砂石材料對(duì)水泥混凝土耐久性影響研究

莫莫

（廣東華南混凝土有限公司， 廣東 廣州 510760）

對(duì)水泥混凝土的耐久性進(jìn)行研究， 對(duì)于我國(guó)的發(fā)展、 人民的安全、 方便甚至環(huán)境的影響都有著重大的意義。 在水泥混凝土中， 砂石是最基本的、 最重要的原料。 但是， 由于天然砂石混凝土的耐久性遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際使用的需要， 所以研究人員需要對(duì)砂礫、 礫石等材料進(jìn)行耐久性測(cè)試。 目前我國(guó)公路大多采用水泥混凝土路面， 對(duì)其耐久性的問(wèn)題進(jìn)行了大量的探討。 它不僅關(guān)系到建筑物的質(zhì)量和人員的生命安全， 還關(guān)系到整個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 水泥混凝土的使用范圍與耐久性研究重要意義

水泥混凝土路面是一種具有高抗壓、 抗彎拉、抗磨等機(jī)械強(qiáng)度的硬質(zhì)路面， 具有良好的穩(wěn)定性，且受周圍環(huán)境溫度、 濕度的影響， 具有低成本、 低油耗等特點(diǎn)。 然而， 由于混凝土路面具有較高的反光強(qiáng)度， 嚴(yán)重影響了行車的視覺(jué)和安全性； 由于其抗滑、 彈性等特性較一般瀝青路面有較大的缺陷，因而在施工、 維修中要設(shè)置大量的接縫， 從而造成行車時(shí)的震動(dòng)、 噪聲， 從而影響行車的舒適度； 水泥路面在施工、 養(yǎng)護(hù)、 開(kāi)放等方面都沒(méi)有瀝青路面效率高、 使用方便等問(wèn)題越來(lái)越突出， 從而加快了水泥路面產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 為解決施工中遇到的問(wèn)題，科學(xué)、 高效地建造出實(shí)用、 美觀的水泥混凝土路面，應(yīng)用滑模攤鋪技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)水泥混凝土路面技術(shù)的質(zhì)的飛躍， 改善和深化對(duì)技術(shù)需求的研究， 改善水泥混凝土路面的性能和施工技術(shù)， 緩解其它主要原材料的價(jià)格和短缺。 采用先進(jìn)的智能化設(shè)備， 可以確保工期， 還能推動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2 國(guó)內(nèi)外對(duì)水泥混凝土施工用的砂石材料的研究狀況

混凝土已有很長(zhǎng)的歷史了， 隨著人們的生活和科技的進(jìn)步， 各種不同的施工方法、 外加劑、 添加劑及其他新型材料也隨之出現(xiàn)。 隨著有關(guān)檢測(cè)技術(shù)的不斷推廣， 以及混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬， 對(duì)其進(jìn)行了深入的研究與開(kāi)發(fā)。 目前， 關(guān)于人工砂的研究還處于起步階段。 人工砂中石粉摻量對(duì)水泥混凝土的耐久性影響是世界各國(guó)普遍關(guān)注的問(wèn)題。 機(jī)制砂中含有的石粉對(duì)提高集料的聚集起著重要的作用。 其作用機(jī)制是利用石粉填充粗細(xì)集料與膠凝物料之間的間隙， 使混凝土結(jié)構(gòu)緊密地嵌合在一起，降低了水化時(shí)毛細(xì)溝槽的產(chǎn)生， 從而極大地改善了混凝土的抗?jié)B性能。 但若摻入大量石灰， 則水泥砂漿的防滲性能將下降。 采用最優(yōu)摻量的石灰， 可使水泥砂漿的抗?jié)B性得到最好的發(fā)揮。

目前， 我國(guó)公路工程正處于大規(guī)模發(fā)展階段， 水泥、 天然砂的消耗也十分巨大。 據(jù)估算， 中國(guó)2006年的水泥消耗總量大約為21 億m3， 單是水泥混凝土就消耗了15 億t。

3 研究砂石材料對(duì)水泥混凝土耐久性影響的方法

1） 前期調(diào)查工作： 搜集相關(guān)資料， 擬定具體的研究方案。

2） 原料的選用（見(jiàn)圖1）。

圖1 砂石材料的選擇

3） 確定試驗(yàn)方案， 在公路建設(shè)中最常用的材料就是水泥混凝土。 目前， C40 和C50 是我國(guó)常用的預(yù)制梁， 只有少數(shù)幾座大型橋梁使用C50 以上的高強(qiáng)混凝土。 以廣元—巴中高速公路為例， 它周圍的資源十分豐富， 閃長(zhǎng)巖和輝長(zhǎng)巖的儲(chǔ)備量也較多，符合規(guī)范要求。 本文對(duì)堿集料的性能指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比。 選擇的因素及水平如表1 所示。

表1 試驗(yàn)選用的因素與水平

4） 水泥混凝土的耐久性測(cè)試： 包含滲透測(cè)試、堿集料反應(yīng)測(cè)試以及收縮性測(cè)試。 限于篇幅， 本文主要對(duì)堿集料反應(yīng)進(jìn)行耐久性測(cè)試， 該方法主要是判定砂巖物料中有無(wú)堿集料反應(yīng)。

5） 結(jié)論。 由表2 可知[1]， 3d 后河砂、 閃長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖集料的膨脹率下降， 而灰泥則隨之收縮。 結(jié)果表明， 輝長(zhǎng)巖水泥混凝土存在較大的變形， 從而引起裂縫， 只有石灰?guī)r的膨脹率隨著時(shí)間的推移而增大。 但是， 混凝土的收縮還可以通過(guò)初期的化學(xué)反應(yīng)和灰漿自身的收縮來(lái)實(shí)現(xiàn)。 另外溫度的變化會(huì)使試樣的長(zhǎng)度變短， 造成熱膨脹和冷縮。

表2 不同巖性集料膨脹率

四種集料在第3d 的膨脹率最大， 具體見(jiàn)圖3。 由該圖可知， 三種集料的膨脹率均為0.1%至0.2%， 故不能判斷堿集料反應(yīng)是否存在， 應(yīng)采取混凝土棱柱法。 輝長(zhǎng)巖的膨脹率在0.2%以上， 對(duì)堿-硅酸鹽反應(yīng)是不利的。 在實(shí)際應(yīng)用中， 應(yīng)注意水泥中堿的含量， 盡量減少堿集料的用量， 并應(yīng)采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

圖3 堿集料反應(yīng)試驗(yàn)

4 機(jī)制砂混凝土的耐久性能分析

4.1 水泥混凝土耐久性的影響因素

目前， 凍融、 化學(xué)侵蝕、 堿集料反應(yīng)對(duì)水泥混凝土的老化有很大的影響。 它的耐久性是指混凝土本身的破壞能力和破壞因素的抗剪強(qiáng)度。

4.1.1 凍融循環(huán)

在天然環(huán)境中， 最常見(jiàn)的是凍融循環(huán)。 在凝固過(guò)程中， 水飽和水泥混凝土的毛細(xì)管壁既要承受膨脹又要承受滲透壓。 水泥混凝土裂縫是在兩種應(yīng)力都超過(guò)了其抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生的， 經(jīng)過(guò)反復(fù)的凍融，混凝土中的裂紋會(huì)彼此相連， 強(qiáng)度會(huì)逐步下降， 直至全部消失， 導(dǎo)致混凝土由內(nèi)而外的損傷。 對(duì)于機(jī)械砂混凝土的抗凍性能， 有人認(rèn)為機(jī)械砂混凝土比自然砂混凝土具有更好的抗凍性， 但也有人反對(duì)。張映全等人認(rèn)為， 石粉對(duì)混凝土的粗孔隙結(jié)構(gòu)有一定的影響， 對(duì)混凝土的抗凍性有較大影響[2]。

4.1.2 化學(xué)侵蝕

水泥混凝土是一種由固體， 液體， 氣體組成的多孔物質(zhì)。 在混凝土中， 水化產(chǎn)物進(jìn)入混凝土， 會(huì)產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)， 經(jīng)過(guò)不斷的反應(yīng)， 會(huì)對(duì)混凝土本身的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的不良影響。

4.1.3 堿集料反應(yīng)

堿集料反應(yīng)會(huì)引起混凝土產(chǎn)生裂縫， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致混凝土損壞。 在混凝土中， 這樣的損傷是很難預(yù)防、 阻止、 修復(fù)和補(bǔ)救的。 它是混凝土中的"癌癥"， 是影響其耐久性的一個(gè)主要因素。 所述反應(yīng)要求： 第一， 具有一定數(shù)量的堿性活化礦物集料； 第二種方法是將水泥、 集料、 外加劑和水添加到混凝土中， 或在有利于堿滲透的條件下； 第三個(gè)步驟是為反應(yīng)器提供必要的濕氣以使其吸收和擴(kuò)張。

堿含量、 集料的反應(yīng)能力、 孔隙水等是影響集料反應(yīng)的主要因素。 隨著堿含量的增加， 反應(yīng)的膨脹率也會(huì)受到一定的影響。 若增加水泥水灰比， 則混凝土的孔隙率， 各種離子的分配都會(huì)隨之增大，水流速度也會(huì)隨之加快， 進(jìn)而加快了堿集料的生成。當(dāng)水灰比低于0.4 時(shí)， 水泥比減小， 其膨脹系數(shù)減小； 在水灰比大于0.4 的情況下， 隨著水泥比例的降低， 反應(yīng)膨脹逐漸增加； 當(dāng)水灰比達(dá)到0.4 時(shí)，混凝土的膨脹將會(huì)達(dá)到最大值； 而混凝土堿骨料的反應(yīng)膨脹與其自身的性質(zhì)、 粒度、 集料用量等因素有關(guān)。 若顆粒流速太大或太小， 則會(huì)顯著降低反應(yīng)的膨脹。 由于水泥和水泥孔隙的存在， 還能減緩由于膠體水的吸收而引起的膨脹壓力， 從而使反應(yīng)膨脹率隨孔徑的增加而降低[3]。

4.2 機(jī)制砂混凝土耐久性分析

機(jī)制砂是由機(jī)械粉碎、 篩分得到的粒度在4.75mm以下的巖石微粒， 不含風(fēng)化的軟巖和風(fēng)化的微粒。由于機(jī)制砂屬于機(jī)械粉碎， 其本身的特性決定了其使用壽命。 機(jī)制砂混凝土又稱水泥混凝土， 僅對(duì)細(xì)集料的種類進(jìn)行變化。 與一般混凝土一樣， 對(duì)其耐用性有一定的影響。 影響水泥混凝土傳質(zhì)性能的因素之一。 水和有害離子的入侵是造成水泥混凝土構(gòu)件腐蝕的主要原因， 水泥混凝土的滲透性與其耐用性密切相關(guān)。

4.2.1 機(jī)制砂混凝土滲透性能與耐久性關(guān)系的探討

1） 滲透性能和機(jī)制砂混凝土的抗凍性， 抗凍性是衡量水泥混凝土防水能力的主要指標(biāo)之一。 從以上研究結(jié)果可以看出， 在干混凝土中， 不存在凍害現(xiàn)象。 但若水泥混凝土的滲透性高， 則會(huì)在受濕條件下再次達(dá)到或超過(guò)臨界飽和。 因此， 在凍融環(huán)境中， 混凝土的滲透性是非常關(guān)鍵的。 滲透性對(duì)凍結(jié)前的臨界飽和度有一定的影響。 本文從理論上分析了混凝土滲透速率與凍融循環(huán)的相關(guān)性。

2） 滲透率和碳化作用機(jī)理砂混凝土的研究， 在設(shè)計(jì)混凝土的耐久性結(jié)構(gòu)時(shí)， 首先要解決的問(wèn)題就是碳化導(dǎo)致的鋼筋腐蝕問(wèn)題。 在強(qiáng)堿性水泥混凝土中， 有一層致密的氧化膜會(huì)在鋼筋表面形成， 以阻止其侵蝕。

水泥混凝土的碳化反應(yīng)很慢。 碳化速率可用一段時(shí)間的碳化深度來(lái)表達(dá)。 在混凝土中CO2的擴(kuò)散機(jī)制下， 滲透速率與孔徑、 孔隙率有關(guān)， 也就是滲透系數(shù)。 目前， 國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)混凝土碳化深度進(jìn)行了預(yù)測(cè)， 并將其應(yīng)用于混凝土的碳化深度評(píng)估[4]。

3） 堿集料對(duì)機(jī)制砂混凝土滲透性能的影響， 影響混凝土耐久性還有一個(gè)至關(guān)重要的因素就是堿集料反應(yīng)， 目前， 它已成為國(guó)際上公認(rèn)的主要原因。前面已有研究表明， 堿集料在水泥混凝土中的作用有三個(gè)基本條件： 堿性離子、 活化集料、 水。 堿-集料反應(yīng)需要用到水。 在使用期間， 若堿集料的作用終止了， 則表明混凝土的內(nèi)部含水量低于了80%。

4.2.2 機(jī)制砂物理特征

與中粗河砂比較， 機(jī)制砂具有以下特征： 1） 機(jī)械砂以灰白或黑色為主， 具有鋒利的顆粒， 類似于大量的石粉。 自然沙的外表是黃色的， 很少見(jiàn)到高的泥沙含量。 這就是人造沙與自然沙的最大差別；2） 機(jī)制砂具有粗糙、 鋒利、 多棱角等特征； 3） 機(jī)械砂微粒中存在許多微裂紋、 大孔隙度、 多個(gè)相互連接的開(kāi)口孔隙、 比表面積大。

5 砂石材料對(duì)水泥混凝土耐久性影響的研究結(jié)果

5.1 對(duì)粗集料用量的研究結(jié)果

研究結(jié)果表明， 混凝土的耐久性與粗集料粒徑的大小有著密切的聯(lián)系。 若粗集料的粒徑大， 則其斷裂韌度也會(huì)有所提高； 粗集料的顆粒尺寸越大，集料與水泥漿體的初始裂紋越大， 集料與基質(zhì)間的粘結(jié)力越弱， 其力學(xué)性能越差。 結(jié)果表明： 集料最大強(qiáng)度、 水泥漿強(qiáng)度和粗集料與基體的結(jié)合強(qiáng)度是影響水泥混凝土強(qiáng)度的重要因素。 這三個(gè)問(wèn)題是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

5.2 對(duì)水泥混凝土耐久性影響的研究結(jié)果

研究水泥混凝土耐久性能最主要的手段就是觀察其對(duì)化學(xué)腐蝕的響應(yīng)。 這是一種化學(xué)侵蝕的反應(yīng)，化學(xué)侵蝕的基本原理是由于在貯存過(guò)程中存在一定的介質(zhì)， 會(huì)使混凝土中的空隙變大， 從而引起混凝土和空隙液的化學(xué)反應(yīng)， 進(jìn)而造成破壞， 大部分的混凝土破壞都是由水滲入到結(jié)構(gòu)中。 混凝土裂縫的形成主要是由于其結(jié)構(gòu)中存在著大量的裂縫、 裂縫和孔洞， 這些裂縫在荷載的作用下彼此相連。 結(jié)果表明， 混凝土的抗?jié)B率降低， 內(nèi)孔壓力增加， 引起混凝土的膨脹， 鋼筋腐蝕， 水冰破壞混凝土構(gòu)件的內(nèi)部破壞。 泥漿混凝土開(kāi)裂的原因有很多種， 其中有溫度、 濕度、 摻雜、 收縮方式等。 水泥混凝土是一種新型的混凝土結(jié)構(gòu)， 它在混凝土板上的開(kāi)裂和伸縮縫的破壞是非常常見(jiàn)的。 若不及時(shí)進(jìn)行保養(yǎng)，將造成產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題[5]。

6 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分， 它不僅關(guān)系到人民的日常生活， 也關(guān)系到國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。 混凝土的大量應(yīng)用不僅直接關(guān)系到工程的施工質(zhì)量， 而且直接關(guān)系到公路的建設(shè)與發(fā)展。