骨料種類與級配對路面混凝土耐磨性能的影響

羅發勝，李 彬，杜俊朋，郭奕群，麥俊明，張同生

(1.保利長大工程有限公司，廣州 511430；2.華南理工大學材料科學與工程學院，廣州 510641； 3.廣東省建筑材料研究院有限公司，廣州 510145)

0 引 言

當車輛速度快、載荷高時，對路面磨損大，易導致路面出現凹陷、開裂等問題[1-2]。路面磨損原因一般分為兩種：一是堅硬磨粒楔入混凝土表面時，車輛與路面的切向作用力使得磨粒發生移動，致使磨粒與混凝土表面發生刮擦[3-4]，混凝土表面砂石等碎屑脫落,成為新磨粒，反復作用下路面表皮脫落,大面積骨料裸露；二是車輪對路面的沖擊、擠壓等作用下，路面混凝土原生裂紋擴展,產生疲勞裂縫[3]，最終引起路面沿疲勞裂縫的局部斷裂。因此，路面混凝土耐磨性能日益受到重視，在滿足力學性能要求的前提下，改善混凝土耐磨性能是延長路面服役壽命、保障行車安全的重要舉措。

目前改善混凝土耐磨性能的措施主要有優化膠凝材料組成與調控骨料級配兩大類。大量研究通過摻加礦渣提高混凝土耐磨性能，摻入質量分數為20%的礦渣可使混凝土抗折強度提高15%，磨損量從4.2 kg/m2降低至3.0 kg/m2，礦渣摻量大于40%時，會導致混凝土早期耐磨性能大幅度降低，其原因在于礦渣水化速率低，不利于混凝土早期力學性能與耐磨性能的發展[5-6]。Siddique等[7]和Yoshitake等[8]發現，摻入少量粉煤灰有助于改善混凝土耐磨性能，但是質量摻量超過20%會引起混凝土強度下降，耐磨性變差。也有研究[9-10]通過摻加納米SiO2或納米Al2O3調控水化產物組成與結構，改善混凝土的耐磨性能。納米SiO2具有較高的表面能，使得水化產物排列整齊，分布均勻，密實度較高，故摻入納米SiO2的質量分數為1%和3%時，混凝土表面耐磨性能分別提高157.0%和100.8%[10-11]，但摻納米粒子混凝土耐磨性能受養護條件的影響非常大[12-14]。可見，礦渣僅能提高混凝土長期耐磨性能，納米粒子成本較高，養護條件要求較高，難以滿足規模化道路工程需求。

骨料體積約占混凝土的60%～80%，骨料本征耐磨性與骨料含量是混凝土耐磨性能的關鍵影響因素。余斌等[15]研究了石灰巖及花崗碎石對混凝土耐磨性能的影響，結果顯示粗骨料的耐磨性越好，混凝土的耐磨性越好。此外，通過拋填粗骨料工藝提高骨料體積含量，當粗骨料體積置換率為10%時，混凝土磨損量降低了15.28%[16]。Lu等[17]采用再生陶瓷作為水泥砂漿的細骨料，利用陶瓷自身高耐磨性能增強水泥砂漿的耐磨性，與其他天然骨料砂漿相比，再生陶瓷砂漿耐磨性能最好，磨損量僅為石灰巖機制砂砂漿的50%。綜上，如何充分發揮骨料對混凝土抗磨性能的貢獻，是制備耐磨混凝土的關鍵之一。

本文選用典型工程骨料，通過調控粗骨料級配、膠凝材料用量、細骨料種類與砂率，充分發揮骨料嵌鎖效應，改善骨料與漿體的粘結，提高路面混凝土力學與耐磨性能。其次通過調控水膠比等參數，研究路面混凝土抗壓、抗折強度和耐磨性能，建立強度與耐磨性能的量化關系，揭示細骨料本征耐磨性、粗骨料級配等因素對混凝土耐磨性能的影響機制，為設計和提高路面混凝土耐磨性能提供理論依據。

1 實 驗

1.1 原材料

本研究所用硅酸鹽水泥與礦渣的化學組成見表1，水泥物理性能見表2。細骨料為細度模數2.7的河砂和機制砂，顆粒形貌和粒度分布如圖1和圖2(a)所示，其中河砂含泥量為1.5%(質量分數)。粗骨料分別為5～10 mm、10～20 mm和16～31.5 mm的輝綠巖碎石，粒度分布見圖2(b)。所用聚羧酸高性能減水劑固含量19.8%，減水率35.0%(見表3)。拌合水符合現行行業標準《混凝土用拌合水》(JGJ 63—2006)要求。

表1 硅酸鹽水泥與礦渣的化學組成Table 1 Chemical compositions of Portland cement and slag

表2 硅酸鹽水泥的基本性能Table 2 Fundamental properties of Portland cement

表3 聚羧酸高性能減水劑性能指標Table 3 Performance index of polycarboxylic superplasticizer

圖1 細骨料顆粒形貌Fig.1 Shape of fine aggregates

圖2 骨料粒度分布Fig.2 Particle size distribution of aggregates

1.2 配合比設計

為探究粗、細骨料對混凝土耐磨性能的影響，圍繞細骨料種類、砂率、膠凝材料用量、粗骨料級配和水膠比等影響因素，分別設計了T、RS、B、CA和W/B五個系列混凝土(見表4)。膠凝材料組成固定為質量分數75%的水泥和25%的礦渣，通過減水劑調控混凝土坍落度為(5.0±2.0) mm。首先，為了對比機制砂、河砂對混凝土耐磨性能的影響，采用機制砂分別以質量分數為0%、50%、100%替代河砂(T系列混凝土)；RS系列混凝土采用機制砂，通過改變砂率(質量分數)為28%、30%、32%、34%，研究了砂率對混凝土耐磨性能的影響；B系列混凝土為了探討膠凝材料用量對混凝土力學性能和耐磨性能的影響，改變膠凝材料用量為400 kg/m3、360 kg/m3、340 kg/m3、320 kg/m3；CA系列混凝土為了研究粗骨料級配對耐磨性能的影響，改變5～10 mm、10～20 mm、16～31.5 mm碎石質量比例分別為20 ∶55 ∶25、15 ∶50 ∶35、5 ∶25 ∶70；W/B系列混凝土通過改變水膠比(0.29、0.31、0.33、0.35、0.37、0.39)，研究混凝土強度與耐磨性能的變化規律。

表4 路面混凝土配合比Table 4 Mix proportion of pavement concrete /(kg·m-3)

1.3 試驗方法

采用HJS-45型強制式雙臥軸混凝土攪拌機制備新拌混凝土，攪拌時先將碎石和砂加入攪拌機，攪拌1 min后加入膠凝材料再攪拌1 min，最后加入水和減水劑繼續拌和2.5 min。將新拌混凝土放入溫度為(20±1) ℃、相對濕度大于90%的環境中養護24 h，脫模后將試件放入(20±1) ℃的水中養護，養護至指定齡期后取出試件擦干備用。

混凝土力學性能測試參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)，選取0.7 MPa/s的加荷速度進行抗壓強度測試，抗折強度測試的加荷速度為0.07 MPa/s。

混凝土耐磨性能測試參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG 3420—2020)，將養護至指定齡期的混凝土試塊干燥至恒重，并刷凈表面浮塵。試件夾緊于耐磨試驗機的水平轉盤上(磨削面與成型時的頂面垂直)，在200 N負荷下磨30轉，取下試件刷凈表面粉塵稱重作為初始質量，記為m1。然后在200 N負荷下磨60轉，取下試件刷凈表面粉塵稱重作為試件磨損后的質量，記為m2。以單位面積磨損量來衡量混凝土的耐磨性能，即：

(1)

式中：G為單位面積磨損量，kg/m2；S為磨損面積，取值0.012 5 m2。

2 結果與討論

2.1 細骨料種類對路面混凝土性能的影響

圖3為細骨料種類對混凝土力學性能的影響。如圖3所示，河砂被機制砂替代50%時，混凝土7 d與28 d抗壓強度沒有變化。河砂被機制砂全部替代時，混凝土7 d抗壓強度比河砂混凝土提高3.4 MPa，為73.0 MPa，但其28 d抗壓強度降低了2.1 MPa。對于抗折強度而言，河砂被機制砂替代50%后，混凝土7 d、28 d抗折強度略有降低。機制砂混凝土7 d、28 d抗折強度分別為7.0 MPa和10.2 MPa，較河砂混凝土分別增加了0.4 MPa和0.8 MPa。由此可見，采用機制砂對混凝土強度影響不大，甚至有利于抗折強度提升。圖4為細骨料種類對混凝土耐磨性能的影響。通過圖4可以看出，河砂混凝土單位面積磨損量達到0.640 kg/m2，機制砂混凝土耐磨性能有所改善，單位面積磨損量僅為0.267 kg/m2，較河砂混凝土磨損量減少了58.3%，說明機制砂混凝土的耐磨性能得到了顯著提升，但河砂與機制砂復合使用時混凝土的耐磨性最差。

圖3 細骨料種類對混凝土力學性能的影響Fig.3 Effect of fine aggregate types on mechanical properties of concrete

圖4 細骨料種類對混凝土耐磨性能的影響Fig.4 Effect of fine aggregate types on wear resistance of concrete

2.2 砂率對路面混凝土性能的影響

圖5為砂率對混凝土力學性能的影響。砂率從28%提高到34%，混凝土抗壓強度先增大后減小，混凝土7 d抗壓強度在砂率為32%時達到最大為58.5 MPa，混凝土28 d抗壓強度在砂率為30%時達到最大為74.7 MPa(見圖5(a))。砂率從28%提高到34%，混凝土7 d抗折強度變化不明顯，基本穩定在5.5 MPa，28 d抗折強度在砂率34%時達到最大為7.3 MPa，砂率為32%時最小為6.8 MPa，相差僅為0.5 MPa(見圖5(b))。由此可見，砂率對混凝土強度幾乎沒有影響。混凝土單位面積磨損量隨砂率的增大而降低，由圖6可以看出，砂率從28%提高到34%，混凝土單位面積磨損量從1.200 kg/m2降低到0.667 kg/m2。當砂率大于32%時，混凝土單位面積磨損量的降幅比較小，僅為7%，當砂率小于32%時，隨著砂率的提高，混凝土單位面積磨損量的降幅保持在23%左右。

圖5 砂率對混凝土力學性能的影響Fig.5 Effect of sand ratio on mechanical properties of concrete

圖6 砂率對混凝土耐磨性能的影響Fig.6 Effect of sand ratio on wear resistance of concrete

2.3 膠凝材料用量對路面混凝土性能的影響

膠凝材料用量從320 kg/m3提高到400 kg/m3，混凝土抗壓強度基本沒有變化，7 d、28 d抗壓強度極差分別為3.5 MPa、7.8 MPa，膠凝材料用量為340 kg/m3時，28 d抗壓強度達到最大，為91.7 MPa(見圖7(a))。隨著膠凝材料用量的提高，混凝土7 d抗折強度先降低后增加，當膠凝材料用量為360 kg/m3時，7 d抗折強度最低，為6.3 MPa。隨著混凝土養護齡期的增長，340 kg/m3膠材混凝土28 d抗折強度超過320 kg/m3膠凝材料的混凝土，達到9.5 MPa。隨著膠凝材料用量的增加，混凝土單位面積磨損量先降低后增加，其中340 kg/m3膠材混凝土單位面積磨損量最低，為0.320 kg/m2(見圖8)。由圖8可知，膠凝材料用量從320 kg/m3增加到340 kg/m3，混凝土單位磨損量降低46%。

圖7 膠凝材料用量對混凝土力學性能的影響Fig.7 Effect of the amount of cementitious material on mechanical properties of concrete

圖8 膠凝材料用量對混凝土耐磨性能的影響Fig.8 Effect of the amount of cementitious material on wear resistance of concrete

2.4 粗骨料級配對路面混凝土性能的影響

圖9為粗骨料級配對混凝土力學性能的影響。隨著16～31.5 mm骨料質量分數從25%增加到70%，混凝土7 d抗壓強度從68.6 MPa增加到72.9 MPa，增幅僅有6.3%，28 d抗壓強度均為87.0 MPa。由圖9(b)可知，混凝土28 d抗折強度隨著16～31.5 mm骨料用量的增加而提高，16～31.5 mm骨料質量分數為70%的混凝土7 d抗折強度為8.1 MPa。增加16～31.5 mm骨料用量，粗骨料總表面積減小，界面過渡區所占體積減小，而且16～31.5 mm骨料相互嵌接的概率較高，提高該粒徑區間骨料的含量能夠增強混凝土內部骨料嵌鎖作用，提高混凝土結構穩定性，因此抗壓與抗折強度有所增加。16～31.5 mm骨料用量的增加有利于提高混凝土耐磨性能，隨著16～31.5 mm骨料質量分數從25%增加到70%，混凝土單位磨損量從0.640 kg/m2降低到0.453 kg/m2，降幅達到29.2%(見圖10)。增加粗骨料粒徑，有利于提高混凝土的耐磨性能。

圖9 粗骨料級配對混凝土力學性能的影響Fig.9 Effect of coarse aggregate gradation on mechanical properties of concrete

圖10 粗骨料級配對混凝土耐磨性能的影響Fig.10 Effect of coarse aggregate gradation on wear resistance of concrete

2.5 水膠比對路面混凝土性能的影響

為了改變混凝土的強度，本研究混凝土水膠比在0.29～0.39變化。隨著水膠比的增加，混凝土7 d、28 d的抗壓強度與抗折強度都逐漸下降，如圖11所示。水膠比為0.29時，混凝土28 d抗壓強度為91.8 MPa，28 d抗折強度為9.3 MPa，而水膠比為0.39時，28 d抗壓強度與抗折強度分別下降到66.2 MPa和7.5 MPa，降幅為28%和19%。混凝土單位面積磨損量隨著水膠比的增大而增大。當水膠比大于0.33時，混凝土耐磨性能急劇下降，水膠比從0.33增加到0.35時，混凝土單位面積磨損量從0.640 kg/m2增加到0.880 kg/m2，增幅達到38%；然而水膠比從0.29增加到0.33，混凝土單位面積磨損量增幅僅有14%，同樣，水膠比從0.35增加到0.39，混凝土單位面積磨損量增幅僅有18%(見圖12)。

圖11 水膠比對混凝土力學性能的影響Fig.11 Effect of W/B on mechanical properties of concrete

圖12 水膠比對混凝土耐磨性能的影響Fig.12 Effect of W/B on wear resistance of concrete

2.6 細骨料種類與砂率對路面混凝土耐磨性能的影響機制

混凝土摩擦損失包括硬化漿體的磨損、骨料的磨損和剝落，同時骨料的剝落伴隨著初始缺陷的形成。石灰巖機制砂摩爾硬度為3，遠低于河砂(石英)的摩爾硬度(為7)，理論上機制砂自身耐磨性能比河砂差。但機制砂棱角較多，與水泥漿的機械咬合力較強，在抵抗外界磨損過程中不易脫落，間接提升了機制砂抵抗磨損的能力(見圖13)。因此，機制砂有利于增強骨料間相互作用及與漿體粘結能力，進而實現機制砂混凝土耐磨性能的提升。當河砂與機制砂復合使用時，河砂首先從基體中剝落產生初始裂紋或孔隙，在外加荷載作用下，機制砂顆粒棱角附近發生應力集中，加速了初始缺陷的擴展與合并，加劇了骨料及硬化漿體的剝落，進而表現為宏觀磨損量提高，因此河砂與機制砂復合使用時混凝土的耐磨性最差。

混凝土澆筑硬化后通常分為兩層(見圖14)，5～10 mm的表面砂漿層和下方混凝土層。混凝土單位面積磨損量隨砂率的減小而增大，這與砂漿中細骨料所占體積有關。混凝土最先抵抗外界磨損的部位是表面砂漿層，砂率提高，那么細骨料所占砂漿的體積分數增大，細骨料承擔外界磨損的面積增大，加之細骨料抵抗外界磨損的能力優于水泥漿，因此砂率增加，混凝土耐磨性會相應提高。

圖13 細骨料種類對混凝土耐磨性能影響機制示意圖Fig.13 Illustrating diagram for mechanism of fine aggregate types on wear resistance of concrete

圖14 砂率對混凝土耐磨性能影響機制示意圖Fig.14 Illustrating diagram for mechanism of sand ratio on wear resistance of concrete

2.7 膠凝材料用量與粗骨料級配對路面混凝土耐磨性能的影響機制

可以采用漿骨比研究膠凝材料用量與骨料用量對混凝土耐磨性的影響。如圖15所示，提高膠凝材料用量會使富余漿體體積增大，進而提高了骨料間距，應力由骨料及骨料間大量存在的漿體共同承擔，由于硬化漿體本征力學性能遠弱于骨料，此時混凝土整體剛度下降，對磨削作用的抵抗能力下降，混凝土耐磨性降低；骨料用量過高時，部分骨料直接接觸，混凝土受力時骨料易發生相對滑移導致骨架結構失穩，致使骨料剝落，混凝土耐磨性變差。當漿骨比處于合適范圍內，粗骨料表面漿體包裹層厚度適當，形成一種穩定嵌接架構，骨料之間的嵌鎖作用增強，進而提高了混凝土力學性能與耐磨性能。因為粒徑較大的骨料之間嵌接的接觸面積大，因此粗骨料粒徑的提高進一步增強了骨料的嵌鎖作用，混凝土結構更加穩定，耐磨性能再次得到改善，這與Khasawneh等[18]的研究結果相符。

圖15 漿骨比對粗骨料架構的影響示意圖Fig.15 Illustrating diagram for the effect of paste-aggregate ratio on coarse aggregate skeleton

2.8 路面混凝土力學性能與耐磨性能關系

理論上，混凝土強度越高，骨料與漿體的黏結能力越強，耐磨性能越好。砂率、細骨料種類和粗骨料級配相同的情況下，通過改變水膠比調控混凝土的抗壓、抗折強度和單位面積磨損量，獲得了抗壓、抗折強度與磨損量的關系(見圖16)。混凝土抗壓強度與磨損量并不是線性相關，符合冪函數特征(見式(2))，即提高混凝土抗壓強度，可降低混凝土磨損量，這與Siddique等[19]和Singh等[20]的研究結果一致，但是當抗壓強度大于75 MPa時，提高強度改善耐磨性能的效果不顯著，單純提高抗壓強度難以實現混凝土耐磨性顯著提升，這有助于規避混凝土耐磨性優化過程中的低效改進。混凝土抗折強度與磨損量的相關系數R2為0.904 2，表明抗折強度與磨損量相關性更顯著，說明混凝土耐磨性能對抗折強度更加敏感，驗證了骨料與水泥漿體剝離是影響耐磨性能的主要因素。

(2)

(3)

式中：Fcu為混凝土抗壓強度，MPa；Ff為混凝土抗折強度，MPa。

圖16 混凝土力學性能與耐磨性能的相關性Fig.16 Correlation between mechanical properties and wear resistance of concrete

綜上研究分析，磨削首先作用于混凝土表面砂漿層，隨著磨損深度的增加，磨削作用由砂漿與粗骨料共同承擔。降低水膠比本質上是提高骨料間黏結漿體的強度，保證砂漿及粗骨料嵌接結構的穩定性。砂率提高，意味著細骨料的體積分數增大，表面砂漿層受磨損作用時，增大高剛度細骨料更有利于降低磨損量。與細骨料相比，粗骨料更難從混凝土中剝離，對磨削作用具有更高的抵抗效果，因此不能過分提高砂率，以充分發揮粗骨料對耐磨性的貢獻。通過粗骨料級配優化調整，能增強骨料間的嵌擠作用，促使外加應力在骨架結構中的均勻傳遞與分散，保證耐磨性能的持續提升。因此，對路面混凝土配合比的設計有如下建議：機制砂與漿體有較強的機械咬合力，細骨料宜選用機制砂；砂率大于32%時，提高砂率改善混凝土耐磨性能的效果不再顯著，故砂率建議為32%；膠凝材料用量影響混凝土中粗骨料架構類型，建議膠凝材料用量控制在(340±10) kg/m3，此時粗骨料表面漿體包裹層厚度適當，粗骨料的嵌鎖作用最強，在此基礎上，增大粗骨料公稱粒徑，5～10 mm、10～20 mm、16～31.5 mm粗骨料級配為5 ∶25 ∶70時，可獲得耐磨性能較好的混凝土。

3 結 論

(1)與河砂混凝土相比，機制砂混凝土單位面積磨損量減少了58.3%，在28%～34%的砂率范圍內，砂率為34%的混凝土耐磨性能最好，單位面積磨損量為0.667 kg/m2。機制砂本征耐磨性能優于水泥砂漿，且棱角多、表面粗糙，與水泥漿的機械咬合力強，隨著砂率提高，細骨料所占砂漿的體積分數增大，所以選用機制砂并且提高砂率有助于提高混凝土耐磨性能。

(2)340 kg/m3膠凝材料用量的混凝土單位面積磨損量最低，僅為0.320 kg/m2；混凝土單位面積磨損量隨著粗骨料公稱粒徑增大而降低。漿體量與骨料量達到合適的比例時，粗骨料形成嵌鎖架構，粗骨料公稱粒徑越大，嵌鎖作用越強，降低了骨料被剝落風險，進而提高了混凝土力學性能與耐磨性能。

(4)路面混凝土宜選用機制砂，建議砂率為32%，16～31.5 mm的碎石質量分數為粗骨料總量的70%，膠凝材料用量控制在(340±10) kg/m3，水膠比為0.33，此時路面混凝土耐磨性能較佳。