蘭州地區(qū)商品混凝土用骨料性能試驗研究

杜迎東，王起才，于本田，張 慶，王神力

(1．蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2．鞍鋼建設(shè)集團有限公司，遼寧 鞍山 114021)

蘭州地區(qū)商品混凝土用骨料性能試驗研究

杜迎東1，王起才1，于本田1，張 慶2，王神力1

(1．蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2．鞍鋼建設(shè)集團有限公司，遼寧 鞍山 114021)

為了解蘭州地區(qū)商品混凝土用骨料的各項性能指標(biāo)，對從蘭州12家商品混凝土拌合站抽取的細骨料進行了顆粒級配、細度模數(shù)、含泥量、泥塊含量和快速堿—硅酸反應(yīng)等試驗，對粗骨料進行了含泥量、泥塊含量、針片狀顆粒含量、快速堿—硅酸反應(yīng)等試驗。結(jié)果表明:蘭州地區(qū)商品混凝土所用細骨料中粗顆粒所占比例偏大，顆粒級配不符合規(guī)范要求，含泥量較高，有明顯的潛在堿—硅酸反應(yīng)危害;而粗骨料泥塊含量較高，發(fā)生堿—硅酸反應(yīng)危害的概率較細骨料低。分析了問題產(chǎn)生的原因，并給出了優(yōu)化建議。

商品混凝土 耐久性 骨料 顆粒級配 試驗研究

砂石原材料作為混凝土的主要組成，其性能對高性能混凝土的性能影響巨大［1-5］，我國混凝土中的水泥用量和拌合用水比發(fā)達國家至少多用20%，不僅資源浪費嚴(yán)重，而且使硬化后的混凝土更易開裂，威脅結(jié)構(gòu)物的耐久性，其主要原因就是砂石質(zhì)量太差［6］。了解蘭州地區(qū)骨料重要性能指標(biāo)，分析骨料性能對高性能混凝土影響，進而給出建議，將對優(yōu)化高性能混凝土配合比設(shè)計、保證結(jié)構(gòu)耐久性具有重要意義。

本文以蘭州地區(qū)商品混凝土用粗、細骨料為研究對象，進行了骨料性能指標(biāo)的試驗研究，分析了蘭州地區(qū)商品混凝土所用砂石存在的問題，對問題的原因進行了分析，以期為蘭州地區(qū)商品混凝土用骨料的選擇提供理論依據(jù)。

1 試驗材料

試驗所用的粗、細骨料是在蘭州12家商品混凝土拌合站現(xiàn)場抽取的，以代號 G1～G12表示在12家商品混凝土拌合站所抽取的石子，S1～S12表示所抽取的砂。其基本信息見表1。

2 測試內(nèi)容及方法

依據(jù)《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)［7］對砂進行了含泥量、泥塊含量、細度模數(shù)、顆粒級配、快速堿—硅酸反應(yīng)等試驗，依據(jù)《建設(shè)用碎石、卵石》(GB/T 14685—2011)［8］對石子進行了含泥量、泥塊含量、針片狀顆粒含量、快速堿—硅酸反應(yīng)等試驗。

表1 砂、石子基本信息

堿—骨料反應(yīng)(AAR)是指混凝土膠凝材料中的水泥、礦物摻合料、外加劑和水中的堿與骨料中的堿活性物質(zhì)(如活性SiO2等)在混凝土凝固后發(fā)生的一種緩慢的化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)吸水后會發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致混凝土延伸、開裂，直至損壞，這種反應(yīng)由內(nèi)及外發(fā)生。按照混凝土中的堿與骨料中不同的活性物質(zhì)的反應(yīng)，把堿—骨料反應(yīng)分為堿—碳酸反應(yīng)(ACR)和堿—硅酸反應(yīng)(ASR)。堿—硅酸反應(yīng)所形成的反應(yīng)產(chǎn)物是堿硅凝膠，堿硅凝膠的吸水性極強，吸水之后會產(chǎn)生很大的膨脹，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致混凝土耐久性降低或結(jié)構(gòu)破壞［9］。堿—骨料反應(yīng)是影響混凝土耐久性的一個十分重要的因素。其破壞的程度隨骨料活性大小、反應(yīng)類型、堿的含量、環(huán)境等級等的不同而有明顯變化。通常堿—骨料反應(yīng)造成的開裂破壞隨時間變化而加劇，維修技術(shù)難度大，且費用昂貴，現(xiàn)已引起世界各國土木工程工作人員的高度重視。

堿—骨料反應(yīng)采用快速砂漿棒法測試。具體為:將骨料和硅酸鹽水泥混合制成的砂漿試件置于80℃，1 mol/L NaOH溶液中，定期測定試件的初始長度，依據(jù)試件14 d膨脹率評定骨料的堿活性大小。砂石料的檢測結(jié)果評定需參考《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)和《建設(shè)用碎石、卵石》(GB/T 14685—2011)的規(guī)定:當(dāng)14 d砂漿棒膨脹率＜0.10%時，在大多數(shù)情況可判斷為無潛在堿—硅酸反應(yīng)危害;當(dāng)14 d砂漿棒膨脹率＞0.20%時，可以判定為有潛在堿—硅酸反應(yīng)危害，不能用來配制軌道交通工程耐久性混凝土;當(dāng)14 d砂漿棒膨脹率在0.10% ～0.20%時，不能最終判定有潛在堿—硅酸反應(yīng)危害，這時可進行長期(6個月)堿—硅酸反應(yīng)試驗。采用快速堿—硅酸反應(yīng)試驗測試出的14 d砂漿棒膨脹率在0.10% ～0.20%之間的骨料，原則上不要用來配制軌道交通工程耐久性混凝土，如使用，則必須控制混凝土中的總堿含量，并按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)防混凝土堿骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50733—2011)［10］進行堿活性抑制試驗，抑制有效才能使用。

3 試驗結(jié)果分析

表2、表3為在12家商品混凝土拌合站所取砂、石子性能指標(biāo)測試結(jié)果，依據(jù)《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10424—2010)［11］對各項性能進行分析。

表2 砂性能測試結(jié)果

表3 石子性能測試結(jié)果

由表2可知，從12家商品混凝土拌合站抽取的砂試樣中，僅有S1，S6，S7和S10這4家砂試樣的顆粒級配是符合要求的，僅占抽樣總數(shù)量的33.33%，其他8家的砂試樣的顆粒級配不合格。不合格的主要原因是砂顆粒中粒徑≥4.75 mm粗顆粒所占比例超過規(guī)范限值，粒徑≥4.75 mm的骨料實際上屬于石子，這相當(dāng)于無形中改變了混凝土砂率，增大了石子用量;而且大顆粒增多，導(dǎo)致這些骨料比表面積增大，與膠凝材料的粘結(jié)力減弱，同時也會導(dǎo)致骨料與膠凝材料之間的縫隙增大，過渡區(qū)更為松散，影響結(jié)構(gòu)的耐久性［12］。造成砂中粗顆粒所占比例超過規(guī)范限值的主要原因是蘭州地區(qū)的砂有較高的含泥量，砂場為了降低砂的含泥量，往往對泥砂進行水洗，而在水洗過程中，砂中細小顆粒也隨泥被水帶走，造成砂里的細顆粒流失，因而粗顆粒所占比例升高，并最終使得砂的顆粒級配無法滿足要求。采用級配不合格的砂拌制混凝土?xí)r，由于粗顆粒較多，混凝土的孔隙率較大，填充這些孔隙所需要的膠凝材料的量就多，并易導(dǎo)致凝結(jié)硬化的混凝土和易性、強度和耐久性差。

《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10424—2010)規(guī)定:配制C30及以下強度等級的混凝土，砂中含泥量不得超過3.0%，石子含泥量不得超過1.0%;配制強度等級 C30～C45的混凝土，砂中含泥量不得超過2.5%，石子含泥量不得超過1.0%;配制C50及以上強度等級的混凝土，砂中含泥量不得超過2.0%，石子含泥量不得超過0.5%，砂中泥塊含量不大于0.5%，石子中泥塊含量不大于0.2%。

由表2、表3可知，抽取的砂的含泥量較高，而石子的泥塊含量較高。這是因為砂、石子廠家在生產(chǎn)時沒有對其生產(chǎn)的砂石進行清洗或者清洗得不徹底所致，當(dāng)原材料具有較高的含泥量或泥塊含量時，會引起混凝土拌合用水量的增加，阻礙水泥與骨料的充分膠結(jié)，妨礙水泥的正常水化，使混凝土更容易被風(fēng)化，進而影響混凝土強度、抗?jié)B、抗凍、耐磨等性能。所以在實際配制混凝土之前要充分了解骨料中的含泥量和泥塊含量，并進行必要處理，以保證混凝土質(zhì)量。

圖1為所抽取的砂、石子試樣的泥塊含量分布。由圖1(a)可以看出，在抽取的12個砂樣中，泥塊含量超過0.5%的占總數(shù)的41.67%。由圖1(b)可知，在抽取的12個石子試樣中，有4個礫石試樣、3個破碎礫石試樣、5個碎石試樣，其泥塊含量超過0.2%的石子數(shù)量分別占各類型石子總數(shù)的 75%，33.33%和60%，而泥塊含量超過 0.2%的石子占試樣總數(shù)的58.33%。

圖2為所抽取砂、石子試樣的含泥量分布。由圖2(a)可看出，在抽取的 12個砂試樣中，含泥量超過3.0%的占總數(shù)的8.33%;含泥量在2.5% ～3.0%的同樣占總數(shù)的8.33%;含泥量在2.0%～2.5%的占總數(shù)的16.67%;含泥量超過2.0%的占總數(shù)的33.33%。由圖2(b)可知，在抽取的12個石子試樣中，含泥量超過1.0%和含泥量在 0.5% ～1.0% 的均占總數(shù)的16.67%，而含泥量＜0.5%的占總數(shù)的66.67%。

由圖3可知，14 d砂漿棒膨脹率＜0.1%的砂試樣有0個，膨脹率在0.1% ～0.2%的砂試樣有9個，膨脹率 ＞0.2%的砂試樣有 3個，分別占試樣總數(shù)的75%和25%;14 d砂漿棒膨脹率 ＜0.1%的石子試樣有3個，膨脹率在0.1% ～0.2%的石子試樣有8個，膨脹率＞0.2%的石子試樣有1個，分別占試樣總數(shù)的25%，67%和8%。砂、石子14 d膨脹率較大，說明該地區(qū)砂、石子試樣的堿活性物質(zhì)含量較高。這是因為蘭州砂、石子骨料屬于天山系水域形成的巖石，巖石含有50%以上凝灰?guī)r，而這種巖性骨料是具有發(fā)生堿—硅酸反應(yīng)的潛在堿活性骨料。因此在蘭州地區(qū)進行混凝土配合比設(shè)計時，需進行原材料優(yōu)選，控制水泥、外加劑和礦物摻合料中總堿含量，減少混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)的概率，從而保證混凝土耐久性。

圖1 砂和石子的泥塊含量分布

圖2 砂和石子的含泥量分布

圖3 砂和石子14 d膨脹率

4 結(jié)論與建議

通過對抽取的12個砂試樣和12個石子試樣的性能試驗結(jié)果分析可知，骨料存在砂顆粒偏粗、級配不合格，及砂、石子中堿活性物質(zhì)含量高等問題，將嚴(yán)重影響混凝土強度、工作性和耐久性。針對此問題，在進行高性能混凝土的配合比設(shè)計時建議:

1)改變砂率，使混凝土中粗大的縫隙盡可能被細砂填充，以改善混凝土的工作性。此外，還應(yīng)關(guān)注破碎用機器以及破碎方法。破碎時應(yīng)該使用反擊式破碎機，在破碎尺寸較小礫石時，礫石極易形成針片狀顆粒，會影響?zhàn)そY(jié)強度，所以要控制礫石尺寸不宜過小。

2)為使砂的顆粒級配滿足要求，可在砂洗過之后讓其通過0.16 mm的篩子，把被沖走的細小顆粒反撈回來。

3)骨料14 d砂漿棒膨脹率在0.10% ～0.20%時，后期發(fā)生堿骨料反應(yīng)可能性很大，因此使用其配制混凝土?xí)r必須控制總堿含量。在進行混凝土配合比設(shè)計時可使用低堿水泥或者優(yōu)化礦物摻合料的摻量。此外，控制混凝土的含氣量、使用高效減水劑也能有效減低混凝土中堿含量，最終降低發(fā)生堿—骨料反應(yīng)的概率。

［1］姚保新．特長隧道耐久性混凝土配合比設(shè)計及施工控制［J］．鐵道建筑，2014(1):121-125．

［2］于本田，劉樹紅，王起才，等．蘭新鐵路第二雙線鄯善至烏魯木齊段骨料性能試驗研究［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011 (2):9-12．

［3］朱凱．摻粉煤灰煤矸石輕骨料混凝土性能研究［J］．鐵道建筑，2014(3):118-121．

［4］安明喆，蘇陽，王月，等．粗骨料石粉含量對C50高性能混凝土性能的影響研究［J］．中國鐵道科學(xué)，2013，34(4):27-31．

［5］廉慧珍．砂石質(zhì)量是影響混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵［J］．混凝土世界，2010(8):28-32．

［6］王起才，鮑學(xué)英，曹興龍，等．基于主成分分析法的C50高性能混凝土配合比優(yōu)選研究［J］．鐵道建筑，2013(4):152-155．

［7］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會．GB/T 14685—2011 建設(shè)用碎石、卵石［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011．

［8］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會．GB/T 14684—2011 建設(shè)用砂［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011．

［9］王起才，姜鵬．蘭新鐵路高性能混凝土堿—骨料反應(yīng)試驗研究［J］．西部交通科技，2010(11):69-72．

［10］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．GB/T 50733—2011 預(yù)防混凝土堿骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．

［11］中華人民共和國鐵道部．TB 10424—2010 鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國鐵道出版社，2010．

［12］刑鋒．混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與應(yīng)用［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011:17-18．

Experimental study on performance of aggregate used in commercial concrete in Lanzhou region

DU Yingdong1，WANG Qicai1，YU Bentian1，ZHANG Qing2，WANG Shenli1
(1．School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China; 2．Angang Construction Consortium Co．，Ltd．，Anshan Liaoning 114021，China)

T o study the performance parameters of commercial concrete aggregate in Lanzhou province，the paper takes the fine and coarse aggregates of 12 commercial concrete mixing centers in Lanzhou．Fine aggregates samples are put under tests for grain gradation，fineness modulus，silt content，silt-lump content and rapid AAR performance，while coarse aggregates samples are tested for silt content，silt lump content，elongated grain content and rapid AAR performance．T he results indicate that fine aggregate tend to be high in coarse particle ratio，concrete content and possibility of AAR risk，which does not comply with the regulation concerned．At the same time，the coarse aggregate displays a high silt-lump ratio，yet its potential for AAR risk is relatively low compared with fine aggregate．On this basis，the paper looks into the cause behind and offers countermeasures accordingly．

Commercial concrete;Durability;Aggregate;Grain gradation;Experimental study

TU528

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．36

(責(zé)任審編 葛全紅)

2015-02-10;

:2015-06-10

長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(IRT1139);鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2012G011-A)

杜迎東(1990— )，男，遼寧海城人，碩士研究生。

1003-1995(2015)08-0127-04