,14 d可达28 d强度的90%以上,整体强度发展较快。

3)使用未淡化海砂制作的路面砖抗压强度较使用淡化海砂的路面砖高约10.5%,两者抗折强度比较接近。