機制砂混凝土力學性能及抗滑性能研究

朱文平ZHU Wen-ping

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，蘭州 730050）

0 引言

隨著基建行業的快速發展，天然砂資源的逐步枯竭，現有天然砂資源不能滿足日益增加的需求量，開采天然砂不僅會毀壞河流、擾亂生態，而且還會大量增加經濟成本。然而機制砂不僅資源豐富，且開采簡便，且在建筑行業中完全可以替代天然砂。但機制砂由于產地及母巖的差異性，會導致所澆筑的混凝土強度不一，故而需要進一步研究其力學性能及耐久性能，為后面的應用提供理論及技術指導。

針對機制砂混凝土力學性能及抗滑性能的研究有許多，其中郭宏等[1]選用了輝綠巖、玄武巖、石灰巖及片麻巖四種粗骨料，探究不同強度粗骨料對大流態混凝土抗壓力學值的影響規律。鄧蕾等[2]針對花崗巖機制砂混凝土流變性能、抗壓強度、彈性模量、干縮及徐變進行了研究。黃志剛等[3]文中以花崗巖機制砂為細集料，研究機制砂細度模數、石粉含量對C50 混凝土工作性和力學性能的影響及黑云母含量對機制砂需水量比和砂漿強度的影響。張大鵬等[4]選用石灰巖機制砂配制不同強度等級的混凝土，研究和評價石灰巖機制砂混凝土的工作性能、力學性能以及抗氯離子滲透性能、抗鹽凍等混凝土耐久性能。劉朝暉等[5]總結了國內外對水泥混凝土路面抗滑性研究，認為路面在使用期間的抗滑性能主要受到細集料、粗集料、表面處理工藝、路面污染、溫度及季節、交通荷載和路面干濕狀態等的影響。趙方冉等[6]基于刻槽法的宏觀構造特征，研究了紋理間距、凸體棱角坡度和凹陷深度對路面抗滑性能的影響，發現凹陷深度對抗滑性能的影響明顯，凹陷深度越大，抗滑性能越好。劉英等[7]研究了不同紋理下的水泥混凝土路面抗滑性與降噪特性，發現不同紋理下的噪聲值不同，多孔、露石和縱向刻槽下的噪聲值與瀝青路面相差不大，且能提供良好的抗滑性。容洪流等[8]采用擺式摩擦法與表面回彈法，研究了水灰比、砂率、機制砂摻率、石粉含量等因素的影響，基于灰色系統理論對各影響因素進行了重要性排列。陳飛宏等[9]以機制砂與河砂制備混凝土，研究石粉、砂率、細度模數、河砂摻量及W/C 等因素對混凝土抗滑性能的影響。

綜上所述，目前關于機制砂混凝土的抗滑性能問題的研究也取得大量成果，但對于區域性的石灰巖機制砂混凝土的抗滑性能問題鮮有研究。本研究通過優選不同料場的石灰巖機制砂，然后對比不同巖性機制砂抗壓強度，最后確定石灰巖機制砂為基準，探究不同因素對機制砂混凝土的抗滑性能的影響規律。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

①水泥。為探究機制砂混凝土工作性能及力學性能，采用祁連山牌P.O 42.5 水泥，相關指標參數如表1 所示。②細集料。本文采用不同來源及巖性的機制砂，其基本技術指標分別如表2 所示。③粗骨料。機制砂混凝土的強度主要由粗骨料與細骨料相互膠結構成。粗骨料主要形成一個框架結構，其技術指標符合相關標準。④外加劑。外加劑為高性能減水劑，其基本技術指標如表3 所示。

表1 P.O 42.5 水泥技術指標

表2 細集料技術指標

表3 減水劑相關物理指標

1.2 試驗方案

①機制砂混凝土抗壓強度。

根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG3420-2020），設計混凝土150mm×150mm×150mm 立方體試塊，每組3 個，在澆筑成型后養護28d?？箟簭姸炔捎酶拭C交科集團標準試驗室的萬能試驗機進行。

針對不同料源、巖性機制砂對混凝土抗壓強度的影響規律，本研究設計型號為C30、C50 兩種混凝土配合比，其中減水劑的摻量均為1.20%。具體混凝土配合比設計如表4 所示。

表4 混凝土配合比設計表

②機制砂混凝土抗滑性性能。

根據《公路路基路面現場測試規程》（JTG 3450-2019），設計混凝土450mm×450mm×高120mm 大板試件，在澆筑成型后養護28d，然后刻槽，最后采用T 0964-2008擺式儀對路面混凝土抗滑性能進行測試。

2 試驗結果及分析

2.1 石灰巖機制砂對混凝土抗壓強度的影響

為探究不同地域的石灰巖機制砂在混凝土力學性能方面的差異，分別選取敦煌、平涼、永登的機制砂制備標準立方體混凝土試件，以7d、28d 抗壓強度為評價指標，以得出料源差異對混凝土強度的影響規律，其C30、C50 機制砂混凝土的抗壓強度變化規律如圖1、圖2 所示。

圖1 石灰巖料源對C30 機制砂混凝土的影響

圖2 石灰巖料源對C50 機制砂混凝土的影響

由圖1 可知，敦煌、平涼、永登的3 種機制砂混凝土的抗壓強度相差均不大，其7d 抗壓強度均在35MPa 左右，28d 抗壓強度均在50MPa 左右。敦煌、平涼、永登7d 抗壓強度分別為35.0MPa、34.2MPa、33.8MPa，28d 抗壓強度分別為49.8MPa、48.6MPa、48.1MPa，其差別在于，敦煌機制砂混凝土的抗壓強度最高，而來自永登機制砂混凝土的抗壓強度最低，7d、28d 強度相差分別為1.2MPa、1.7MPa。由該圖還可知，不同料源的石灰巖機制砂混凝土抗壓強度均隨著齡期的增大而增大，28d 相對7d 的抗壓強度分別增長了42.3%、42.1%、42.3%。

由圖2 可知，3 種料源的機制砂混凝土的抗壓強度相差均不大，其7d 抗壓強度均在45～50MPa 左右，28d 抗壓強度均在57.0～62.0MPa 左右。敦煌、平涼、永登7d 機制砂混凝土抗壓強度分別為49.3MPa、47.5MPa、45.6MPa，28d機制砂混凝土抗壓強度分別為61.5MPa、60.3MPa、57.9 MPa，其差別在于，敦煌的機制砂混凝土抗壓強度最高，而來自永登的機制砂混凝土抗壓強度最低，7d、28d 機制砂混凝土強度相差分別為3.7MPa、3.6MPa。由該圖還可知，不同料源的石灰巖機制砂混凝土抗壓強度均隨著齡期的增大而增大，28d 相對7d 的抗壓強度分別增長了24.7%、26.9%、27.0%，從抗壓強度隨齡期的增長率來看，抗壓強度越低的其強度增長率越高。

2.2 機制砂巖性對混凝土抗壓強度的影響

為探究不同巖性機制砂在混凝土力學性能方面的差異，分別選取石灰巖、輝綠巖、玄武巖、花崗巖的機制砂制備標準立方體混凝土試件，以7d、28d 抗壓強度為評價指標，以得出機制砂巖性對混凝土抗壓強度的影響規律，其C30、C50 機制砂混凝土的抗壓強度變化規律如圖3、圖4所示。

圖3 機制砂巖性對C30 混凝土的影響

圖4 機制砂巖性對C50 混凝土的影響

由圖3 可知，在C30 機制砂混凝土中，石灰巖、花崗巖、輝綠巖、玄武巖4 種巖性的機制砂混凝土的抗壓強度差異明顯，7d 抗壓強度分別為36.3MPa、30.0MPa、39.7MPa、38.5MPa，28d 抗壓強度分別為50.4MPa、42.3 MPa、55.1MPa、53.2MPa，其抗壓強度最高的為輝綠巖，玄武巖、石灰巖次之，最差是花崗巖，輝綠巖與花崗巖7d、28d 抗壓強度的差異分別為9.7MPa、12.8MPa。此外，不同巖性機制砂混凝土抗壓強度隨著齡期的增加而增加，28d相對7d 的抗壓強度分別增長了38.8%、41.0%、38.8%、38.2%。

由圖4 可知，在C50 機制砂混凝土中，石灰巖、花崗巖、輝綠巖、玄武巖4 種巖性的機制砂混凝土抗壓強度差異明顯，7d 抗壓強度在35.0～55.0MPa 之間，分別為49.1MPa、38.2MPa、52.7MPa、48.5MPa，28d 抗壓強度在50.0～65.0MPa 之間，分別為59.9MPa、52.1MPa、62.9MPa、60.5MPa，其抗壓強度最高的為輝綠巖，玄武巖、石灰巖次之，最差是花崗巖，輝綠巖與花崗巖7d、28d 混凝土壓強度的差異分別為14.5MPa、10.8MPa。此外，不同巖性機制砂混凝土抗壓強度隨著齡期的增加而增加，28d 相對7d 的混凝土抗壓強度分別增長了22.0%、36.4%、19.4%、24.7%。

由圖3、圖4 可知，石灰巖、輝綠巖、玄武巖3 種機制砂混凝土抗壓強度整體相差不大，但花崗巖機制砂混凝土抗壓強度明顯小于其它巖性。還可知，不論強度等級的大小，不同巖性機制砂所配混凝土的抗壓強度變化規律基本一致。

2.3 機制砂混凝土的抗滑性能

抗滑性能是路面混凝土的一個重要評價指標。為探究不同因素對路面機制砂混凝土的抗滑性性能的影響，選取水灰比、砂率、細度模數、石粉含量及宏觀紋理等主要影響因素進行試驗，以得出影響機制砂混凝土的抗滑性能的最佳定量值。

2.3.1 水灰比對機制砂混凝土抗滑性能的影響

設置混凝土配合比依次為0.35、0.40、0.45、0.50，石粉的含量為7%，混凝土砂率固定為36%，混凝土的坍落度保持在40～50mm 左右，表面提漿的厚度保持在3～4mm，養護28d 后進行刻槽（矩形槽凈間距15mm、深度2mm、寬度3mm），抗滑性測試結果如圖5 所示。

圖5 水灰比對機制砂混凝土抗滑性能的影響

由圖5 可知，隨著水灰比的不斷增加，機制砂混凝土的抗滑性能呈現出降低的趨勢，其水灰比為0.35、0.40、0.45、0.50 時，混凝土表面未刻槽對應的擺式摩擦系數分別為28.9、27.1、21.6、21.2，擺式摩擦系數保持在21～29 之間，混凝土表面刻槽對應的擺式摩擦系數分別為45.3、42.5、39.1、36.7，擺式摩擦系數保持在36～46 之間。由此可知，增大混凝土水灰比會降低其抗滑性能，此外，在相同水灰比的情況下，刻槽會顯著提升混凝土的擺式摩擦系數；分析可知，刻槽增大了機制砂混凝土表面的粗糙層度，從而增大混凝土表面的摩擦值，進而使得混凝土的抗滑性能變得更好。

2.3.2 細度模數對機制砂混凝土抗滑性能的影響

試驗固定砂率為36%、水灰比為0.39、石粉含量7%，細度模數設置為2.0 到3.5 之間變化，混凝土養護28d 后進行刻槽（矩形槽凈間距15mm、深度2mm、寬度3mm），研究其抗滑性的規律，如圖6 所示。

圖6 細度模數對機制砂混凝土抗滑性能的影響

由圖6 可知，隨著機制砂細度模數的不斷增加，機制砂混凝土的抗滑性能呈現出增大趨勢，機制砂細度模數為2.0、2.5、3.0、3.5 時，混凝土表面未刻槽對應的擺式摩擦系數分別為22.1、23.9、33.4、38.7，擺式摩擦系數保持在22～39 之間，混凝土表面刻槽對應的擺式摩擦系數分別為39.6、48.7、52.4、56.8，擺式摩擦系數保持在39～57 之間。由此可知，改變機制砂細度模數會改變其混凝土的擺式摩擦系數，進而改變其抗滑性能；由數據分析還可知，機制砂細度模數對其混凝土表面抗滑性能影響由為顯著，可見機制砂細度模數是決定混凝土表面抗滑性能的關鍵因素，此外，在相同細度模數的情況下，刻槽會顯著提升混凝土的擺式摩擦系數，分析可知，刻槽增大了機制砂混凝土表面的粗糙層度，從而增大混凝土表面的摩擦值，進而使得混凝土的抗滑性能變得更好。

2.3.3 砂率對機制砂混凝土抗滑性能的影響

設計混凝土水灰比為0.39，并固定機制砂石粉含量為7.0%，混凝土砂率為0.30、0.34、0.38、0.42，試驗室澆筑成型后送標準養護室養護28d，然后進行刻槽（矩形槽凈間距15mm、深度2mm、寬度3mm），研究其抗滑性的規律，如圖7 所示。

圖7 砂率對機制砂混凝土抗滑性能的影響

由圖7 可知，未刻槽前的混凝土擺值保持在21～31 之間，刻槽后的增量在16～20 之間。機制砂混凝土的抗滑性能隨著砂率增大而變差，表面粗糙程度的變化不明顯?；炷琳駬v時，上浮的水泥砂漿把石粉帶到表面，由此可知，增加砂率會使得表面砂漿層的石粉增多，導致粘著摩擦系數變小、抗滑性能變差等。

2.3.4 石粉含量對機制砂混凝土抗滑性能的影響

設計混凝土水灰比為0.39，并固定混凝土砂率為0.36，機制砂石粉含量為2.0%、7.0%、12.0%、17.0%，實驗室澆筑成型后送標準養護室養護28d，然后進行刻槽（矩形槽凈間距15mm、深度2mm、寬度3mm），研究其抗滑性的規律，如圖8 所示。

圖8 石粉含量對機制砂混凝土抗滑性能的影響

由圖8 可知，隨著機制砂石粉含量的不斷增加，機制砂混凝土的抗滑性能呈現出降低趨勢，機制砂石粉含量為2.0%、7.0%、12.0%、17.0%時，混凝土表面未刻槽對應的擺式摩擦系數分別為27.9、24.3、20.6、17.6，擺式摩擦系數保持在17-28 之間，混凝土表面刻槽對應的擺式摩擦系數分別為43.7、41.2、36.6、30.5，擺式摩擦系數保持在30～44 之間。由此可知，改變機制砂石粉含量會改變其混凝土的擺式摩擦系數，進而改變其抗滑性能；由數據分析還可知，機制砂石粉含量對其混凝土表面抗滑性能影響由為顯著，可見機制砂石粉含量是決定混凝土表面抗滑性能的關鍵因素，此外，在相同石粉含量的情況下，刻槽會顯著提升混凝土的擺式摩擦系數，分析可知，刻槽增大了機制砂混凝土表面的粗糙層度，從而增大混凝土表面的摩擦值，進而使得混凝土的抗滑性能變得更好。

3 結論

①不同料源的石灰巖機制砂混凝土抗壓強度均隨著齡期增大而增大，但敦煌、平涼、永登的機制砂對混凝土抗壓強度影響不大。②石灰巖、花崗巖、輝綠巖、玄武巖4 種巖性的機制砂混凝土抗壓強度差異明顯，其抗壓強度最高的為輝綠巖，玄武巖、石灰巖次之，最差是花崗巖。③在影響抗滑性因素中，細度模數越大，則抗滑性能越好，其余因素的增大均導致抗滑性能降低。