砂率對機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度及抗滑耐磨性能的影響分析

邢晗翰,周 坤,劉繼武,李舒陽

(1.中國葛洲壩集團(tuán)第一工程有限公司,湖北 宜昌 443008;2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;3.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國西部大開發(fā)的深入發(fā)展和西南陸海新通道的建設(shè),廣西道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正處于高速發(fā)展的快車道中。水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高、剛度大等特點,其廣泛應(yīng)用于高級公路、重載交通道路及農(nóng)村公路中[1]。到“十四五”末期,廣西公路通車總里程將達(dá)14×104km,水泥混凝土路面的建設(shè)仍處于高峰期。然而,作為混凝土原材料的河砂因過度開采消耗巨大,不僅資源耗盡枯竭,而且對綠色生態(tài)環(huán)境造成破壞。因此,尋求一種資源豐富且符合可持續(xù)發(fā)展的新砂源代替河砂尤為迫切。研究表明機(jī)制砂能代替河砂摻入混凝土中并能有效提升混凝土各項性能,滿足路面結(jié)構(gòu)性能基本要求[2-3]。

近年來,機(jī)制砂代替河砂在水泥混凝土路面中應(yīng)用逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點[4-5]。謝開仲等[6]針對不同顆粒級配機(jī)制砂對混凝土性能的影響規(guī)律開展了相關(guān)研究研究,結(jié)果表明隨著機(jī)制砂顆粒粒徑的不斷增大,混凝土工作性能和力學(xué)性能呈現(xiàn)先提升后降低的變化趨勢,當(dāng)力學(xué)性能的數(shù)值達(dá)到最大時,相比于天然砂混凝土提升了17.8%。陳飛宏等[7]研究了不同機(jī)制砂的水灰比對混凝土抗滑性和耐磨性的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)混凝土路面的抗滑性和耐磨性隨著水灰比的降低而不斷提升,提出為了提高機(jī)制砂路面混凝土抗滑耐久性,應(yīng)適當(dāng)降低混凝土的水灰比。李振懷等[8]通過開展不同石粉含量機(jī)制砂混凝土的坍落度試驗和抗壓強(qiáng)度試驗,對混凝土流動性和抗壓強(qiáng)度開展研究,結(jié)果表明,當(dāng)石粉含量不斷降低,對機(jī)制砂混凝土的流動性影響程度較大,而對強(qiáng)度影響程度較小。

當(dāng)石粉含量≤7%,機(jī)制砂混凝土具有較好的流動性和強(qiáng)度。砂率是影響機(jī)制砂混凝土各項性能的重要因素,但關(guān)于其對混凝土各項性能的研究相對較少。研究機(jī)制砂砂率對混凝土流動性、強(qiáng)度及抗滑耐磨性的影響規(guī)律是機(jī)制砂能否在道路材料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

因此,本研究制備了6種不同砂率(32%、34%、36%、38%、40%、42%)機(jī)制砂混凝土,通過開展混凝土坍落度測試、28 d抗壓強(qiáng)度劈裂強(qiáng)度測試、擺式摩擦及單位磨損量測試,研究不同砂率對機(jī)制砂混凝土的流動性、強(qiáng)度及抗滑耐久性的影響規(guī)律,為機(jī)制砂作為細(xì)骨料在道路材料領(lǐng)域的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及配合比設(shè)計

本次試驗采用的是P·O 52.5級水泥;采用的細(xì)骨料為卵石生產(chǎn)的機(jī)制砂,其粒徑級配符合2區(qū)中砂的要求,細(xì)度模量為2.8,表觀密度為2.56 kg/m3,吸水率為1.6%,泥塊含量為0.4%;采用的粗骨料為石灰?guī)r,壓碎值為18.4%,針片狀含量為1.1%,泥塊含量為0.3%,吸水率為0.3%,表觀密度為2.73 g/cm3;水為自來水;外加劑為聚羧酸減水劑。

為開展不同砂率對混凝土流動性、強(qiáng)度及抗滑耐久性的相關(guān)試驗研究,本研究采用6種不同的砂率,分別為32%、34%、36%、38%、40%、42%,設(shè)計了6組不同砂率混凝土,混凝土配合比設(shè)計如表1所示,其中水膠比為0.36,減水劑為1.3%,參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080-2016)制備混凝土試件。

表1 機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計數(shù)值表

1.2 試驗方法

為分析砂率對混凝土流動性、強(qiáng)度及抗滑耐久性的影響規(guī)律,按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080-2016)開展混凝土坍落度試驗;按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)開展混凝土28 d抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度試驗,混凝土試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm,達(dá)到28 d養(yǎng)護(hù)齡期;按照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG 3450-2019)開展抗滑性與耐磨性試驗,抗滑性采用擺式摩擦系數(shù)(擺值)進(jìn)行評價,耐磨性采用單位磨損量進(jìn)行評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 機(jī)制砂混凝土流動性

圖1為砂率對機(jī)制砂混凝土坍落度的影響曲線圖。從圖1可以發(fā)現(xiàn),隨著砂率不斷提高,混凝土坍落度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢。當(dāng)砂率為32%,混凝土坍落度為90 mm,為全組中最大值。隨著砂率增大到38%和40%,混凝土坍落度降低至5 mm,相比于砂率為32%時降低了94.44%。當(dāng)砂率為42%時,混凝土坍落度增大到20 mm,相比于砂率為42%時提升了300%。可以看出,砂率對混凝土流動性的影響程度較大,砂率的增大對混凝土的流動性有負(fù)面影響,砂率繼續(xù)增大,對流動性有著改善作用,但程度不大。當(dāng)砂率適宜(32%和34%)時,機(jī)制砂能有效填滿粗骨料之間的空隙,保證粗骨料間存在一定厚度的砂漿以至于減少骨料相互作用產(chǎn)生的滑動阻力,促使?jié){體流變性能增大,有利于提升混凝土的流動性[9]。當(dāng)砂率過大(>34%)時,由于骨料所占整體的表面積較大,導(dǎo)致包裹在骨料表面的水泥漿體厚度減小,削弱了水泥漿體對骨料的潤滑作用,同時砂率過大會增加混凝土中的含粉量,導(dǎo)致漿體的需水量增加,從而增加了混凝土的黏度,對漿體的流動性產(chǎn)生負(fù)面的影響[10-11]。因此,為有效保障混凝土流動性,機(jī)制砂的砂率不能過高。

圖1 不同砂率對機(jī)制砂混凝土坍落度的影響曲線圖

2.2 機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度

圖2和圖3分別為砂率對機(jī)制砂混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度的影響柱狀圖。從圖2可以看出,隨著砂率的不斷增加,抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)不斷降低的變化趨勢。當(dāng)砂率為32%時,混凝土抗壓強(qiáng)度為64.7 MPa,為全組中抗壓強(qiáng)度最高。隨著砂率從32%增大到36%,混凝土抗壓強(qiáng)度降低程度不大。當(dāng)砂率持續(xù)增大到42%,混凝土抗壓強(qiáng)度僅為52 MPa,為全組中抗壓強(qiáng)度最低,相比于砂率為32%時,降低了19.63%。這是由于當(dāng)砂率過大,混凝土中具有過多的漿體量,增加了包裹于骨料表面漿體厚度,削弱了骨料之間的咬合力,且砂率的增加提高了石粉含量,活性較低的石粉使得漿體與骨料之間的粘結(jié)力減弱,造成了混凝土的抗壓強(qiáng)度降低[12]。

圖2 不同砂率對機(jī)制砂混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響柱狀圖

圖3 不同砂率對機(jī)制砂混凝土28 d劈裂強(qiáng)度的影響柱狀圖

相比于抗壓強(qiáng)度,砂率對混凝土劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。從圖3可以看出,隨著砂率的不斷增加,混凝土劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先提升后降低的趨勢。當(dāng)砂率為32%時,劈裂強(qiáng)度僅為2 MPa,為全組中強(qiáng)度最低。隨著砂率增大到36%,劈裂強(qiáng)度為全組中最高(3.57 MPa),相比于砂率為32%時提升了78.5%。砂率的提高,增大了混凝土中石粉的含量,從而增多了漿體的總量,且石粉具有填充效應(yīng),能有效填充混凝土中的微孔隙微裂縫,有利于提升界面過渡區(qū)的強(qiáng)度,密實度得到進(jìn)一步提升,提高了混凝土劈裂強(qiáng)度[13]。隨著砂率持續(xù)增大,劈裂強(qiáng)度不斷降低。當(dāng)砂率為42%時,劈裂強(qiáng)度僅為2.9 MPa,相比于砂率為36%時降低了18.77%。

2.3 機(jī)制砂混凝土抗滑耐磨性能

不同砂率對機(jī)制砂混凝土擺值的影響如圖4所示。由圖4可以看出,隨著砂率的增大,混凝土擺值呈現(xiàn)先降低后升高再降低再升高的變化趨勢,說明機(jī)制砂混凝土抗滑性能先減弱后提升再減弱再提升。當(dāng)砂率為32%時,混凝土擺值為78。當(dāng)砂率增大到34%,混凝土擺值降低至73,為全組中最低,混凝土抗滑性能最差。隨著砂率繼續(xù)增大至36%,混凝土擺值為89,是全組中最高,混凝土抗滑性能為最強(qiáng)。當(dāng)砂率增大至38%、40%和42%,相比于砂率為36%時混凝土擺值呈現(xiàn)降低趨勢但變化程度不大,說明當(dāng)砂率>36%時,砂率對混凝土的抗滑性能影響不大。在混凝土攪拌澆筑過程中,機(jī)制砂中的石粉會跟著水泥漿體上浮至混凝土表面;隨著砂率的增大,混凝土表面的石粉增多,導(dǎo)致混凝土摩擦系數(shù)降低,抗滑性能減弱[14]。

圖4 不同砂率對機(jī)制砂混凝土擺值的影響柱狀圖

不同砂率對機(jī)制砂混凝土單位面積磨損量如圖5所示。由圖5可以看出,隨著砂率的增大,單位面積磨損量呈現(xiàn)先增大后降低再增大的變化趨勢。當(dāng)砂率為32%時,磨損量為0.6 kg/m2,為全組中最低,說明砂率為32%時的機(jī)制砂混凝土有著最優(yōu)的耐磨性能。當(dāng)砂率增加至38%,磨損量為1.55 kg/m2,為全組中最高,說明砂率為38%時機(jī)制砂混凝土的耐磨性能最差。當(dāng)砂率過大,混凝土中水泥砂率體積增大,由于砂漿相比于碎石等粗骨料相對脆弱,使得混凝土的磨損量提高,導(dǎo)致混凝土的耐磨性變差[15]。

圖5 不同砂率對機(jī)制砂混凝土單位面積磨損量的影響柱狀圖

3 結(jié)語

本文通過開展不同砂率機(jī)制砂混凝土坍落度測試、抗壓強(qiáng)度測試、劈裂強(qiáng)度測試、擺式摩擦及單位磨損量測試,評價砂率對機(jī)制砂混凝土流動性、強(qiáng)度及抗滑耐磨性能的影響,得到以下結(jié)論:

(1)隨著砂率的增加,機(jī)制砂混凝土的流動性呈現(xiàn)先降低后提升的變化趨勢。當(dāng)砂率為32%時,機(jī)制砂混凝土有著最優(yōu)的流動性,坍落度高達(dá)90 mm。

(2)28 d抗壓強(qiáng)度隨著砂率的增加呈現(xiàn)不斷降低的變化規(guī)律,當(dāng)砂率為32%時,抗壓強(qiáng)度為64.7 MPa,相比于砂率為42%時提升了24.42%。而28 d劈裂強(qiáng)度則隨著砂率增加呈現(xiàn)先提升后降低的趨勢,當(dāng)砂率為36%時,劈裂強(qiáng)度為3.57 MPa,相比于砂率為32%時提升了78.5%。

(3)抗滑性能隨著砂率的增大呈現(xiàn)先減弱后提升再減弱再提升的趨勢,當(dāng)砂率為36%時,混凝土抗滑性能為最強(qiáng)。而耐磨性能隨著砂率的增加呈現(xiàn)先提升后減弱再提升的趨勢,砂率為32%時的機(jī)制砂混凝土有著最優(yōu)的耐磨性能,砂率為38%時機(jī)制砂混凝土的耐磨性能最差。