機(jī)制砂MB值對(duì)路面混凝土抗鹽凍性能的影響及機(jī)理研究

王稷良，王在杭，宋國林，楊志峰

(1. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京　100088;2. 云南云嶺高速公路建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南　昆明　650224;3. 內(nèi)蒙古路橋有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古　呼和浩特　010051)

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機(jī)制砂MB值對(duì)路面混凝土抗鹽凍性能的影響及機(jī)理研究

王稷良1，王在杭2，宋國林3，楊志峰1

(1. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京100088;2. 云南云嶺高速公路建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南昆明650224;3. 內(nèi)蒙古路橋有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

針對(duì)天然砂資源越來越匱乏以及日益嚴(yán)重的路面混凝土鹽凍破壞的問題，為更合理地控制鹽凍環(huán)境下機(jī)制砂的MB值，采用外加泥粉調(diào)節(jié)機(jī)制砂MB值的方式，系統(tǒng)研究了機(jī)制砂MB值變化對(duì)路面混凝土抗鹽凍性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)MB值小于1.4時(shí)，機(jī)制砂MB值對(duì)低強(qiáng)和高強(qiáng)混凝土的物理力學(xué)性能、抗鹽凍性能均無明顯的劣化影響；但當(dāng)MB值大于1.4時(shí)，隨著MB值的增大，機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能和抗鹽凍剝蝕性能顯著下降，且低強(qiáng)混凝土的劣化幅度更加顯著。另外，結(jié)合微觀測試方法，揭示了泥粉劣化機(jī)制砂混凝土物理力學(xué)性能和抗鹽凍剝蝕性能的機(jī)理。

道路工程；路面混凝土；鹽凍；MB值；機(jī)制砂；水化

0　引言

MB值是用于判定機(jī)制砂中粒徑小于75μm顆粒的吸附性能的指標(biāo)[1]。通常，機(jī)制砂中小于75μm的顆粒被稱為石粉，而天然砂中75μm以下的顆粒含量則被稱為含泥量。二者雖然顆粒粒徑基本相同，但其性質(zhì)確有著本質(zhì)性的區(qū)別[2]，首先，石粉為機(jī)制砂生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，其物理化學(xué)性質(zhì)與母巖完全相同，對(duì)混凝土性能的影響有利有弊，其含量受混凝土特性影響具有一個(gè)合理的范圍[3]。而天然砂中75μm以下顆粒與機(jī)制砂則完全不同，其主要為夾雜在天然砂中的塵屑、淤泥和黏土顆粒[4-5]，其對(duì)混凝土的性能只會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，含量越低越好。但由于機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中難免會(huì)帶入部分山皮或夾泥，導(dǎo)致機(jī)制砂中75μm以下部分含有一定量的泥粉[6]。泥粉的作用與母巖巖性相同的石粉對(duì)混凝土性能的影響完全不同，如泥粉的存在可引起新拌混凝土用水量或外加劑用量的顯著增加、阻礙水泥的正常水化反應(yīng)，影響水泥石與骨料膠結(jié)作用的充分發(fā)展，致使硬化混凝土性能下降，加劇了混凝土耐久性下降的速度[7]。為此國標(biāo)《建設(shè)用砂》(GB/T14684)規(guī)定混凝土用機(jī)制砂的MB值小于1.4，當(dāng)MB值大于或等于1.4時(shí)，對(duì)機(jī)制砂中石粉含量的限制更加嚴(yán)格[8]。

同時(shí)在北方寒冷地區(qū)，為防止公路上冰雪致滑引起的交通事故，保證道路交通正常運(yùn)行，通常在路面撒除冰鹽，但除冰鹽將與凍融共同作用加劇混凝土的破壞，是一種最嚴(yán)酷的凍融破壞形式，其破壞程度和速率將比普通混凝土凍融大好幾倍[9]。我國北方寒冷地區(qū)應(yīng)用機(jī)制砂取代河砂用于水泥混凝土路面需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一是機(jī)制砂路面水泥混凝土的抗鹽凍性能，涉及到水泥混凝土路面的耐久性和安全性[10]。

國內(nèi)外對(duì)機(jī)制砂混凝土的研究主要集中在對(duì)石粉和巖性變化的影響研究[11-12]，對(duì)MB值機(jī)制砂混凝土性能影響的研究較少，其中對(duì)機(jī)制砂MB值變化對(duì)混凝土抗鹽凍性能的研究更是鮮見報(bào)道。本文將系統(tǒng)研究機(jī)制砂MB值變化對(duì)混凝土抗鹽凍特性的影響，以揭示機(jī)制砂MB值變化對(duì)混凝土鹽凍剝蝕性能的影響規(guī)律，以期為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供參考依據(jù)。

1　原材料與試驗(yàn)方法

1.1原材料

(1)水泥

北京某水泥有限公司生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能如表1所示。

表1　水泥物理力學(xué)性能Tab.1　Physical property of cement

(2)集料

細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為3.01，石粉含量為6.9%，級(jí)配如圖1所示。粗集料為4.75～26.5mm連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，級(jí)配如圖2所示。

圖1　機(jī)制砂的級(jí)配曲線Fig.1　Grading curves of manufactured sand

圖2　碎石的級(jí)配曲線Fig.2　Grading curves of crushed stone

(3)石粉與泥粉

石粉為石灰?guī)r機(jī)制砂中篩出石粉，粒徑小于0.075mm；泥粉為黏土顆粒經(jīng)破碎，去除0.075mm以上顆粒制成，其液限指數(shù)為42%，塑限指數(shù)為23%，液塑限指數(shù)為19%。

(4)外加劑

減水劑為萘系高效減水劑。

1.2試驗(yàn)方法

(1)混凝土抗壓強(qiáng)度

依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2002)規(guī)定進(jìn)行測試，試件尺寸為150mm×150mm×150mm立方體。

(2)鹽凍測試

鹽凍測試采用單面鹽凍試驗(yàn)法。測試時(shí)試件單面浸泡在溶液中4～6mm進(jìn)行鹽凍循環(huán)試驗(yàn)，鹽凍試驗(yàn)介質(zhì)為3%的NaCl溶液。測試試件為φ250mm×75mm圓臺(tái)，測試面在成型時(shí)用木抹子進(jìn)行處理。試樣標(biāo)養(yǎng)24d后，在水中浸泡4d待測。試件測試過程中，每個(gè)凍融循環(huán)在8h內(nèi)完成(測試溫度范圍-20～+20 ℃)。每5次凍融循環(huán)后收集鹽凍剝蝕物，并更換鹽溶液。剝落量指鹽凍循環(huán)前后單位面積的質(zhì)量損失(單位為g/m2)[13]。

(3)水泥水化電阻率測定

采用香港科技大學(xué)李宗津等發(fā)明的無電極電阻率測定儀[14]。測定環(huán)境溫度為(20±2)℃，采用水泥膠砂試驗(yàn)攪拌器攪拌，攪拌與裝模時(shí)間控制為7min。每間隔1min采集一個(gè)數(shù)據(jù)，至24h結(jié)束。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1機(jī)制砂MB值對(duì)路面混凝土力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)采用外加泥粉的方法調(diào)節(jié)機(jī)制砂MB值，即人工篩出石粉，添加泥粉的方式，調(diào)整機(jī)制砂的MB值，用以研究機(jī)制砂MB值變化對(duì)路面混凝土性能的影響。MB值的調(diào)節(jié)方式見表2。

表2　機(jī)制砂MB值對(duì)路面混凝土力學(xué)性能的影響Tab.2　Effect of MB value of manufactured sand on mechanical property of pavement concrete

從表2結(jié)果可以看出，隨著機(jī)制砂MB值的增大，C30等級(jí)路面混凝土無論是抗壓強(qiáng)度還是抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)出一個(gè)先增長再降低的趨勢，即抗壓強(qiáng)度約在MB值為1.10～1.45時(shí)(即泥粉含量在2%～3%)，出現(xiàn)一個(gè)最大值。但當(dāng)MB值(即泥粉含量的繼續(xù)提高)逐漸增大時(shí)，路面混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，但降低的幅度不顯著。C30等級(jí)的路面混凝土抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度相似，但隨著機(jī)制砂MB值的逐漸增大，混凝土抗折強(qiáng)度的降低幅度更加顯著。C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土力學(xué)性能出現(xiàn)這種變化規(guī)律可能是由于：當(dāng)混凝土強(qiáng)度較低時(shí)，尤其是機(jī)制砂混凝土，離析、泌水的傾向較為明顯，混凝土中的自由水易于富集在粗集料表面，弱化了混凝土的界面過渡區(qū)，降低了混凝土的力學(xué)性能。當(dāng)機(jī)制砂中含有一定的泥粉時(shí)(即MB值提高)，改善了新拌混凝土的保水性，自由水在粗集料表面富集的狀況得到了改善，提高了硬化混凝土界面過渡區(qū)性能，在一定程度上改善了路面混凝土的力學(xué)性能。但從另一方面來講，機(jī)制砂中泥粉含量的提高，妨礙了水泥水化的正常反應(yīng)，降低了水泥石的強(qiáng)度，且隨著泥粉含量的提高，混凝土內(nèi)部的大量自由水被泥粉所吸附，硬化后內(nèi)部形成大量的微小裂紋，降低了機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能。路面機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能受MB值的這兩種作用共同影響，當(dāng)MB值較小時(shí)(即泥粉含量較低時(shí))，MB值的增強(qiáng)效應(yīng)較為明顯，混凝土的力學(xué)性能呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢；但當(dāng)MB值較大時(shí)，泥粉的劣化作用更加顯著，導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能呈現(xiàn)下降趨勢。兩種作用效果共同影響了混凝土的力學(xué)性能，但影響的效果隨著MB值的變化呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。

另外，對(duì)于混凝土而言，混凝土的抗折強(qiáng)度受內(nèi)部微裂紋的影響較抗壓強(qiáng)度更加顯著，這也是混凝土抗折強(qiáng)度對(duì)MB值變化更加敏感的原因。

表2結(jié)果還表明，機(jī)制砂MB值對(duì)C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土力學(xué)性能的變化趨勢與C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土的基本相同。但從C50機(jī)制砂混凝土的抗壓與抗折強(qiáng)度變化情況可以看出，MB值變化對(duì)C50混凝土抗壓強(qiáng)度影響較弱，即波動(dòng)幅度較小，但對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度影響非常顯著，混凝土抗折強(qiáng)度最高降低達(dá)15%，且C50混凝土抗折強(qiáng)度降低幅度明顯高于C30混凝土。對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)較高的C50混凝土而言，由于高強(qiáng)度等級(jí)混凝土膠凝材料用量較高，水膠比較低，MB值改善混凝土保水作用在新拌混凝土中不再明顯，而MB值提高所導(dǎo)致的阻礙水泥水化的效應(yīng)則明顯放大，即表現(xiàn)為高強(qiáng)度等級(jí)混凝土隨MB值增大劣化效果更加顯著。

2.2機(jī)制砂MB值對(duì)路面混凝土抗鹽凍性能的影響

試驗(yàn)所采用配合比見表2。

從圖3可以看出，對(duì)于C30等級(jí)的混凝土而言，當(dāng)機(jī)制砂MB值低于1.45時(shí)(即泥粉含量低于3%)，機(jī)制砂MB值的變化對(duì)路面混凝土抗鹽凍性能基本沒有影響，甚至在MB值較低時(shí)，抗鹽凍剝蝕性能還略有提高；而當(dāng)機(jī)制砂MB值大于1.80時(shí)(即當(dāng)泥粉含量高于4%)，機(jī)制砂路面混凝土的抗鹽凍剝蝕性能迅速降低，其抗鹽凍剝蝕量增加了50%以上。為進(jìn)一步驗(yàn)證鹽凍對(duì)機(jī)制砂混凝土破壞的嚴(yán)重性，表3列出了在普通凍融循環(huán)條件下MB值對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響。隨著機(jī)制砂MB值的逐漸增大，機(jī)制砂路面混凝土的抗凍融性能也出現(xiàn)了明顯的降低趨勢。對(duì)于C30混凝土，當(dāng)MB值不大于1.45時(shí)，路面混凝土的抗凍融等級(jí)均超過了F100；但當(dāng)MB值大于1.45時(shí)(即泥粉含量超過3%)，路面混凝土的抗凍等級(jí)呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，其抗凍等級(jí)僅能達(dá)到F100級(jí)及F75級(jí)。但與鹽凍(鹽凍測試為30次凍融循環(huán))破壞相比，普通的凍融循環(huán)破壞要慢得多，且50次凍融循環(huán)內(nèi)，混凝土動(dòng)彈性模量降低非常少，即在凍融過程中其混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷不明顯，混凝土破壞主要為表面的剝蝕破壞。

圖3　機(jī)制砂MB值對(duì)路面混凝土抗鹽凍剝蝕性能的影響Fig.3　Effect of MB value of manufactured sand on salt-freeze resistance of pavement concrete

機(jī)制砂混凝土隨MB值提高，抗鹽凍剝蝕性能下降的主要原因可能與MB值對(duì)力學(xué)性能影響的機(jī)理相同，即對(duì)于低強(qiáng)度等級(jí)的C30混凝土，泥粉的存在提高了機(jī)制砂混凝土的保水性，改善了新拌機(jī)制砂混凝土的離析、泌水傾向，進(jìn)而提高了低強(qiáng)度等級(jí)混凝土界面過渡區(qū)的性能，提升了路面混凝土表面結(jié)構(gòu)的致密性，也改善了路面混凝土的抗鹽凍性能。但隨著機(jī)制砂中MB值(機(jī)制砂中泥粉含量的提高)逐漸增大，泥粉對(duì)水泥的水化阻礙作用進(jìn)一步增強(qiáng)，也妨礙了水泥石與集料之間黏結(jié)強(qiáng)度的提高，因此當(dāng)機(jī)制砂中MB值過高時(shí)，機(jī)制砂混凝土的抗鹽凍剝蝕性能呈現(xiàn)顯著下降的趨勢。

表3　機(jī)制砂MB值對(duì)路面混凝土抗鹽凍性能的影響Tab.3　Effect of MB value of manufactured sand on salt-freeze resistance of pavement concrete

另外，從圖3結(jié)果還可以看出，對(duì)于C50機(jī)制砂混凝土而言，隨著機(jī)制砂MB值的提高，機(jī)制砂混凝土的抗鹽凍性能呈現(xiàn)明顯的降低趨勢，尤其是當(dāng)機(jī)制砂MB值大于1.45時(shí)，機(jī)制砂混凝土的抗鹽凍性能呈現(xiàn)更加明顯的劣化趨勢。與低強(qiáng)度等級(jí)的C30混凝土相比，機(jī)制砂MB值變化對(duì)鹽凍破壞的改善作用明顯減弱了。在高強(qiáng)度等級(jí)混凝土中，由于膠凝材料用量較高，水膠比較低，新拌混凝土不再需要泥粉的保水作用，即泥粉的吸水性不能再形成優(yōu)勢，但其影響水泥水化的作用則更顯突出。

同時(shí)，對(duì)于高強(qiáng)度等級(jí)機(jī)制砂混凝土而言，混凝土的抗凍融特性隨機(jī)制砂MB值變化趨勢與低強(qiáng)度等級(jí)混凝土相似，即MB值大于1.45(泥粉含量約為3%)時(shí)，混凝土的抗凍融性能也出現(xiàn)了明顯的劣化趨勢。但由于C50混凝土強(qiáng)度較高，抵抗凍融破壞能力更強(qiáng)，其抗凍等級(jí)也相應(yīng)略高。

3　機(jī)理分析

3.1泥粉對(duì)水泥水化電阻率的影響

為進(jìn)一步揭示機(jī)制砂MB值變化對(duì)混凝土性能的影響，本文采用無電極電阻率測試方法研究泥粉存在對(duì)水泥水化歷程的影響。測試時(shí)，泥粉的摻量為3%(相對(duì)于水泥的質(zhì)量)，水膠比為0.4。

圖4　泥粉對(duì)水泥水化過程的影響Fig.4　Effect of clay powder on hydration process of cement

從圖4結(jié)果可以看出，泥粉會(huì)對(duì)水泥的水化歷程產(chǎn)生較為顯著的影響。泥粉的加入使水泥水化初期的電阻率略有增大，即水泥水化過程中孔隙溶液的離子濃度降低。但圖4(b)結(jié)果表明，摻加泥粉的水泥漿體溶解期結(jié)束的時(shí)間并未明顯提前。這可能是由于泥粉的疏松多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)自由水的吸附作用非常顯著，導(dǎo)致水泥漿體中的自由水量降低，這可對(duì)水泥水化過程中的溶解期結(jié)束有一定促進(jìn)作用，但由于泥粉對(duì)水吸附作用所產(chǎn)生的促進(jìn)作用與泥粉對(duì)水泥水化過程中的阻礙作用基本可以相抵，因此電阻率測試結(jié)果呈現(xiàn)出加入泥粉后水泥漿體溶解期結(jié)束的時(shí)間與未摻加泥粉的水泥漿體溶解期結(jié)束的時(shí)間基本相同的現(xiàn)象。另外，圖4(a)的結(jié)果顯示隨著泥粉的加入水泥水化過程中的誘導(dǎo)期與凝結(jié)期略有提前，但當(dāng)凝結(jié)期結(jié)束后，摻加泥粉的水泥漿體的電阻率明顯低于純水泥漿體的，水泥漿體的硬化期發(fā)展明顯受到阻礙。其主要原因可能還是由于泥粉對(duì)自由水的吸附作用造成的，吸附作用促進(jìn)了誘導(dǎo)期與凝結(jié)期的提前，但由于泥粉對(duì)水泥水化的阻礙作用，導(dǎo)致了水泥漿體硬化期發(fā)展速度的變緩。

3.2泥粉對(duì)水泥水化產(chǎn)物的影響

水泥水化產(chǎn)物的研究采用XRD和SEM兩種微觀測試方法。試驗(yàn)樣品采用水膠比為0.4的水泥凈漿，泥粉摻量為3%。

從圖5的XRD與SEM圖中可以看出，當(dāng)泥粉加入水泥漿體后，水泥漿體的1d水化產(chǎn)物Ca(OH)2數(shù)量顯著降低。在未摻加泥粉的純水泥漿體中，可以看到大量針狀鈣礬石和結(jié)晶完好的Ca(OH)2，但隨著泥粉的加入，水泥水化樣品中鈣礬石和Ca(OH)2晶體顯著減少，難以找到結(jié)晶完好的鈣礬石和Ca(OH)2晶體，進(jìn)一步證明了泥粉對(duì)水泥水化的阻礙作用。

圖5　泥粉對(duì)水泥水化產(chǎn)物的影響Fig.5　Effect of clay powder on hydrated products of cement

4　結(jié)論

(1)對(duì)于低強(qiáng)度的C30混凝土而言，適當(dāng)?shù)腗B值可以改善混凝土力學(xué)性能，當(dāng)機(jī)制砂MB值為1.1～1.45時(shí)，機(jī)制砂混凝土具有最好的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，當(dāng)MB值過大時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度下降明顯；對(duì)于高強(qiáng)混凝土而言，機(jī)制砂MB值變化對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響不明顯，但抗折強(qiáng)度隨著MB值增大下降顯著。

(2)隨著機(jī)制砂MB值的提高，無論是高強(qiáng)混凝土還是低強(qiáng)混凝土，抗凍融耐久性下降顯著。

(3)當(dāng)機(jī)制砂MB值低于1.45時(shí)，機(jī)制砂MB值的變化對(duì)路面混凝土抗鹽凍性能基本沒有影響，甚至在低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中，當(dāng)MB值較低時(shí)，對(duì)混凝土抗鹽凍性能還有一定的改善作用。但當(dāng)機(jī)制砂MB值大于1.80，機(jī)制砂混凝土的抗鹽凍剝蝕性能迅速降低。

(4)機(jī)制砂的MB值(泥粉)影響水泥的水化進(jìn)程，不利于水泥石強(qiáng)度的形成和發(fā)展，不利于機(jī)制砂混凝土抗鹽凍剝蝕性能的改善。

機(jī)制砂的MB值影響水泥的水化進(jìn)程，劣化混凝土物理力學(xué)性能和抗凍融性能，降低了機(jī)制砂混凝土的抗鹽凍剝蝕性能。建議在配制抗鹽凍機(jī)制砂混凝土?xí)r應(yīng)嚴(yán)格控制機(jī)制砂MB值小于1.4。

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Study on Effect of MB Value of Manufactured Sand on Salt-freeze Resistance of Pavement Concrete and Its Mechanism

WANG Ji-liang1, WANG Zai-hang2, SONG Guo-lin3, YANG Zhi-feng1

(1.ResearchInstituteofHighway,MinistryofTransport,Beijing100088,China;2.YunnanYunlingExpresswayConstructionGroupCo.,Ltd.,KunmingYunnan650224,China;3.InnerMongoliaRoads&BridgesCo.,Ltd.,HohhotInnerMongolia010051,China)

Inviewoftheincreasinglyseriouslackofnaturalsandandthesalt-freezedamageofpavementconcrete,theimpactofMBvaluechangeofmanufacturedsandonthesalt-freezeresistanceofpavementconcreteisstudiedsystematicallybythemethodofaddingclaypowdertocontroltheMBvalueofmanufacturedsandinthesalt-freezeenvironmentmorereasonably.Theexperimentalresultshowsthat(1)whenMBvalueislessthan1.4,theMBvalueofmanufacturedsandhasnosignificantinfluenceonthemechanicalpropertyandthesalt-freezeresistanceoflowandhighstrengthconcrete; (2)whenMBvalueisgreaterthan1.4,themechanicalpropertyandthesalt-freezeresistanceofmanufacturedsandconcretedegradesignificantlywiththeincreaseoftheMBvalueofmanufacturedsand,especiallyforthelowstrengthconcrete.Inaddition,themechanismofthemanufacturedsandconcrete’smechanicalpropertyandsalt-freezeresistancedegradedbytheclaypowderisstudiedthroughmicroscopicanalysismethod.

roadengineering;pavementconcrete;sale-freeze;MBvalue;manufacturedsand;hydration

2015-06-10

交通運(yùn)輸部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2011318223630)

王稷良(1978-)，男，河北香河人，博士，研究員.(jl.wang@rioh.cn)

U414.101

A

1002-0268(2016)08-0031-06

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.08.006