砂石材料對水泥混凝土耐久性影響研究

莫莫

（廣東華南混凝土有限公司， 廣東 廣州 510760）

對水泥混凝土的耐久性進行研究， 對于我國的發展、 人民的安全、 方便甚至環境的影響都有著重大的意義。 在水泥混凝土中， 砂石是最基本的、 最重要的原料。 但是， 由于天然砂石混凝土的耐久性遠不能滿足實際使用的需要， 所以研究人員需要對砂礫、 礫石等材料進行耐久性測試。 目前我國公路大多采用水泥混凝土路面， 對其耐久性的問題進行了大量的探討。 它不僅關系到建筑物的質量和人員的生命安全， 還關系到整個城市的經濟發展。

1 水泥混凝土的使用范圍與耐久性研究重要意義

水泥混凝土路面是一種具有高抗壓、 抗彎拉、抗磨等機械強度的硬質路面， 具有良好的穩定性，且受周圍環境溫度、 濕度的影響， 具有低成本、 低油耗等特點。 然而， 由于混凝土路面具有較高的反光強度， 嚴重影響了行車的視覺和安全性； 由于其抗滑、 彈性等特性較一般瀝青路面有較大的缺陷，因而在施工、 維修中要設置大量的接縫， 從而造成行車時的震動、 噪聲， 從而影響行車的舒適度； 水泥路面在施工、 養護、 開放等方面都沒有瀝青路面效率高、 使用方便等問題越來越突出， 從而加快了水泥路面產業的發展。 為解決施工中遇到的問題，科學、 高效地建造出實用、 美觀的水泥混凝土路面，應用滑模攤鋪技術， 實現水泥混凝土路面技術的質的飛躍， 改善和深化對技術需求的研究， 改善水泥混凝土路面的性能和施工技術， 緩解其它主要原材料的價格和短缺。 采用先進的智能化設備， 可以確保工期， 還能推動地區經濟發展。

2 國內外對水泥混凝土施工用的砂石材料的研究狀況

混凝土已有很長的歷史了， 隨著人們的生活和科技的進步， 各種不同的施工方法、 外加劑、 添加劑及其他新型材料也隨之出現。 隨著有關檢測技術的不斷推廣， 以及混凝土的應用領域不斷拓寬， 對其進行了深入的研究與開發。 目前， 關于人工砂的研究還處于起步階段。 人工砂中石粉摻量對水泥混凝土的耐久性影響是世界各國普遍關注的問題。 機制砂中含有的石粉對提高集料的聚集起著重要的作用。 其作用機制是利用石粉填充粗細集料與膠凝物料之間的間隙， 使混凝土結構緊密地嵌合在一起，降低了水化時毛細溝槽的產生， 從而極大地改善了混凝土的抗滲性能。 但若摻入大量石灰， 則水泥砂漿的防滲性能將下降。 采用最優摻量的石灰， 可使水泥砂漿的抗滲性得到最好的發揮。

目前， 我國公路工程正處于大規模發展階段， 水泥、 天然砂的消耗也十分巨大。 據估算， 中國2006年的水泥消耗總量大約為21 億m3， 單是水泥混凝土就消耗了15 億t。

3 研究砂石材料對水泥混凝土耐久性影響的方法

1） 前期調查工作： 搜集相關資料， 擬定具體的研究方案。

2） 原料的選用（見圖1）。

圖1 砂石材料的選擇

3） 確定試驗方案， 在公路建設中最常用的材料就是水泥混凝土。 目前， C40 和C50 是我國常用的預制梁， 只有少數幾座大型橋梁使用C50 以上的高強混凝土。 以廣元—巴中高速公路為例， 它周圍的資源十分豐富， 閃長巖和輝長巖的儲備量也較多，符合規范要求。 本文對堿集料的性能指標進行了對比。 選擇的因素及水平如表1 所示。

表1 試驗選用的因素與水平

4） 水泥混凝土的耐久性測試： 包含滲透測試、堿集料反應測試以及收縮性測試。 限于篇幅， 本文主要對堿集料反應進行耐久性測試， 該方法主要是判定砂巖物料中有無堿集料反應。

5） 結論。 由表2 可知[1]， 3d 后河砂、 閃長巖、輝長巖集料的膨脹率下降， 而灰泥則隨之收縮。 結果表明， 輝長巖水泥混凝土存在較大的變形， 從而引起裂縫， 只有石灰巖的膨脹率隨著時間的推移而增大。 但是， 混凝土的收縮還可以通過初期的化學反應和灰漿自身的收縮來實現。 另外溫度的變化會使試樣的長度變短， 造成熱膨脹和冷縮。

表2 不同巖性集料膨脹率

四種集料在第3d 的膨脹率最大， 具體見圖3。 由該圖可知， 三種集料的膨脹率均為0.1%至0.2%， 故不能判斷堿集料反應是否存在， 應采取混凝土棱柱法。 輝長巖的膨脹率在0.2%以上， 對堿-硅酸鹽反應是不利的。 在實際應用中， 應注意水泥中堿的含量， 盡量減少堿集料的用量， 并應采取相應的預防措施。

圖3 堿集料反應試驗

4 機制砂混凝土的耐久性能分析

4.1 水泥混凝土耐久性的影響因素

目前， 凍融、 化學侵蝕、 堿集料反應對水泥混凝土的老化有很大的影響。 它的耐久性是指混凝土本身的破壞能力和破壞因素的抗剪強度。

4.1.1 凍融循環

在天然環境中， 最常見的是凍融循環。 在凝固過程中， 水飽和水泥混凝土的毛細管壁既要承受膨脹又要承受滲透壓。 水泥混凝土裂縫是在兩種應力都超過了其抗拉強度時發生的， 經過反復的凍融，混凝土中的裂紋會彼此相連， 強度會逐步下降， 直至全部消失， 導致混凝土由內而外的損傷。 對于機械砂混凝土的抗凍性能， 有人認為機械砂混凝土比自然砂混凝土具有更好的抗凍性， 但也有人反對。張映全等人認為， 石粉對混凝土的粗孔隙結構有一定的影響， 對混凝土的抗凍性有較大影響[2]。

4.1.2 化學侵蝕

水泥混凝土是一種由固體， 液體， 氣體組成的多孔物質。 在混凝土中， 水化產物進入混凝土， 會產生一系列的化學反應， 經過不斷的反應， 會對混凝土本身的結構產生一定的不良影響。

4.1.3 堿集料反應

堿集料反應會引起混凝土產生裂縫， 嚴重時會導致混凝土損壞。 在混凝土中， 這樣的損傷是很難預防、 阻止、 修復和補救的。 它是混凝土中的"癌癥"， 是影響其耐久性的一個主要因素。 所述反應要求： 第一， 具有一定數量的堿性活化礦物集料； 第二種方法是將水泥、 集料、 外加劑和水添加到混凝土中， 或在有利于堿滲透的條件下； 第三個步驟是為反應器提供必要的濕氣以使其吸收和擴張。

堿含量、 集料的反應能力、 孔隙水等是影響集料反應的主要因素。 隨著堿含量的增加， 反應的膨脹率也會受到一定的影響。 若增加水泥水灰比， 則混凝土的孔隙率， 各種離子的分配都會隨之增大，水流速度也會隨之加快， 進而加快了堿集料的生成。當水灰比低于0.4 時， 水泥比減小， 其膨脹系數減小； 在水灰比大于0.4 的情況下， 隨著水泥比例的降低， 反應膨脹逐漸增加； 當水灰比達到0.4 時，混凝土的膨脹將會達到最大值； 而混凝土堿骨料的反應膨脹與其自身的性質、 粒度、 集料用量等因素有關。 若顆粒流速太大或太小， 則會顯著降低反應的膨脹。 由于水泥和水泥孔隙的存在， 還能減緩由于膠體水的吸收而引起的膨脹壓力， 從而使反應膨脹率隨孔徑的增加而降低[3]。

4.2 機制砂混凝土耐久性分析

機制砂是由機械粉碎、 篩分得到的粒度在4.75mm以下的巖石微粒， 不含風化的軟巖和風化的微粒。由于機制砂屬于機械粉碎， 其本身的特性決定了其使用壽命。 機制砂混凝土又稱水泥混凝土， 僅對細集料的種類進行變化。 與一般混凝土一樣， 對其耐用性有一定的影響。 影響水泥混凝土傳質性能的因素之一。 水和有害離子的入侵是造成水泥混凝土構件腐蝕的主要原因， 水泥混凝土的滲透性與其耐用性密切相關。

4.2.1 機制砂混凝土滲透性能與耐久性關系的探討

1） 滲透性能和機制砂混凝土的抗凍性， 抗凍性是衡量水泥混凝土防水能力的主要指標之一。 從以上研究結果可以看出， 在干混凝土中， 不存在凍害現象。 但若水泥混凝土的滲透性高， 則會在受濕條件下再次達到或超過臨界飽和。 因此， 在凍融環境中， 混凝土的滲透性是非常關鍵的。 滲透性對凍結前的臨界飽和度有一定的影響。 本文從理論上分析了混凝土滲透速率與凍融循環的相關性。

2） 滲透率和碳化作用機理砂混凝土的研究， 在設計混凝土的耐久性結構時， 首先要解決的問題就是碳化導致的鋼筋腐蝕問題。 在強堿性水泥混凝土中， 有一層致密的氧化膜會在鋼筋表面形成， 以阻止其侵蝕。

水泥混凝土的碳化反應很慢。 碳化速率可用一段時間的碳化深度來表達。 在混凝土中CO2的擴散機制下， 滲透速率與孔徑、 孔隙率有關， 也就是滲透系數。 目前， 國內外已有很多學者對混凝土碳化深度進行了預測， 并將其應用于混凝土的碳化深度評估[4]。

3） 堿集料對機制砂混凝土滲透性能的影響， 影響混凝土耐久性還有一個至關重要的因素就是堿集料反應， 目前， 它已成為國際上公認的主要原因。前面已有研究表明， 堿集料在水泥混凝土中的作用有三個基本條件： 堿性離子、 活化集料、 水。 堿-集料反應需要用到水。 在使用期間， 若堿集料的作用終止了， 則表明混凝土的內部含水量低于了80%。

4.2.2 機制砂物理特征

與中粗河砂比較， 機制砂具有以下特征： 1） 機械砂以灰白或黑色為主， 具有鋒利的顆粒， 類似于大量的石粉。 自然沙的外表是黃色的， 很少見到高的泥沙含量。 這就是人造沙與自然沙的最大差別；2） 機制砂具有粗糙、 鋒利、 多棱角等特征； 3） 機械砂微粒中存在許多微裂紋、 大孔隙度、 多個相互連接的開口孔隙、 比表面積大。

5 砂石材料對水泥混凝土耐久性影響的研究結果

5.1 對粗集料用量的研究結果

研究結果表明， 混凝土的耐久性與粗集料粒徑的大小有著密切的聯系。 若粗集料的粒徑大， 則其斷裂韌度也會有所提高； 粗集料的顆粒尺寸越大，集料與水泥漿體的初始裂紋越大， 集料與基質間的粘結力越弱， 其力學性能越差。 結果表明： 集料最大強度、 水泥漿強度和粗集料與基體的結合強度是影響水泥混凝土強度的重要因素。 這三個問題是當前研究的重點。

5.2 對水泥混凝土耐久性影響的研究結果

研究水泥混凝土耐久性能最主要的手段就是觀察其對化學腐蝕的響應。 這是一種化學侵蝕的反應，化學侵蝕的基本原理是由于在貯存過程中存在一定的介質， 會使混凝土中的空隙變大， 從而引起混凝土和空隙液的化學反應， 進而造成破壞， 大部分的混凝土破壞都是由水滲入到結構中。 混凝土裂縫的形成主要是由于其結構中存在著大量的裂縫、 裂縫和孔洞， 這些裂縫在荷載的作用下彼此相連。 結果表明， 混凝土的抗滲率降低， 內孔壓力增加， 引起混凝土的膨脹， 鋼筋腐蝕， 水冰破壞混凝土構件的內部破壞。 泥漿混凝土開裂的原因有很多種， 其中有溫度、 濕度、 摻雜、 收縮方式等。 水泥混凝土是一種新型的混凝土結構， 它在混凝土板上的開裂和伸縮縫的破壞是非常常見的。 若不及時進行保養，將造成產品出現質量問題[5]。

6 結語

中國的基礎設施建設是我國經濟發展的重要組成部分， 它不僅關系到人民的日常生活， 也關系到國家的經濟發展。 混凝土的大量應用不僅直接關系到工程的施工質量， 而且直接關系到公路的建設與發展。