響巖與花崗巖機制砂混凝土性能對比研究

萬永旺，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。內羅畢周邊河砂資源短缺，響巖資源豐富，常用作機制砂的石灰巖、玄武巖、花崗巖資源距離較遠，同時響巖存在壓碎值較高、吸水率較大、堅固性不良的問題。

由于砂石資源的不可再生性、可持續發展的限采性，砂石供需的矛盾日益突出。機制砂逐步替代天然河砂、石成為必然趨勢。不同母巖所生產的機制砂，由于其風化程度和礦物成分的不同，表現出來的特性如細度模數、粒形、級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制砂的物理差異也會較大，有明顯的棱角，而且會伴隨著一些雜質[2]。近幾年，國內外學者對于石灰巖、花崗巖、玄武巖等作為母巖生產機制砂對混凝土性能影響做了深入的試驗研究。Wang等[3]選取石灰巖、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，結果發現不同巖性的機制砂對混凝土的工作性能、力學性能、體積穩定性和耐久性能影響并不明顯。王稷良[4]在其研究文獻中也得出相同的結論，巖性的變化并不能顯著改變混凝土強度等性能。Li Huajian等[5]則選用不同母巖機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，并通過建立對數模型和冪函數模型對機制砂混凝土的干縮徐變隨齡期的變化規律進行了表征，表明機制砂混凝土替代河砂制備預應力鐵路混凝土具有良好的前景。同時，試驗結果表明，混凝土的抗氯離子滲透性能和抗凍性能，并沒有因為機制砂母巖的不同表現出明顯差異，只有在干縮性方面，玄武巖略大。因此其研究成果認為，基本可以忽略巖性對混凝土宏觀性能的影響。相比于巖性，機制砂中石粉的含量對混凝土性能的影響則較為突出。機制砂是由巖石采用破碎工藝制備而成經篩分后粒徑小于4.75 mm的顆粒，因此，機制砂往往會帶有粒徑小于0.075 mm的石粉或泥塊。機制砂石粉對于混凝土性能是一把“雙刃劍”。隨著機制砂中石粉含量的增加，混凝土的峰值應力呈先增大后減小的趨勢，對于C80高性能混凝土，4.5%～6.5%的石粉含量對混凝土性能起到良好的效果；對于水泥膠砂，玄武巖火山灰效應主要在水化后期發生，玄武巖石粉的細度的提高更有利于其后期強度的增長，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600 m2/kg后，強度活性便開始下降[7-9]。適量的石粉含量可以填充水泥、活性材料之間的孔隙，優化混凝土漿體中的孔結構，增加無害孔、少害孔的比例，在范德華力、靜電作用下，相互交接成絮凝網狀結構，提高其黏聚性和包裹性。此外，石粉中CaCO3參與水泥的水化過程，促進水泥早期水化產物的生長和沉淀。而隨著石粉含量的增加，多余的石粉會吸收一定的水分，起到潤滑作用的自由水含量減少，導致混凝土流動性能變差，密實度降低，強度下降。為此，需要增大高效減水劑的用量，來抑制機制砂中過多的石粉含量對混凝土造成的不良影響[10]。機制砂制備路面混凝土時，機制砂表面粗糙反而起到有益效果。Li等[11]發現機制砂制備路面水泥混凝土(MS-PCC)時，當其中石粉含量在4.3%增加到20%時，MS-PCC的抗壓、抗折強度、耐磨性都呈上升趨勢，并且機制砂粒表面粗糙程度越大，壓碎值越低，其抗壓強度越高。國標GB/T 14684—2011《建筑用砂》規定混凝土用機制砂需要用亞甲藍方法檢測機制砂中泥粉的含量。要求機制砂MB值小于1.4。Zhou等[12]發現對于石灰巖、花崗巖等增大MB值對C30混凝土影響不大，但對C60混凝土抗壓強度和抗凍性會明顯降低，MB值小于1時，降低更加明顯。除此之外，機制砂制備混凝土時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制砂混凝土強度以及耐久性[10,13]。

上述研究為響巖機制砂的應用提供一定的借鑒，但響巖機制砂在公路工程混凝土中的應用研究較少。該文采用肯尼亞內羅畢地區的響巖機制砂與常用的花崗巖機制砂對比研究兩者對混凝土拌合物性能、力學性能和耐久性能的影響，為肯尼亞采用響巖機制砂應用在公路工程提供一定的技術指導。

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：采用肯尼亞內羅畢響巖機制砂，細度模數2.9，石粉含量7%，機制砂MB值1.3，飽和面干吸水率2.3%，壓碎值21.6%，堅固性12.8%；肯尼亞花崗巖機制砂，細度模數2.8，石粉含量6%，機制砂MB值1.1，飽和面干吸水率1.4%，壓碎值12.3%，堅固性7.1%。

3)粗骨料：采用肯尼亞響巖加工而成，粒徑為5～25 mm連續級配碎石。

4)粉煤灰：印度進口Ⅱ級粉煤灰，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 混凝土配合比

參照《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)分別配制C30、C50強度等級的混凝土，編號字母X代表響巖機制砂，H代表花崗巖機制砂，具體各組代號相應的混凝土配合比見表 1。

表1 試驗混凝土配合比 w/(kg·m-3)

1.3 混凝土試驗方法

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測試坍落度、擴展度、經時損失；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，抗壓強度試驗齡期為7 d、28 d、56 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，標養28 d后進行電通量和碳化測試。

2 結果與分析

2.1 混凝土拌合物性能

分別采用響巖機制砂和花崗巖機制砂制備C30、C50混凝土拌合物工作性能如表2所示。按照表1配合比設計配制的機制砂C30混凝土，在水膠比相同，增大減水劑用量的情況下，響巖機制砂混凝土初始坍落度略小于花崗巖機制砂混凝土，初始擴展度則比花崗巖機制砂混凝土稍大；1 h流動度損失方面，相比于花崗巖機制砂混凝土的17%和26%，響巖機制砂混凝土的坍落度和擴展度損失達到21%和34%。對于C50混凝土，在增大7%減水劑用量的情況下，兩種不同巖性機制砂混凝土初始坍落度持平，初始擴展度僅相差5 mm；在流動度損失方面，與C30混凝土相似，響巖機制砂混凝土1 h坍落度和擴展度損失分別為22%和37%，而花崗巖機制砂混凝土1 h坍落度和擴展度損失僅為12%和26%。主要是由于響巖機制砂石粉含量較花崗巖較多，MB較大，對外加劑的吸附作用更強，同時，響巖機制砂的飽和面干吸水率比花崗巖機制砂大，會吸收更多的水分，導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提高混凝土拌合物性能，而花崗巖機制砂混凝土摻加相對更少的減水劑便可以使水泥漿體有長時間的分散效果，保持較小的流動度損失。

表2 響巖機制砂和花崗巖機制砂對混凝土工作性能的影響

2.2 混凝土力學性能研究

圖1為響巖機制砂與花崗巖機制砂配制混凝土抗壓強度對比結果。對于C30強度等級，兩種巖性機制砂混凝土隨養護齡期的延長，抗壓強度呈相似的增長趨勢，花崗巖機制砂混凝土比響巖機制砂混凝土高出6%～8%。對于C50強度等級，二者也表現出相同的增長趨勢，花崗巖機制砂混凝土強度稍高出響巖機制砂混凝土3%～4%。總的來說，響巖機制砂混凝土較花崗巖機制砂混凝土抗壓強度略低，這主要是因為響巖機制砂壓碎值大于花崗巖機制砂，導致響巖機制砂混凝土在抗壓強度試驗時機制砂與漿體界面較花崗巖機制砂混凝土先破壞。

圖2為響巖機制砂混凝土和花崗巖機制砂混凝土彈性模量對比結果。兩種機制砂混凝土彈性模量與其抗壓強度增長趨勢相同，強度等級越高，彈性模量越大；且兩者之間的彈性模量相差不大，C30強度等級在28 d相差最大，僅8%，其他齡期花崗巖機制砂混凝土彈性模量比響巖機制砂混凝土彈性模量高2%～6%。混凝土彈性模量與其抗壓強度、混凝土的密度和骨料體積分數密切相關[3]。響巖機制砂的壓碎值較花崗巖的機制砂大，導致其抗壓強度小于花崗巖機制砂混凝土的同時，彈性模量也在各個齡期小于花崗巖機制砂混凝土。另外，響巖機制砂的MB值較大，所含的泥粉較多，泥粉在混凝土內部吸附大量的自由水，不僅會降低混凝土內部的濕度，還會使內部細微裂縫變多；吸水的泥粉結構變得疏松多孔，致使有害孔增多，最終造成混凝土內部缺陷相對嚴重，也是導致響巖機制砂混凝土彈性模量比花崗巖機制砂混凝土低的重要原因。

2.3 混凝土耐久性能研究

圖3為響巖機制砂和花崗巖機制砂對混凝土電通量的影響。從圖中可以發現，C50混凝土電通量均低于C30混凝土，響巖機制砂混凝土比相同強度等級花崗巖混凝土電通量高6%，可見響巖機制砂對于混凝土氯離子滲透并沒有顯著的不利影響；56 d電通量明顯小于28 d電通量，其原因是隨著養護時間的延長，水泥和礦物摻合料水化程度的提高，混凝土密實度逐漸提高，抗氯離子滲透能力顯著增強。C30強度等級響巖花崗巖機制砂混凝土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強度等級混凝土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25%。響巖機制砂在配制C50高性能混凝土時，抗氯離子滲透能力隨著養護時間的延長明顯增強。除此之外，抗氯離子滲透能力增強的原因還可能歸功于機制砂中所含石粉在物理方面的填充作用，石粉的存在優化了混凝土內部的孔結構，同時，石粉在化學方面還可能對水泥水化起到促進作用。夏京亮等[14]研究指出，機制砂MB值也是影響電通量的一個因素之一。當機制砂中石粉含量適中，石粉改善保水性占主導地位，降低了混凝土泌水的傾向，此時石粉的摻入則會提高混凝土抗壓強度，降低56 d電通量和氯離子滲透系數。

圖4為響巖和花崗巖機制砂對混凝土抗碳化性能的影響。從圖中可以看出，兩種巖性機制砂對混凝土抗碳化能力影響相近。C30混凝土隨著養護齡期的延長，碳化深度呈增長趨勢，響巖機制砂混凝土從3 d碳化深度的3.6 mm到28 d的5.7 mm，增長37%；花崗巖機制砂混凝土從3 d碳化深度3.5 mm到28 d的5.5 mm，增長36%。C50強度等級混凝土則隨著齡期的增長，碳化深度變深的趨勢相對較弱，響巖機制砂和花崗巖機制砂28 d碳化深度較3 d增幅分別達52%和54%。總的來說，C50強度等級混凝土較C30強度等級混凝土抗碳化能力強，這是因為C50混凝土的水泥用量較C30混凝土較大，水膠比較C30混凝土低，混凝土隨著養護時間的延長，強度逐漸提高，表層也更加密實，孔隙飽和度較低，從而減少了CO2進入混凝土的通道，降低了CO2孔隙內的溶解度，降低混凝土內部受碳化的比例，提高混凝土的抗碳化性能。

3 結 論

a.響巖機制砂混凝土在適當增加減水劑用量時，可以達到和花崗巖機制砂混凝土相近的拌合物性能。

b.采用響巖機制砂配制C30和C50混凝土，力學性能略低于花崗巖機制砂混凝土。

c.采用響巖機制砂配制C30和C50混凝土，耐久性能與花崗巖機制砂混凝土相近。