風化砂混凝土的抗凍性研究及改良試驗

楊 俊 羅空空

(三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

隨著三峽庫區(qū)旅游業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展，原有道路已難以滿足日益增長的交通需求，大量的道路開始改造、興建，混凝土的需求量越來越大，由此河沙的需求也隨之日益增加.由于庫區(qū)以山地為主，交通運輸不便，造成河沙的運輸成本較高，且經(jīng)常供不應求.通過前期的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)三峽庫區(qū)因其獨特的地貌特征，沿線分布著大量的風化砂資源，但因其物理力學性質(zhì)和耐久性較差，導致難以直接應用于實際工程中[1-3].若能用風化砂取代河沙作為混凝土的細骨料，應用于道路建設，對于推動三峽庫區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展將具有十分重要的意義.

國內(nèi)外學者對各類風化砂的性質(zhì)與應用做了大量的研究，如C.W.W.Ng等[4]通過試驗對比研究了風化紅土和風化花崗巖土的壓縮性，發(fā)現(xiàn)風化紅土的可壓縮性較風化花崗巖土降低了36%.梁為邦[5]對云南保山地區(qū)的花崗巖風化砂用作土石壩填料進行了可行性研究，結(jié)果表明，風化砂的物理性質(zhì)、長期穩(wěn)定性和動力特性均能滿足工程應用的要求.WEI Houzhen，等[6]研究了風化玄武巖的含量對土-巖混合物性能的影響，研究表明，隨著巖塊含量的增加，混合物顯示出越來越明顯的應變硬化行為，在達到峰值剪切強度之前，混合物的應力比和位移-增量比之間存在冪律關(guān)系.莊心善，王子翔[7]將不同比例的風化砂摻入膨脹土中對其進行改良，試驗結(jié)果表明，風化砂能顯著降低膨脹土的膨脹率，增大其抗剪強度.雷俊安，楊俊[8]采用不同質(zhì)量比的石灰和粉煤灰對三峽庫區(qū)風化砂進行穩(wěn)定處理，然后進行不固結(jié)不排水三軸試驗，發(fā)現(xiàn)二灰穩(wěn)定風化砂試件的應力-應變關(guān)系表現(xiàn)為應變軟化型.

目前關(guān)于將風化砂用作混凝土細骨料的研究鮮有報道，只有少數(shù)學者對于將風化砂用作三峽大壩混凝土的細骨料做了一些基本物理性質(zhì)和砂漿強度方面的可行性研究[9-10].筆者前期通過將風化砂100%取代河沙配制風化砂混凝土，然后進行抗壓及抗折強度試驗，發(fā)現(xiàn)風化砂混凝土的28d抗壓強度達到普通混凝土的89.2%，28d抗折強度達到普通混凝土的96.8%[11]，用風化砂取代河沙并未導致混凝土的強度有較大降低，具備一定的工程應用價值.混凝土道路在實際運營的過程中還會受到環(huán)境作用的影響，要想將風化砂混凝土應用于道路建設中，其抗凍性也必須達到普通混凝土的標準，故本文在前文研究的基礎(chǔ)上，通過進一步研究凍融循環(huán)作用下風化砂混凝土抗壓強度與抗折強度的變化規(guī)律，并用減水劑對其進行改良，以此來論證將風化砂混凝土用于三峽庫區(qū)道路建設的可行性，并為當?shù)仫L化砂資源的有效利用提供參考.

1 試驗材料

1.1 水泥

試驗所用水泥為華新水泥(宜昌)有限公司生產(chǎn)的32.5級硅酸鹽水泥，基本物理參數(shù)見表1.

表1 水泥基本物理性質(zhì)

1.2 風化砂

試驗所用風化砂取自湖北省宜昌市三峽庫區(qū)某砂料場，為花崗巖風化而成，呈黃褐色，顆粒大小不一，形狀不規(guī)則，棱角明顯，大顆粒受力易破碎.其基本物理性質(zhì)見表2，級配曲線如圖1所示.

表2 風化砂基本物理性質(zhì)

圖1 風化砂級配曲線

1.3 河沙

試驗所用河沙表觀密度為2520kg/m3，含泥量為2.1%，云母含量為1.1%，細度模數(shù)為2.76，系II區(qū)中砂.

1.4 碎石

參考JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》，配比粒徑分別為2.36～9.50mm、9.50～19.00mm、19.50～31.50mm 3類不同的碎石，得到級配優(yōu)良的中間級配，小、中、大3類碎石的質(zhì)量比為3∶4∶3，其級配曲線如圖2所示，物理性質(zhì)指標見表3，均能滿足規(guī)范要求.

圖2 碎石級配曲線

表3 碎石物理指標

1.5 減水劑

試驗所用的減水劑為聚羧酸高效減水劑，由河北衡水友誼化工有限公司生產(chǎn)，其基本性質(zhì)參數(shù)見表4.

表4 聚羧酸減水劑基本參數(shù)

1.6 水

試驗用水采用自來水.

2 試驗方案

試驗配合比參照JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》進行計算，基準混凝土設計強度為C30，采用風化砂100%取代普通河沙制備風化砂混凝土，并用普通河沙混凝土作為對照組.根據(jù)使用說明，將聚羧酸減水劑摻量為0.15%、0.2%、0.25%、0.30%、0.35%的風化砂混凝土分別養(yǎng)護28d，然后進行抗壓強度試驗，得到最大抗壓強度值為38.61 MPa，從而確定聚羧酸減水劑的最佳摻量為0.3%，配合比見表5.普通河沙混凝土、風化砂混凝土和改良風化砂混凝土均采用此配合比.

表5 混凝土配合比

參照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，抗壓強度試驗選擇邊長為150mm 的立方體標準試件，抗折強度試驗選用邊長為150mm×150mm×550mm 的棱柱體標準試件.將風化砂、碎石、水泥、減水劑按比例倒入HJW-30型強制式單臥軸攪拌機中攪拌1min，再加水攪3min，使混凝土拌合均勻.然后將混凝土裝入模具中成型，再將模具放在ZS-10型振動臺上振搗密實.最后將模型放在20℃的環(huán)境下靜置24h后脫模，將脫模的試件編號后放入標準養(yǎng)護室(溫度(20±1)℃，濕度＞95%)養(yǎng)護.

試件養(yǎng)護齡期為28d，在規(guī)定齡期的前4d，將試件放在(20±2)℃的水中浸泡，水面高出試件20mm，4d后進行凍融試驗.根據(jù)規(guī)范要求，一輪凍融循環(huán)中，飽和試樣放在-20℃～-18℃的凍融箱內(nèi)的凍結(jié)時間為4h(計時從溫度降至-18℃開始)，再放入18℃～20℃的水中進行融化(試樣被完全浸沒)，融化時間為4h.設計凍融循環(huán)次數(shù)分別為40、80、120、160、200次，在進行相應次數(shù)的凍融循環(huán)后分別進行抗壓及抗折強度試驗，每組試驗需做3組平行試驗，在誤差允許的范圍內(nèi)取3組試驗的平均值作為最終結(jié)果.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 凍融循環(huán)對風化砂混凝土抗壓強度的影響及改良試驗

以凍融循環(huán)次數(shù)為橫坐標，抗壓強度、抗壓強度損失率為縱坐標，繪出普通混凝土、風化砂混凝土及改良風化砂混凝土抗壓強度、抗壓強度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的曲線圖，如圖3～4所示.

圖3 凍融循環(huán)下3類混凝土抗壓強度變化曲線

圖4 凍融循環(huán)下3類混凝土抗壓強度損失率變化曲線

通過圖3、圖4可以得出：無論是普通混凝土，還是風化砂混凝土，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗壓強度均逐漸降低，但兩者的抗壓強度變化速率有較大差別.當經(jīng)過40～120次凍融循環(huán)后，普通混凝土的抗壓強度損失率為12.16%～28.22%，風化砂混凝土的抗壓強度損失率為13.49%～34.44%，此時兩者抗壓強度損失率的差值為1.33%～6.22%，說明當凍融循環(huán)次數(shù)小于120次時，兩種混凝土的抗凍性較為接近.當經(jīng)過160～200次凍融循環(huán)后，普通混凝土的抗壓強度損失率為33.99%～41.15%，風化砂混凝土的抗壓強度損失率為51.60%～61.08%，兩者抗壓強度損失率的差值為17.61%～19.93%，表明經(jīng)過160次凍融循環(huán)后，風化砂混凝土的抗壓強度損失顯著增加，抗凍性較普通混凝土有較大降低.

經(jīng)過減水劑改良后，風化砂混凝土的初始抗壓強度達到38.61MPa，較未經(jīng)改良的風化砂混凝土提高了41.90%，較普通混凝土提高了14.23%.在經(jīng)過40次凍融循環(huán)后，其抗壓強度損失率為5.93%，較未改良的風化砂混凝土降低了7.56%，較普通混凝土降低了6.23%.當經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，其抗壓強度損失率為33.49%，較未經(jīng)改良的風化砂混凝土降低了27.59%，較普通混凝土降低了7.66%，表明改良后風化砂混凝土的抗凍性有較大提升，能夠達到普通混凝土的標準.

3.2 凍融循環(huán)對風化砂混凝土抗折強度的影響及改良試驗

以凍融循環(huán)次數(shù)為橫坐標，抗折強度、抗折強度損失率為縱坐標，繪出普通混凝土、風化砂混凝土和改良風化砂混凝土的抗折強度、抗折強度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的曲線圖，如圖5～6所示.

圖5 凍融循環(huán)下3類混凝土抗折強度變化曲線

圖6 凍融循環(huán)下3類混凝土抗折強度損失率變化曲線

分析圖5、圖6可以得出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，風化砂混凝土和普通混凝土的抗折強度均不斷降低，但兩者的抗折強度損失率有較大差異.在經(jīng)過40～120次凍融循環(huán)后，普通混凝土的抗折強度損失率為15.18%～33.26%，風化砂混凝土的抗折強度損失率為17.20%～39.45%，兩者抗折強度損失率的差值為2.02%～6.19%，說明此時兩者的抗凍性相差較小.當經(jīng)過160～200次凍融循環(huán)后，普通混凝土的抗折強度損失率為41.29%～49.55%，風化砂混凝土的抗折強度損失率為51.15%～63.76%，兩者抗折強度損失率的差值為9.86%～14.21%，約為凍融前期兩者抗折強度損失率差值的2倍，此時風化砂混凝土的抗凍性顯著降低.

經(jīng)過減水劑改良后，風化砂混凝土的初始抗折強度為5.4MPa，較未經(jīng)改良的風化砂混凝土提高了23.85%，較普通混凝土提高了20.54%.在經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，其抗折強度損失率為42.22%，較未經(jīng)改良的風化砂混凝土降低了21.54%，較普通混凝土降低了7.33%，表明改良后風化砂混凝土的抗凍性得到顯著提升.

3.3 機理及分析

分析其作用機理，主要為當凍融循環(huán)次數(shù)較少時，普通混凝土與風化砂混凝土試件表面均較為密實，在泡水過程中，水分難以滲透到試件內(nèi)部，導致凍結(jié)膨脹力對試件的強度影響較小.另一方面，由于風化砂顆粒表面棱角分明，在混凝土的攪拌過程中會引入大量空氣，使得混凝土內(nèi)部形成許多微小的氣泡，在振搗過程中殘留的氣泡會在混凝土中產(chǎn)生許多孔洞，使得風化砂混凝土試件內(nèi)部初始缺陷較多，從而使其抗凍性較普通混凝土有一定程度的降低，所以當經(jīng)過40～120次凍融循環(huán)時，風化砂混凝土的抗壓與抗折強度較普通混凝土有稍許降低，此時兩者的強度損失率差值僅為1.33%～6.22%，抗凍性較為接近.