機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能及抗滑性能研究

朱文平ZHU Wen-ping

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，蘭州 730050）

0 引言

隨著基建行業(yè)的快速發(fā)展，天然砂資源的逐步枯竭，現(xiàn)有天然砂資源不能滿足日益增加的需求量，開采天然砂不僅會毀壞河流、擾亂生態(tài)，而且還會大量增加經(jīng)濟(jì)成本。然而機(jī)制砂不僅資源豐富，且開采簡便，且在建筑行業(yè)中完全可以替代天然砂。但機(jī)制砂由于產(chǎn)地及母巖的差異性，會導(dǎo)致所澆筑的混凝土強(qiáng)度不一，故而需要進(jìn)一步研究其力學(xué)性能及耐久性能，為后面的應(yīng)用提供理論及技術(shù)指導(dǎo)。

針對機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能及抗滑性能的研究有許多，其中郭宏等[1]選用了輝綠巖、玄武巖、石灰?guī)r及片麻巖四種粗骨料，探究不同強(qiáng)度粗骨料對大流態(tài)混凝土抗壓力學(xué)值的影響規(guī)律。鄧?yán)俚萚2]針對花崗巖機(jī)制砂混凝土流變性能、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、干縮及徐變進(jìn)行了研究。黃志剛等[3]文中以花崗巖機(jī)制砂為細(xì)集料，研究機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)、石粉含量對C50 混凝土工作性和力學(xué)性能的影響及黑云母含量對機(jī)制砂需水量比和砂漿強(qiáng)度的影響。張大鵬等[4]選用石灰?guī)r機(jī)制砂配制不同強(qiáng)度等級的混凝土，研究和評價石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的工作性能、力學(xué)性能以及抗氯離子滲透性能、抗鹽凍等混凝土耐久性能。劉朝暉等[5]總結(jié)了國內(nèi)外對水泥混凝土路面抗滑性研究，認(rèn)為路面在使用期間的抗滑性能主要受到細(xì)集料、粗集料、表面處理工藝、路面污染、溫度及季節(jié)、交通荷載和路面干濕狀態(tài)等的影響。趙方冉等[6]基于刻槽法的宏觀構(gòu)造特征，研究了紋理間距、凸體棱角坡度和凹陷深度對路面抗滑性能的影響，發(fā)現(xiàn)凹陷深度對抗滑性能的影響明顯，凹陷深度越大，抗滑性能越好。劉英等[7]研究了不同紋理下的水泥混凝土路面抗滑性與降噪特性，發(fā)現(xiàn)不同紋理下的噪聲值不同，多孔、露石和縱向刻槽下的噪聲值與瀝青路面相差不大，且能提供良好的抗滑性。容洪流等[8]采用擺式摩擦法與表面回彈法，研究了水灰比、砂率、機(jī)制砂摻率、石粉含量等因素的影響，基于灰色系統(tǒng)理論對各影響因素進(jìn)行了重要性排列。陳飛宏等[9]以機(jī)制砂與河砂制備混凝土，研究石粉、砂率、細(xì)度模數(shù)、河砂摻量及W/C 等因素對混凝土抗滑性能的影響。

綜上所述，目前關(guān)于機(jī)制砂混凝土的抗滑性能問題的研究也取得大量成果，但對于區(qū)域性的石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的抗滑性能問題鮮有研究。本研究通過優(yōu)選不同料場的石灰?guī)r機(jī)制砂，然后對比不同巖性機(jī)制砂抗壓強(qiáng)度，最后確定石灰?guī)r機(jī)制砂為基準(zhǔn)，探究不同因素對機(jī)制砂混凝土的抗滑性能的影響規(guī)律。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

①水泥。為探究機(jī)制砂混凝土工作性能及力學(xué)性能，采用祁連山牌P.O 42.5 水泥，相關(guān)指標(biāo)參數(shù)如表1 所示。②細(xì)集料。本文采用不同來源及巖性的機(jī)制砂，其基本技術(shù)指標(biāo)分別如表2 所示。③粗骨料。機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度主要由粗骨料與細(xì)骨料相互膠結(jié)構(gòu)成。粗骨料主要形成一個框架結(jié)構(gòu)，其技術(shù)指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。④外加劑。外加劑為高性能減水劑，其基本技術(shù)指標(biāo)如表3 所示。

表1 P.O 42.5 水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

表3 減水劑相關(guān)物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

①機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG3420-2020），設(shè)計混凝土150mm×150mm×150mm 立方體試塊，每組3 個，在澆筑成型后養(yǎng)護(hù)28d?？箟簭?qiáng)度采用甘肅交科集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室的萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。

針對不同料源、巖性機(jī)制砂對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，本研究設(shè)計型號為C30、C50 兩種混凝土配合比，其中減水劑的摻量均為1.20%。具體混凝土配合比設(shè)計如表4 所示。

表4 混凝土配合比設(shè)計表

②機(jī)制砂混凝土抗滑性性能。

根據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG 3450-2019），設(shè)計混凝土450mm×450mm×高120mm 大板試件，在澆筑成型后養(yǎng)護(hù)28d，然后刻槽，最后采用T 0964-2008擺式儀對路面混凝土抗滑性能進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 石灰?guī)r機(jī)制砂對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

為探究不同地域的石灰?guī)r機(jī)制砂在混凝土力學(xué)性能方面的差異，分別選取敦煌、平?jīng)?、永登的機(jī)制砂制備標(biāo)準(zhǔn)立方體混凝土試件，以7d、28d 抗壓強(qiáng)度為評價指標(biāo)，以得出料源差異對混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律，其C30、C50 機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖1、圖2 所示。

圖1 石灰?guī)r料源對C30 機(jī)制砂混凝土的影響

圖2 石灰?guī)r料源對C50 機(jī)制砂混凝土的影響

由圖1 可知，敦煌、平?jīng)?、永登? 種機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度相差均不大，其7d 抗壓強(qiáng)度均在35MPa 左右，28d 抗壓強(qiáng)度均在50MPa 左右。敦煌、平?jīng)?、永?d 抗壓強(qiáng)度分別為35.0MPa、34.2MPa、33.8MPa，28d 抗壓強(qiáng)度分別為49.8MPa、48.6MPa、48.1MPa，其差別在于，敦煌機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，而來自永登機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度最低，7d、28d 強(qiáng)度相差分別為1.2MPa、1.7MPa。由該圖還可知，不同料源的石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的增大而增大，28d 相對7d 的抗壓強(qiáng)度分別增長了42.3%、42.1%、42.3%。

由圖2 可知，3 種料源的機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度相差均不大，其7d 抗壓強(qiáng)度均在45～50MPa 左右，28d 抗壓強(qiáng)度均在57.0～62.0MPa 左右。敦煌、平?jīng)?、永?d 機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度分別為49.3MPa、47.5MPa、45.6MPa，28d機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度分別為61.5MPa、60.3MPa、57.9 MPa，其差別在于，敦煌的機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度最高，而來自永登的機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度最低，7d、28d 機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度相差分別為3.7MPa、3.6MPa。由該圖還可知，不同料源的石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的增大而增大，28d 相對7d 的抗壓強(qiáng)度分別增長了24.7%、26.9%、27.0%，從抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長率來看，抗壓強(qiáng)度越低的其強(qiáng)度增長率越高。

2.2 機(jī)制砂巖性對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

為探究不同巖性機(jī)制砂在混凝土力學(xué)性能方面的差異，分別選取石灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖、花崗巖的機(jī)制砂制備標(biāo)準(zhǔn)立方體混凝土試件，以7d、28d 抗壓強(qiáng)度為評價指標(biāo)，以得出機(jī)制砂巖性對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，其C30、C50 機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖3、圖4所示。

圖3 機(jī)制砂巖性對C30 混凝土的影響

圖4 機(jī)制砂巖性對C50 混凝土的影響

由圖3 可知，在C30 機(jī)制砂混凝土中，石灰?guī)r、花崗巖、輝綠巖、玄武巖4 種巖性的機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度差異明顯，7d 抗壓強(qiáng)度分別為36.3MPa、30.0MPa、39.7MPa、38.5MPa，28d 抗壓強(qiáng)度分別為50.4MPa、42.3 MPa、55.1MPa、53.2MPa，其抗壓強(qiáng)度最高的為輝綠巖，玄武巖、石灰?guī)r次之，最差是花崗巖，輝綠巖與花崗巖7d、28d 抗壓強(qiáng)度的差異分別為9.7MPa、12.8MPa。此外，不同巖性機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加而增加，28d相對7d 的抗壓強(qiáng)度分別增長了38.8%、41.0%、38.8%、38.2%。

由圖4 可知，在C50 機(jī)制砂混凝土中，石灰?guī)r、花崗巖、輝綠巖、玄武巖4 種巖性的機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度差異明顯，7d 抗壓強(qiáng)度在35.0～55.0MPa 之間，分別為49.1MPa、38.2MPa、52.7MPa、48.5MPa，28d 抗壓強(qiáng)度在50.0～65.0MPa 之間，分別為59.9MPa、52.1MPa、62.9MPa、60.5MPa，其抗壓強(qiáng)度最高的為輝綠巖，玄武巖、石灰?guī)r次之，最差是花崗巖，輝綠巖與花崗巖7d、28d 混凝土壓強(qiáng)度的差異分別為14.5MPa、10.8MPa。此外，不同巖性機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加而增加，28d 相對7d 的混凝土抗壓強(qiáng)度分別增長了22.0%、36.4%、19.4%、24.7%。

由圖3、圖4 可知，石灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖3 種機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度整體相差不大，但花崗巖機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度明顯小于其它巖性。還可知，不論強(qiáng)度等級的大小，不同巖性機(jī)制砂所配混凝土的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致。

2.3 機(jī)制砂混凝土的抗滑性能

抗滑性能是路面混凝土的一個重要評價指標(biāo)。為探究不同因素對路面機(jī)制砂混凝土的抗滑性性能的影響，選取水灰比、砂率、細(xì)度模數(shù)、石粉含量及宏觀紋理等主要影響因素進(jìn)行試驗(yàn)，以得出影響機(jī)制砂混凝土的抗滑性能的最佳定量值。

2.3.1 水灰比對機(jī)制砂混凝土抗滑性能的影響

設(shè)置混凝土配合比依次為0.35、0.40、0.45、0.50，石粉的含量為7%，混凝土砂率固定為36%，混凝土的坍落度保持在40～50mm 左右，表面提漿的厚度保持在3～4mm，養(yǎng)護(hù)28d 后進(jìn)行刻槽（矩形槽凈間距15mm、深度2mm、寬度3mm），抗滑性測試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 水灰比對機(jī)制砂混凝土抗滑性能的影響

由圖5 可知，隨著水灰比的不斷增加，機(jī)制砂混凝土的抗滑性能呈現(xiàn)出降低的趨勢，其水灰比為0.35、0.40、0.45、0.50 時，混凝土表面未刻槽對應(yīng)的擺式摩擦系數(shù)分別為28.9、27.1、21.6、21.2，擺式摩擦系數(shù)保持在21～29 之間，混凝土表面刻槽對應(yīng)的擺式摩擦系數(shù)分別為45.3、42.5、39.1、36.7，擺式摩擦系數(shù)保持在36～46 之間。由此可知，增大混凝土水灰比會降低其抗滑性能，此外，在相同水灰比的情況下，刻槽會顯著提升混凝土的擺式摩擦系數(shù)；分析可知，刻槽增大了機(jī)制砂混凝土表面的粗糙層度，從而增大混凝土表面的摩擦值，進(jìn)而使得混凝土的抗滑性能變得更好。

2.3.2 細(xì)度模數(shù)對機(jī)制砂混凝土抗滑性能的影響

試驗(yàn)固定砂率為36%、水灰比為0.39、石粉含量7%，細(xì)度模數(shù)設(shè)置為2.0 到3.5 之間變化，混凝土養(yǎng)護(hù)28d 后進(jìn)行刻槽（矩形槽凈間距15mm、深度2mm、寬度3mm），研究其抗滑性的規(guī)律，如圖6 所示。

圖6 細(xì)度模數(shù)對機(jī)制砂混凝土抗滑性能的影響

由圖6 可知，隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的不斷增加，機(jī)制砂混凝土的抗滑性能呈現(xiàn)出增大趨勢，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2.0、2.5、3.0、3.5 時，混凝土表面未刻槽對應(yīng)的擺式摩擦系數(shù)分別為22.1、23.9、33.4、38.7，擺式摩擦系數(shù)保持在22～39 之間，混凝土表面刻槽對應(yīng)的擺式摩擦系數(shù)分別為39.6、48.7、52.4、56.8，擺式摩擦系數(shù)保持在39～57 之間。由此可知，改變機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)會改變其混凝土的擺式摩擦系數(shù)，進(jìn)而改變其抗滑性能；由數(shù)據(jù)分析還可知，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對其混凝土表面抗滑性能影響由為顯著，可見機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)是決定混凝土表面抗滑性能的關(guān)鍵因素，此外，在相同細(xì)度模數(shù)的情況下，刻槽會顯著提升混凝土的擺式摩擦系數(shù)，分析可知，刻槽增大了機(jī)制砂混凝土表面的粗糙層度，從而增大混凝土表面的摩擦值，進(jìn)而使得混凝土的抗滑性能變得更好。

2.3.3 砂率對機(jī)制砂混凝土抗滑性能的影響

設(shè)計混凝土水灰比為0.39，并固定機(jī)制砂石粉含量為7.0%，混凝土砂率為0.30、0.34、0.38、0.42，試驗(yàn)室澆筑成型后送標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，然后進(jìn)行刻槽（矩形槽凈間距15mm、深度2mm、寬度3mm），研究其抗滑性的規(guī)律，如圖7 所示。

圖7 砂率對機(jī)制砂混凝土抗滑性能的影響

由圖7 可知，未刻槽前的混凝土擺值保持在21～31 之間，刻槽后的增量在16～20 之間。機(jī)制砂混凝土的抗滑性能隨著砂率增大而變差，表面粗糙程度的變化不明顯?；炷琳駬v時，上浮的水泥砂漿把石粉帶到表面，由此可知，增加砂率會使得表面砂漿層的石粉增多，導(dǎo)致粘著摩擦系數(shù)變小、抗滑性能變差等。

2.3.4 石粉含量對機(jī)制砂混凝土抗滑性能的影響

設(shè)計混凝土水灰比為0.39，并固定混凝土砂率為0.36，機(jī)制砂石粉含量為2.0%、7.0%、12.0%、17.0%，實(shí)驗(yàn)室澆筑成型后送標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，然后進(jìn)行刻槽（矩形槽凈間距15mm、深度2mm、寬度3mm），研究其抗滑性的規(guī)律，如圖8 所示。

圖8 石粉含量對機(jī)制砂混凝土抗滑性能的影響

由圖8 可知，隨著機(jī)制砂石粉含量的不斷增加，機(jī)制砂混凝土的抗滑性能呈現(xiàn)出降低趨勢，機(jī)制砂石粉含量為2.0%、7.0%、12.0%、17.0%時，混凝土表面未刻槽對應(yīng)的擺式摩擦系數(shù)分別為27.9、24.3、20.6、17.6，擺式摩擦系數(shù)保持在17-28 之間，混凝土表面刻槽對應(yīng)的擺式摩擦系數(shù)分別為43.7、41.2、36.6、30.5，擺式摩擦系數(shù)保持在30～44 之間。由此可知，改變機(jī)制砂石粉含量會改變其混凝土的擺式摩擦系數(shù)，進(jìn)而改變其抗滑性能；由數(shù)據(jù)分析還可知，機(jī)制砂石粉含量對其混凝土表面抗滑性能影響由為顯著，可見機(jī)制砂石粉含量是決定混凝土表面抗滑性能的關(guān)鍵因素，此外，在相同石粉含量的情況下，刻槽會顯著提升混凝土的擺式摩擦系數(shù)，分析可知，刻槽增大了機(jī)制砂混凝土表面的粗糙層度，從而增大混凝土表面的摩擦值，進(jìn)而使得混凝土的抗滑性能變得更好。

3 結(jié)論

①不同料源的石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度均隨著齡期增大而增大，但敦煌、平?jīng)觥⒂赖堑臋C(jī)制砂對混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大。②石灰?guī)r、花崗巖、輝綠巖、玄武巖4 種巖性的機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度差異明顯，其抗壓強(qiáng)度最高的為輝綠巖，玄武巖、石灰?guī)r次之，最差是花崗巖。③在影響抗滑性因素中，細(xì)度模數(shù)越大，則抗滑性能越好，其余因素的增大均導(dǎo)致抗滑性能降低。