凝灰?guī)r機制砂混凝土及其性能研究

為研究凝灰?guī)r機制砂對混凝土性能的影響，文章選取公路工程中C30和C50兩個強度等級的混凝土，分別制備凝灰?guī)r機制砂混凝土和天然河砂混凝土，對比其力學性能以及耐久性能。研究發(fā)現(xiàn)：凝灰?guī)r機制砂混凝土會增加減水劑用量，1 h坍落度及擴展度經(jīng)時損失高于天然河砂混凝土；凝灰?guī)r機制砂混凝土的抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量、抗?jié)B水性能、抗氯離子滲透性能及抗碳化性能均優(yōu)于天然河砂混凝土。因此，凝灰?guī)r機制砂混凝土有著優(yōu)良的力學性能及耐久性，可進一步推廣應用。

凝灰?guī)r機制砂；混凝土；工作性能；力學性能；耐久性

U416.03A200644

作者簡介：

程圓圓（1994—），碩士，工程師，主要從事公路工程試驗檢測工作。

0" 引言

水泥混凝土是由砂、石、膠凝材料及外加劑組成的人工材料，在工程中有著廣泛的應用。砂作為水泥混凝土重要的組成部分，與水泥一起組成的砂漿在混凝土的粗集料中起到潤滑作用，砂的質(zhì)量對混凝土的性能有著極其重要的影響。機制砂作為由石料經(jīng)過機械加工破碎、篩分制成的人工砂被越來越多地應用在水泥混凝土工程中。水利工程由于地處偏僻，在較早的時候開始研究機制砂在水利工程中的應用［1-2］。近年來隨著天然砂石資源的開采和利用，資源逐漸枯竭，價格不斷上漲；機制砂在公路工程中逐漸被廣泛應用［3-4］。目前對于機制砂的研究主要集中在巖性為花崗巖、石灰?guī)r的機制砂，對于凝灰?guī)r機制砂的研究較少。孫茹茹［5］研究了不同巖性的機制砂對膠凝材料及強度的影響，發(fā)現(xiàn)巖性對混凝土的強度影響較小。張恒春等［6］研究了凝灰?guī)r石粉對混凝土拌和物性能的影響，發(fā)現(xiàn)凝灰?guī)r石粉為層狀結構，具有較大的內(nèi)表面積，可以吸附混凝土中的水分和外加劑，降低漿體的分散能力，降低混凝土的流動性。宋德洲等［7］通過對不同地區(qū)凝灰?guī)r機制砂研究發(fā)現(xiàn)，隨著石粉含量的增加對減水劑的吸附能力增強，但SiO2含量增高對減水劑的吸附能力減弱。王旭昊等［8］研究了不同石粉含量的凝灰?guī)r機制砂對C45混凝土性能的影響，通過研究建議凝灰?guī)r機制砂的石粉含量控制在2%～5%。張廣田等［9-10］依托在建的高速公路工程采隧道中開挖的凝灰?guī)r宕渣制備C30和C35機制砂混凝土，分析了機制砂特性、石粉含量、片狀顆粒含量對混凝土和易性、工作性能和強度的影響。李遵云等［11］研究發(fā)現(xiàn)，凝灰?guī)r機制砂混凝土可以降低鋼筋臨界氯離子濃度，可以延長混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕的時間，提高混凝土的耐久性。

本文依托于在建公路項目，研究C30、C50兩個強度等級下，凝灰?guī)r機制砂混凝土拌和物的性能、力學性能及耐久性能，得到相關經(jīng)驗為凝灰?guī)r機制砂混凝土在公路工程中的推廣應用提供一定依據(jù)。

1" 試驗

1.1" 主要原材料

水泥作為混凝土中膠凝材料的主要組成部分，其性能對水泥混凝土有著較大的影響，本試驗采用P·O 42.5水泥，其主要技術指標見表1。經(jīng)檢測，水泥的各項技術指標均符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）［12］的技術要求。本研究試驗用水選擇飲用的自來水?，F(xiàn)階段混凝土多采用高效減水劑，故本研究采用工程中常用的高效型聚羧酸減水劑，其含固量為35.7%、減水率為27%。碎石采用自加工碎石，碎石母料來源為隧道開采的宕渣，經(jīng)過三級破碎整形分揀得到滿足《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTG/T 3650-2020）［13］要求的材料，主要技術指標見表2，粗集料相關技術指標符合Ⅱ類標準［14］，可以用于C30～C60強度等級的混凝土。

本研究采用隧道開采的宕渣并自加工得到的凝灰?guī)r機制砂。凝灰?guī)r機制砂的巖性會對混凝土的性能產(chǎn)生較大影響，凝灰?guī)r機制砂化學組成見表3。凝灰?guī)r機制砂為典型的硅質(zhì)砂，凝灰?guī)r機制砂篩分結果見表4。自加工凝灰?guī)r機制砂顆粒級配滿足Ⅱ區(qū)砂的要求，主要技術指標見表5，機制砂的主要技術指標符合要求，可以用于C30～C60強度等級的混凝土。

1.2" 試驗方法

為研究凝灰?guī)r機制砂對混凝土的影響，分別選擇公路工程中常用的C30和C50兩個強度等級的混凝土進行研究。為保證試驗結果的可比性，天然河砂（NS）的細度模數(shù)同樣為2.9，其篩分結果見表6。

1.2.1" 混凝土拌和物性能試驗

混凝土拌和物的性能對混凝土施工時的和易性有著較大的影響，為研究凝灰?guī)r機制砂對混凝土拌和物性能的影響，分別拌制凝灰?guī)r機制砂混凝土（MS）及天然河砂混凝土（NS），按照《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》（GB/T 50080-2016）［15］中的試驗方法進行混凝土拌和物的坍落度、擴展度試驗。由于混凝土需要由拌和站運送到施工現(xiàn)場，故混凝土的坍落度經(jīng)時損失（1 h）及擴展度經(jīng)時損失（1 h）對混凝土的與性能也有著重要影響；為研究凝灰?guī)r機制砂混凝土運送到施工現(xiàn)場的拌和物性能，采用經(jīng)時坍落度和經(jīng)時擴展度評價混凝土的經(jīng)時損失性能。

將C30凝灰?guī)r機制砂混凝土編號為C30MS，C30天然河砂混凝土編號為C30NS，C50凝灰?guī)r機制砂混凝土編號為C50MS，C50天然河砂混凝土編號為C50NS。本次試驗所用的混凝土配合比如表7所示。

1.2.2" 混凝土力學性能試驗

混凝土的力學性能是混凝土最重要的性質(zhì)，足夠的強度是其能夠承受各種荷載作用的前提。為研究凝灰?guī)r機制砂對混凝土力學性能的影響，采用抗壓強度、劈裂強度及抗壓回彈模量來評價凝灰?guī)r機制砂混凝土的力學性能。

采用《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）［16］中的試驗方法進行抗壓強度、劈裂強度及抗壓回彈模量試驗?？箟簭姸群团褟姸瘸尚?50 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，在水泥混凝土標準養(yǎng)護室分別分別養(yǎng)護3 d、7 d和28 d，然后采用壓力機進行抗壓強度和劈裂強度試驗?？箟夯貜椖Ａ吭囼灣尚?50 mm×150 mm×300 mm的棱柱型試件，并在水泥混凝土標準養(yǎng)護室分別養(yǎng)護7 d和28 d，然后進行抗壓回彈模量試驗。

1.2.3" 混凝土耐久性試驗

混凝土的耐久性是衡量混凝土長期性能的重要指標，優(yōu)良的耐久性能可以延長結構的服役年限。本研究采用混凝土滲水高度、抗氯離子滲透試驗和抗碳化試驗評價凝灰?guī)r機制砂混凝土的耐久性。

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009）［17］分別進行混凝土的抗氯離子滲透試驗、抗?jié)B性試驗及抗碳化試驗?？孤入x子滲透性能試驗采用直徑100 mm的圓柱型試件，先在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護到28 d齡期，然后進行真空飽水，在真空飽水完成后進行電通量測試?？?jié)B性能試驗的試件在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d后，采用混凝土抗?jié)B儀進行滲水高度試驗，用來評價抗?jié)B水性能?？固蓟阅茉囼灥脑嚰槔庵驮嚰?，在標準條件下養(yǎng)護28 d，隨后將其取出在60 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干48 h，然后在碳化箱分別碳化3 d、7 d、14 d、28 d，測試混凝土的碳化深度。

2" 結果與討論

2.1" 混凝土拌和物的性能

混凝土拌和物減水劑用量、初始坍落度、初始擴展度、1 h坍落度經(jīng)時損失及1 h擴展度經(jīng)時損失試驗結果見表8。

由表8可知，在C30和C50兩個強度等級下采用機制砂的混凝土，其減水劑的用量高于采用天然砂的混凝土。機制砂是由人工軋制而成，因此相較于天然砂而言，其顆粒棱角多、表面粗糙、級配相對較差。同時，機制砂的石粉含量高于天然砂的石粉含量，凝灰?guī)r機制砂的石粉含量為8.3%，天然河砂的石粉含量為3.7%；由于石粉的比表面積相較于機制砂大很多，且凝灰?guī)r機制砂石粉為層狀結構，表面積較大，可以吸附水分子和減水劑，使得混凝土的粘聚性增大，流動性降低，因此需增大減水劑的用量，使其能達到相同的工作性能。凝灰?guī)r機制砂混凝土1 h坍落度和1 h擴展度降低幅度要大于天然砂混凝土，由于凝灰?guī)r機制砂的SiO2含量較高，對于水分子和減水劑有較強的吸附性，且凝灰?guī)r機制砂混凝土的石粉含量高于天然河砂，使得拌和物失水較快，凝灰?guī)r機制砂混凝土坍落度損失和擴展度損失會大于天然砂混凝土。

2.2" 混凝土力學性能

2.2.1" 抗壓強度

凝灰?guī)r機制砂混凝土和天然河砂混凝土3 d、7 d和28 d立方體抗壓強度結果見圖1。

由圖1可知，凝灰?guī)r機制砂的混凝土，其各齡期的混凝土抗壓強度均高于天然河砂配制的混凝土強度。C30MS凝灰?guī)r機制砂混凝土相較于C30NS天然河砂混凝土3 d、7 d、28 d抗壓強度分別提高了10.0%、8.8%、5.9%；C50MS凝灰?guī)r機制砂混凝土3 d、7 d、28 d抗壓強度分別比對應齡期的C50NS天然河砂混凝土抗壓強度提高了7.4%、4.8%、8.0%。這是由于凝灰?guī)r機制砂顆粒一般較為粗糙、棱角多，能夠與水泥漿體嚙合更加緊密，提高漿體與骨料間的粘結強度，增強界面過渡區(qū)抑制裂縫發(fā)展；且較高的石粉含量能夠填充膠凝材料之間的空隙，降低混凝土內(nèi)部的孔隙率，減小混凝土內(nèi)部孔徑尺寸，提高混凝土的密實度。因此，采用凝灰?guī)r機制砂不會降低混凝土的強度，反而會在一定程度上提升混凝土的強度。

2.2.2" 劈裂強度

凝灰?guī)r機制砂混凝土和天然河砂混凝土3 d、7 d和28 d立方體劈裂強度結果見圖2。

由圖2可知，凝灰?guī)r機制砂配制而成的混凝土立方體劈裂強度要略高于天然河砂的劈裂強度。C30MS凝灰?guī)r機制砂混凝土的3 d、7 d、28 d劈裂強度分別比對應齡期的C30NS天然河砂混凝土劈裂強度提高了9.7%、4.4%、6.5%；C50MS凝灰?guī)r機制砂混凝土的3 d、7 d、28 d劈裂強度分別比對應齡期的C50NS天然河砂混凝土劈裂強度提高了6.5%、3.3%、4.9%。由于凝灰?guī)r機制砂相較于天然河砂更為多棱角，因此其與水泥石有更好的粘結能力，可提高混凝土的劈裂強度。

2.2.3" 抗壓回彈模量

凝灰?guī)r機制砂混凝土和天然河砂混凝土7 d和28 d抗壓回彈結果見圖3。

由圖3可知，C30MS凝灰?guī)r機制砂混凝土的7 d和28 d抗壓回彈模量分別比對應齡期的C30NS天然河砂混凝抗壓回彈模量提高了8.6%和11.9%；C50MS凝灰?guī)r機制砂混凝土的7 d和28 d抗壓回彈模量分別比對應齡期的C50NS天然河砂混凝抗壓回彈模量提高了2.9%和5.6%。其原因是由于凝灰?guī)r機制砂有著較多的棱角，能夠與漿體很好地嚙合，形成骨架；凝灰?guī)r機制砂母巖的強度較高，能夠起到提高混凝土抗壓回彈模量的作用。

2.3" 混凝土耐久性

2.3.1" 抗?jié)B水性能

各組混凝土滲水高度試驗結果見圖4。

由圖4可知，采用凝灰?guī)r機制砂的混凝土其滲水高度要低于天然河砂的混凝土。C30、C50凝灰?guī)r機制砂混凝土相較于C30、C50天然河砂混凝土分別降低了19.6%、28.6%。凝灰?guī)r機制砂混凝土比天然河砂混凝土有著較高的抗?jié)B水性能，由于凝灰?guī)r機制砂有著較高的石粉含量，能夠填充膠凝材料水化產(chǎn)物漿體形成的孔隙，減少水分在膠凝材料漿體的擴散通道，提高了混凝土抗?jié)B水性能，使得凝灰?guī)r機制砂混凝土有著良好的抗?jié)B性能。

2.3.2" 抗氯離子滲透性能

C30MS、C30NS、C50MS、C50NS混凝土28 d電通量結果如圖5所示。

由圖5可知，采用凝灰?guī)r機制砂的混凝土其電通量要低于天然河砂的混凝土。C30、C50凝灰?guī)r機制砂混凝土相較于C30、C50天然河砂混凝土分別降低8.4%、9.8%。與天然河砂混凝土相比，凝灰?guī)r機制砂混凝土有著更好的抗氯離子滲透性能，由于凝灰?guī)r機制砂有著較高的石粉含量，石粉能夠改善混凝土的級配，填充膠凝材料水化產(chǎn)物漿體形成的孔隙，減少氯離子在膠凝材料漿體的擴散通道；優(yōu)化了集料與漿體的界面過渡區(qū)，提高了混凝土抗氯離子滲透性能，從而提高混凝土的耐久性。

2.3.3" 抗碳化性

各組混凝土在3 d、7 d、14 d、28 d的碳化深度如圖6所示。

由圖6可知，隨著時間的增加，各組混凝土的碳化深度均變大，但是凝灰?guī)r機制砂混凝土的增幅要小于天然河砂混凝土。由于凝灰?guī)r機制砂中有著一定量的石粉，石粉的存在會提高混凝土的抗碳化性能，隨著混凝土齡期的增長，水泥水化越來越充分，同時凝灰?guī)r機制砂中含有的石粉也會被激發(fā)活性，使得混凝土結構越來越致密，從而抑制CO2向混凝土內(nèi)部的擴散，降低碳化深度。這種現(xiàn)象在C50強度等級的混凝土中更為明顯。

3" 結語

本文通過對比混凝土的拌和物性能、力學性能和耐久性能研究發(fā)現(xiàn)：

（1）凝灰?guī)r機制砂中石粉含量較高，在相同坍落度的情況下需要增加減水劑的用量，且由于凝灰?guī)r機制砂石粉對水分和減水劑有一定的吸附能力，導致經(jīng)時1 h的坍落度及擴展度損失要大于天然河砂配制的混凝土。

（2）凝灰?guī)r機制砂顆粒多粗糙、多棱角且母巖強度較高，其抗壓強度、劈裂強度及抗壓回彈模量要優(yōu)于天然河砂混凝土，凝灰?guī)r機制砂混凝土有著良好的力學性能。

（3）凝灰?guī)r機制砂石粉顆粒的含量較高，石粉能夠填充膠凝材料水化產(chǎn)物漿體形成的孔隙，且凝灰?guī)r石粉的活性也會激發(fā)其抗?jié)B水性能、抗氯離子滲透性能，其抗碳化性能要優(yōu)于天然河砂混凝土。

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［14］JTG E42-2005，公路工程集料試驗規(guī)程［S］.

［15］GB/T 50080-2016，普通混凝土拌合物性能試驗方法標準［S］.

［16］GB/T 50081-2019，混凝土物理力學性能試驗方法標準［S］.

［17］GB/T 50082-2009，普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準［S］.

20231026