肯尼亞中風化響巖骨料對混凝土性能的影響研究

董藏龍，萬永旺

(中交四航局第一工程有限公司，廣州 510500)

肯尼亞內羅畢快速路項目主線全長27.131 km，設計時速80 km，為國道A級公路，瀝青砼路面。其中主線前15.710 km主要為路基，后11.421 km主要為橋梁，除東環至南環段采用雙向六車道28.6 m 路基標準寬度外,其余路段均采用雙向四車道21.6 m寬A 級道路標準。內羅畢及周邊地區巖石以火成巖為主，其中中風化響巖占比較大。項目周邊只有響巖可選，其他巖石料場距離較遠、代價價高，而周邊響巖存在吸水率偏大，堅固性不良等問題。

李志強[1,2]等研究了東非地區吸水率較大的骨料的吸水特性，研究顯示東非地區的骨料吸水速率較快，一般在早期浸泡60 min內即已基本完成吸水，且吸水率達到普通骨料吸水率的3倍，該地區骨料的化學成分以SiO2和Al2O3為主，微觀顆粒表面粗糙，孔隙較大。溫欣嵐[3]等人研究了東非地區骨料對混凝土性能的影響規律，研究結果表明東非地區骨料配制的混凝土工作性能相對較差，混凝土坍落度和擴展度經時損失較大，混凝土后期強度發展緩慢，耐久性較差。另外，瞿東明[4-7]等人采用摻加復合礦物摻合料、超高性能混凝土預混料、改變攪拌工藝等技術手段，研究了改善東非地區骨料混凝土性能的工程實用技術，取得了較好的效果。

上述研究對于肯尼亞中風化響巖的應用具有很好的借鑒作用，但是，缺乏針對性研究結論，對于骨料堅固性方面的研究尚無文獻報道，為此該文采用肯尼亞地區的中風化響巖，與普通石灰巖骨料進行對比，通過研究中風化響巖對混凝土拌合物性能、力學性能和耐久性的影響，為中風化響巖在內羅畢機場路的應用提供技術支撐。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥：采用肯尼亞當地生產的CEMⅠ42.5水泥，凝結時間為初凝165 min，終凝267 min，標準稠度用水量為26%，3 d抗壓強度27.1 MPa，28 d抗壓強度為52.3 MPa。

2)細骨料：采用肯尼亞當地天然河砂，細度模數2.6，Ⅱ區中砂，其級配較好。

3)粗骨料：采用肯尼亞中風化響巖加工而成，連續級配為5～20 mm，具體技術指標見表1。用于對比試驗的骨料為應用最為廣泛的石灰石碎石，5～20 mm連續級配，各項技術指標均與肯尼亞中風化響巖破碎骨料相近。

表1 肯尼亞中風化響巖技術指標

4)粉煤灰：印度進口Ⅱ級粉煤灰，顏色呈現黃灰色，細度(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%。

1.2 方法

混凝土拌合物性能按照《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》GB/T50080—2016進行測試，主要試驗坍落度、擴展度及經時損失情況。

力學性能按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GB/T50081—2019進行測試，抗壓強度采用正方形試塊，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。混凝土拌合好裝入試驗模具，置于振動臺，震動15 s成型，采用鋼抹刀抹平，在混凝土初凝之后進行二次收面，然后放置于溫度20 ℃、濕度60%的房間內靜置24 h，然后拆模。拆模過程中注意棱角的保護，編號后放入標準養護室內養護至試驗齡期，試驗前提前拿出試塊，用濕抹布覆蓋，試驗室試塊保持濕潤但是表面無明顯水漬，加載速度均勻，抗壓強度試驗齡期為7 d、28 d、56 d、90 d，抗壓彈性模量試驗齡期為28 d、56 d。

混凝土耐久性能按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082—2009進行，氯離子擴散性能要提前真空保水。

1.3 試驗配合比

肯尼亞中風化響巖混凝土試驗配合比見表2，試驗采用C35強度等級混凝土進行試驗，膠凝材料用量為380 kg/m3，粉煤灰摻量為膠凝材料用量的25%，水膠比為0.40，用水量為156 kg/m3，采用普通石灰石粗骨料的實驗組記作KJ，采用肯尼亞中風化響巖作為粗骨料的實驗組記做KX。

表2 試驗混凝土配合比 /(kg·m-3)

2 結果與分析

2.1 混凝土拌合物性能

兩種不同骨料混凝土的拌合物性能試驗結果見圖1，由圖1中試驗結果可知：采用肯尼亞中風化響巖配制的混凝土，在相同的配合比條件下，初始坍落度和擴展度均較普通石灰石骨料混凝土小，初始坍落度小7.1%，初始擴展度小16.4；中風化響巖配制的混凝土坍落度和擴展度經時損失均明顯比普通石灰石骨料混凝土大得多，中風化響巖混凝土坍落度和擴展度1 h經時損失分別為65 mm、100 mm，而普通石灰石骨料混凝土坍落度和擴展度1 h經時損失分別為10 mm、50 mm。該文研究結果與溫欣嵐等人研究結果相似[3]，主要原因是，中風化響巖骨料飽和面干吸水率為2.2%，而普通石灰石骨料飽和面干吸水率一般在1.0%左右，中風化響巖在新拌合的混凝土中相比普通石灰石骨料吸水量大得多，在粗骨料用量970 kg的情況下，中風化響巖大約多吸水11.64 kg，因此新拌合混凝土由于有效拌合用水較少，坍落度和擴展度自然較低，而骨料吸水過程需要經過時間，在測試1 h拌合物狀態經時損失的過程中，中風化響巖骨料不停地在吸水，其配制的混凝土拌合物狀態經時損失大也是必然的。

2.2 混凝土力學性能研究

混凝土力學性能是混凝土在工程建設中應用的最基礎性能，為此該文研究了肯尼亞中風化響巖對混凝土力學性能的影響，對比普通石灰石骨料、中風化響巖骨料對混凝土抗壓強度的影響試驗結果見圖2。可以看出，在各個試驗齡期中風化響巖配制的混凝土抗壓強度均比對比普通石灰石骨料混凝土低，在7 d、28 d、56 d、90 d 4個試驗齡期，中風化響巖混凝土分別比石灰石骨料混凝土低9.4%、7.0%、6.6%、7.3%。可能的原因是中風化響巖骨料壓碎值較大，為21.6%，堅固性不良為12.8，粗骨料在混凝土中起骨架作用，混凝土骨架性能不佳對于混凝土力學性能的影響最為明顯，因此中風化響巖配制的混凝土抗壓強度明顯較低。

在工程建設中，尤其是預應力混凝土構件，對于混凝土彈性模量具有明確的要求，為此研究了中風化響巖骨料對混凝土抗壓彈性模量的影響，試驗結果見圖3。可以看出，在各個試驗齡期中風化響巖配制的混凝土抗壓彈性模量均比對比普通石灰石骨料混凝土略低，28 d、56 d時，分別低4.5%和3.2%，可見雖然中風化響巖骨料混凝土彈性模量較石灰石骨料低，但是降低幅度比抗壓強度小。

2.3 混凝土耐久性能研究

電通量是通過在混凝土試塊兩端加電壓，通過整個通電過程中通電量的多少來評估氯離子在電場作用下遷移數量的多少，從而定性地評估混凝土抵抗氯離子滲透的能力，是評價混凝土耐久性應用最為廣泛的技術指標之一。鐵路混凝土中要求較為嚴格，對于普通混凝土一般要求56 d齡期電通量小于1 200 C，雖然公路工程對于電通量沒有明確的指標要求，但是為了保證工程安全耐久，研究中風化響巖對于混凝土電通量的影響具有顯著的意義。肯尼亞中風化響巖骨料對混凝土電通量的影響試驗結果見圖4，可以看出，各個試驗齡期中風化響巖配制的混凝土電通量均比普通石灰石骨料混凝土高，28 d、56 d、90 d中風化響巖混凝土電通量分別高7.5%、12.0%、23.2%。

RCM抗氯離子試驗是通過測定氯離子在混凝土中非穩態遷移的遷移系數來確定混凝土的抗氯離子滲透性能。肯尼亞中風化響巖骨料對混凝土氯離子滲透系數的影響試驗結果見圖5，試驗結果顯示：各齡期中風化響巖配制的混凝土氯離子滲透系數均比普通石灰石骨料混凝土大，但是到了90 d試驗齡期兩種骨料配制的混凝土氯離子滲透系數基本相近，28 d、56 d、90 d中風化響巖混凝土氯離子滲透系數分別大14.2%、30.5%、9.9%。主要原因是，中風化響巖骨料飽和面干吸水率較大，較大的吸水率在配制混凝土時容易造成混凝土局部用水量不足，從而使得局部水泥水化速度慢，水化不充分，從而形成缺陷，造成氯離子通過阻力較小；另一方面，中風化響巖骨料堅固性較低，內部具有一些小孔隙，使得氯離子容易在其周邊通過，進一步增大了氯離子擴散系數。

3 結 論

為推動中風化響巖骨料在工程中的應用，降低工程建設施工成本，該文研究了中風化響巖對混凝土性能的影響，得到如下結論：

a.采用肯尼亞中風化響巖配制的混凝土，在相同的配合比條件下，初始坍落度和擴展度均較普通石灰石骨料混凝土小，經時損失相對較大。

b.中風化響巖配制的混凝土抗壓強度均比對比普通石灰石骨料混凝土低，抗壓彈性模量相對較低，但是仍然滿足一般工程對混凝土力學性能的要求。

c.中風化響巖配制的混凝土電通量均比普通石灰石骨料混凝土高，氯離子滲透系數大，在90 d齡期時兩種骨料混凝土的電通量和氯離子滲透系數相近。