萬(wàn)永旺,潘延昇
(中交四航局第一工程有限公司,廣州 510000)
肯尼亞內(nèi)羅畢快速路項(xiàng)目主線全長(zhǎng)27.131 km,設(shè)計(jì)時(shí)速80 km,為國(guó)道A級(jí)公路。內(nèi)羅畢周邊河砂資源短缺,響巖資源豐富,常用作機(jī)制砂的石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖資源距離較遠(yuǎn),同時(shí)響巖存在壓碎值較高、吸水率較大、堅(jiān)固性不良的問(wèn)題。
由于砂石資源的不可再生性、可持續(xù)發(fā)展的限采性,砂石供需的矛盾日益突出。機(jī)制砂逐步替代天然河砂、石成為必然趨勢(shì)。不同母巖所生產(chǎn)的機(jī)制砂,由于其風(fēng)化程度和礦物成分的不同,表現(xiàn)出來(lái)的特性如細(xì)度模數(shù)、粒形、級(jí)配和石粉性能等有一定的差異[1];不僅如此,同一種母巖采用相同的破碎方式所制備的機(jī)制砂的物理差異也會(huì)較大,有明顯的棱角,而且會(huì)伴隨著一些雜質(zhì)[2]。近幾年,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖等作為母巖生產(chǎn)機(jī)制砂對(duì)混凝土性能影響做了深入的試驗(yàn)研究。Wang等[3]選取石灰?guī)r、石英巖、片麻巖等六種具有代表性的砂母巖,并以15%的取代率替代水泥,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同巖性的機(jī)制砂對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性和耐久性能影響并不明顯。王稷良[4]在其研究文獻(xiàn)中也得出相同的結(jié)論,巖性的變化并不能顯著改變混凝土強(qiáng)度等性能。Li Huajian等[5]則選用不同母巖機(jī)制砂制備鐵路箱梁混凝土,其主要性能同河砂混凝土相差并不明顯,均滿足鐵路要求,并通過(guò)建立對(duì)數(shù)模型和冪函數(shù)模型對(duì)機(jī)制砂混凝土的干縮徐變隨齡期的變化規(guī)律進(jìn)行了表征,表明機(jī)制砂混凝土替代河砂制備預(yù)應(yīng)力鐵路混凝土具有良好的前景。同時(shí),試驗(yàn)結(jié)果表明,混凝土的抗氯離子滲透性能和抗凍性能,并沒(méi)有因?yàn)闄C(jī)制砂母巖的不同表現(xiàn)出明顯差異,只有在干縮性方面,玄武巖略大。因此其研究成果認(rèn)為,基本可以忽略巖性對(duì)混凝土宏觀性能的影響。相比于巖性,機(jī)制砂中石粉的含量對(duì)混凝土性能的影響則較為突出。機(jī)制砂是由巖石采用破碎工藝制備而成經(jīng)篩分后粒徑小于4.75 mm的顆粒,因此,機(jī)制砂往往會(huì)帶有粒徑小于0.075 mm的石粉或泥塊。機(jī)制砂石粉對(duì)于混凝土性能是一把“雙刃劍”。隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加,混凝土的峰值應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢(shì),對(duì)于C80高性能混凝土,4.5%~6.5%的石粉含量對(duì)混凝土性能起到良好的效果;對(duì)于水泥膠砂,玄武巖火山灰效應(yīng)主要在水化后期發(fā)生,玄武巖石粉的細(xì)度的提高更有利于其后期強(qiáng)度的增長(zhǎng),并且玄武巖石粉的存在以及本身的耐侵蝕性,可以明顯改善混凝土的抗硫酸鹽腐蝕能力[6],但比表面積超過(guò)600 m2/kg后,強(qiáng)度活性便開(kāi)始下降[7-9]。適量的石粉含量可以填充水泥、活性材料之間的孔隙,優(yōu)化混凝土漿體中的孔結(jié)構(gòu),增加無(wú)害孔、少害孔的比例,在范德華力、靜電作用下,相互交接成絮凝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高其黏聚性和包裹性。此外,石粉中CaCO3參與水泥的水化過(guò)程,促進(jìn)水泥早期水化產(chǎn)物的生長(zhǎng)和沉淀。而隨著石粉含量的增加,多余的石粉會(huì)吸收一定的水分,起到潤(rùn)滑作用的自由水含量減少,導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性能變差,密實(shí)度降低,強(qiáng)度下降。為此,需要增大高效減水劑的用量,來(lái)抑制機(jī)制砂中過(guò)多的石粉含量對(duì)混凝土造成的不良影響[10]。機(jī)制砂制備路面混凝土?xí)r,機(jī)制砂表面粗糙反而起到有益效果。Li等[11]發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂制備路面水泥混凝土(MS-PCC)時(shí),當(dāng)其中石粉含量在4.3%增加到20%時(shí),MS-PCC的抗壓、抗折強(qiáng)度、耐磨性都呈上升趨勢(shì),并且機(jī)制砂粒表面粗糙程度越大,壓碎值越低,其抗壓強(qiáng)度越高。國(guó)標(biāo)GB/T 14684—2011《建筑用砂》規(guī)定混凝土用機(jī)制砂需要用亞甲藍(lán)方法檢測(cè)機(jī)制砂中泥粉的含量。要求機(jī)制砂MB值小于1.4。Zhou等[12]發(fā)現(xiàn)對(duì)于石灰?guī)r、花崗巖等增大MB值對(duì)C30混凝土影響不大,但對(duì)C60混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性會(huì)明顯降低,MB值小于1時(shí),降低更加明顯。除此之外,機(jī)制砂制備混凝土?xí)r摻加適宜的外加劑和礦物摻合料,比如摻加礦渣降低單位用水量可以有效改善機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度以及耐久性[10,13]。
上述研究為響巖機(jī)制砂的應(yīng)用提供一定的借鑒,但響巖機(jī)制砂在公路工程混凝土中的應(yīng)用研究較少。該文采用肯尼亞內(nèi)羅畢地區(qū)的響巖機(jī)制砂與常用的花崗巖機(jī)制砂對(duì)比研究?jī)烧邔?duì)混凝土拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響,為肯尼亞采用響巖機(jī)制砂應(yīng)用在公路工程提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。
1)水泥:采用肯尼亞當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的CEMⅠ42.5水泥,凝結(jié)時(shí)間為初凝165 min,終凝267 min,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26%,3 d抗壓強(qiáng)度27.1 MPa,28 d抗壓強(qiáng)度為52.3 MPa。
2)細(xì)骨料:采用肯尼亞內(nèi)羅畢響巖機(jī)制砂,細(xì)度模數(shù)2.9,石粉含量7%,機(jī)制砂MB值1.3,飽和面干吸水率2.3%,壓碎值21.6%,堅(jiān)固性12.8%;肯尼亞花崗巖機(jī)制砂,細(xì)度模數(shù)2.8,石粉含量6%,機(jī)制砂MB值1.1,飽和面干吸水率1.4%,壓碎值12.3%,堅(jiān)固性7.1%。
3)粗骨料:采用肯尼亞響巖加工而成,粒徑為5~25 mm連續(xù)級(jí)配碎石。
4)粉煤灰:印度進(jìn)口Ⅱ級(jí)粉煤灰,細(xì)度(45 μm篩篩余)14.6%,需水量比98%。
5)外加劑采用聚羧酸系高性能減水劑,含固量為15.6%,減水率21.2%。
參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)分別配制C30、C50強(qiáng)度等級(jí)的混凝土,編號(hào)字母X代表響巖機(jī)制砂,H代表花崗巖機(jī)制砂,具體各組代號(hào)相應(yīng)的混凝土配合比見(jiàn)表 1。
表1 試驗(yàn)混凝土配合比 w/(kg·m-3)
混凝土拌合物性能按照《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50080—2016測(cè)試坍落度、擴(kuò)展度、經(jīng)時(shí)損失;力學(xué)性能按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2019進(jìn)行測(cè)試,抗壓強(qiáng)度采用正方形試塊,尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)齡期為7 d、28 d、56 d,抗壓彈性模量試驗(yàn)齡期為28 d、56 d;混凝土耐久性能按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082—2009進(jìn)行,標(biāo)養(yǎng)28 d后進(jìn)行電通量和碳化測(cè)試。
分別采用響巖機(jī)制砂和花崗巖機(jī)制砂制備C30、C50混凝土拌合物工作性能如表2所示。按照表1配合比設(shè)計(jì)配制的機(jī)制砂C30混凝土,在水膠比相同,增大減水劑用量的情況下,響巖機(jī)制砂混凝土初始坍落度略小于花崗巖機(jī)制砂混凝土,初始擴(kuò)展度則比花崗巖機(jī)制砂混凝土稍大;1 h流動(dòng)度損失方面,相比于花崗巖機(jī)制砂混凝土的17%和26%,響巖機(jī)制砂混凝土的坍落度和擴(kuò)展度損失達(dá)到21%和34%。對(duì)于C50混凝土,在增大7%減水劑用量的情況下,兩種不同巖性機(jī)制砂混凝土初始坍落度持平,初始擴(kuò)展度僅相差5 mm;在流動(dòng)度損失方面,與C30混凝土相似,響巖機(jī)制砂混凝土1 h坍落度和擴(kuò)展度損失分別為22%和37%,而花崗巖機(jī)制砂混凝土1 h坍落度和擴(kuò)展度損失僅為12%和26%。主要是由于響巖機(jī)制砂石粉含量較花崗巖較多,MB較大,對(duì)外加劑的吸附作用更強(qiáng),同時(shí),響巖機(jī)制砂的飽和面干吸水率比花崗巖機(jī)制砂大,會(huì)吸收更多的水分,導(dǎo)致混凝土中自由水減少,降低混凝土和易性。因此,需要增加減水劑用量來(lái)提高混凝土拌合物性能,而花崗巖機(jī)制砂混凝土摻加相對(duì)更少的減水劑便可以使水泥漿體有長(zhǎng)時(shí)間的分散效果,保持較小的流動(dòng)度損失。
表2 響巖機(jī)制砂和花崗巖機(jī)制砂對(duì)混凝土工作性能的影響
圖1為響巖機(jī)制砂與花崗巖機(jī)制砂配制混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果。對(duì)于C30強(qiáng)度等級(jí),兩種巖性機(jī)制砂混凝土隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),抗壓強(qiáng)度呈相似的增長(zhǎng)趨勢(shì),花崗巖機(jī)制砂混凝土比響巖機(jī)制砂混凝土高出6%~8%。對(duì)于C50強(qiáng)度等級(jí),二者也表現(xiàn)出相同的增長(zhǎng)趨勢(shì),花崗巖機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度稍高出響巖機(jī)制砂混凝土3%~4%??偟膩?lái)說(shuō),響巖機(jī)制砂混凝土較花崗巖機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度略低,這主要是因?yàn)轫憥r機(jī)制砂壓碎值大于花崗巖機(jī)制砂,導(dǎo)致響巖機(jī)制砂混凝土在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)機(jī)制砂與漿體界面較花崗巖機(jī)制砂混凝土先破壞。
圖2為響巖機(jī)制砂混凝土和花崗巖機(jī)制砂混凝土彈性模量對(duì)比結(jié)果。兩種機(jī)制砂混凝土彈性模量與其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)相同,強(qiáng)度等級(jí)越高,彈性模量越大;且兩者之間的彈性模量相差不大,C30強(qiáng)度等級(jí)在28 d相差最大,僅8%,其他齡期花崗巖機(jī)制砂混凝土彈性模量比響巖機(jī)制砂混凝土彈性模量高2%~6%。混凝土彈性模量與其抗壓強(qiáng)度、混凝土的密度和骨料體積分?jǐn)?shù)密切相關(guān)[3]。響巖機(jī)制砂的壓碎值較花崗巖的機(jī)制砂大,導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度小于花崗巖機(jī)制砂混凝土的同時(shí),彈性模量也在各個(gè)齡期小于花崗巖機(jī)制砂混凝土。另外,響巖機(jī)制砂的MB值較大,所含的泥粉較多,泥粉在混凝土內(nèi)部吸附大量的自由水,不僅會(huì)降低混凝土內(nèi)部的濕度,還會(huì)使內(nèi)部細(xì)微裂縫變多;吸水的泥粉結(jié)構(gòu)變得疏松多孔,致使有害孔增多,最終造成混凝土內(nèi)部缺陷相對(duì)嚴(yán)重,也是導(dǎo)致響巖機(jī)制砂混凝土彈性模量比花崗巖機(jī)制砂混凝土低的重要原因。
圖3為響巖機(jī)制砂和花崗巖機(jī)制砂對(duì)混凝土電通量的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn),C50混凝土電通量均低于C30混凝土,響巖機(jī)制砂混凝土比相同強(qiáng)度等級(jí)花崗巖混凝土電通量高6%,可見(jiàn)響巖機(jī)制砂對(duì)于混凝土氯離子滲透并沒(méi)有顯著的不利影響;56 d電通量明顯小于28 d電通量,其原因是隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng),水泥和礦物摻合料水化程度的提高,混凝土密實(shí)度逐漸提高,抗氯離子滲透能力顯著增強(qiáng)。C30強(qiáng)度等級(jí)響巖花崗巖機(jī)制砂混凝土56 d電通量分別降低到1 833 C和1 714 C,較28 d電通量分別降低21%和25%;C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土56 d電通量分別降低到1 462 C和1 363 C,較28 d電通量均降低達(dá)25%。響巖機(jī)制砂在配制C50高性能混凝土?xí)r,抗氯離子滲透能力隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)明顯增強(qiáng)。除此之外,抗氯離子滲透能力增強(qiáng)的原因還可能歸功于機(jī)制砂中所含石粉在物理方面的填充作用,石粉的存在優(yōu)化了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu),同時(shí),石粉在化學(xué)方面還可能對(duì)水泥水化起到促進(jìn)作用。夏京亮等[14]研究指出,機(jī)制砂MB值也是影響電通量的一個(gè)因素之一。當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量適中,石粉改善保水性占主導(dǎo)地位,降低了混凝土泌水的傾向,此時(shí)石粉的摻入則會(huì)提高混凝土抗壓強(qiáng)度,降低56 d電通量和氯離子滲透系數(shù)。
圖4為響巖和花崗巖機(jī)制砂對(duì)混凝土抗碳化性能的影響。從圖中可以看出,兩種巖性機(jī)制砂對(duì)混凝土抗碳化能力影響相近。C30混凝土隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),碳化深度呈增長(zhǎng)趨勢(shì),響巖機(jī)制砂混凝土從3 d碳化深度的3.6 mm到28 d的5.7 mm,增長(zhǎng)37%;花崗巖機(jī)制砂混凝土從3 d碳化深度3.5 mm到28 d的5.5 mm,增長(zhǎng)36%。C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土則隨著齡期的增長(zhǎng),碳化深度變深的趨勢(shì)相對(duì)較弱,響巖機(jī)制砂和花崗巖機(jī)制砂28 d碳化深度較3 d增幅分別達(dá)52%和54%??偟膩?lái)說(shuō),C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土較C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗碳化能力強(qiáng),這是因?yàn)镃50混凝土的水泥用量較C30混凝土較大,水膠比較C30混凝土低,混凝土隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng),強(qiáng)度逐漸提高,表層也更加密實(shí),孔隙飽和度較低,從而減少了CO2進(jìn)入混凝土的通道,降低了CO2孔隙內(nèi)的溶解度,降低混凝土內(nèi)部受碳化的比例,提高混凝土的抗碳化性能。
a.響巖機(jī)制砂混凝土在適當(dāng)增加減水劑用量時(shí),可以達(dá)到和花崗巖機(jī)制砂混凝土相近的拌合物性能。
b.采用響巖機(jī)制砂配制C30和C50混凝土,力學(xué)性能略低于花崗巖機(jī)制砂混凝土。
c.采用響巖機(jī)制砂配制C30和C50混凝土,耐久性能與花崗巖機(jī)制砂混凝土相近。