壓制成型海砂混凝土路面磚力學性能試驗研究★

徐若男，張軍浩，彭慶慶，王騰飛，黃倩峰，趙俊亮

(1.浙江甌越交建科技股份有限公司,浙江 溫州 325000; 2.溫州大學建筑工程學院,浙江 溫州 325035)

混凝土路面磚在城市人行道、公園、廣場等場所應用廣泛。混凝土路面磚的生產通常采用振壓成型或壓制成型工藝[1-2]。在該生產工藝中,混凝土為干硬性混凝土,拌合料基本沒有流動性,需要通過外部機械壓力和振動使其達到密實。該工藝的優點是單位體積水泥用量更低、經濟性更好,且壓制成型后可立即脫模,能提高模具的周轉率和生產效率。

近年來,國內外普遍面臨淡水河砂的短缺,很多學者聚焦于尋找河砂的替代品。其中,海砂資源具有儲量大、開采成本低的特點。然而,海砂中由于含有氯離子,會加速鋼筋的銹蝕,引起“海砂屋”等工程事故[3]。因此,我國規范規定,海砂不能直接用于鋼筋混凝土結構,而需經過淡化處理,使其氯離子含量低于規范限值[4]方可使用。然而,海砂淡化過程需要消耗大量淡水資源[5],不僅提高了海砂的利用成本,而且容易引發二次污染。近年來,很多學者致力于在非金屬配筋混凝土中直接使用未淡化海砂,甚至海水用于混凝土的拌合,并取得了良好的成效[6-8]。

在混凝土路面磚中,通常不配置鋼筋,因此,也無需擔心海砂中氯離子的影響。同時,現有研究表明,氯離子對混凝土本身并不會產生有害影響,反而有助于加快水泥的水化進程和提高混凝土的早期強度[9-11]。因此,本研究提出采用未淡化海砂進行混凝土路面磚的生產。為了驗證其可行性,本文對不同配合比的海砂混凝土路面磚的基本力學性能進行了測試和討論。

1 試驗研究

1.1 路面磚制作工藝

設計了混凝土路面磚壓制的專用模具,如圖1所示,該模具由4塊側板和1塊底板組成,側板與底板通過螺栓組裝形成整體,并與一個獨立的鋼制壓塊配合使用,壓塊尺寸略小于模具,從而使其能夠壓入模具內部。模具內部平面尺寸為200 mm×100 mm,高度為100 mm。試驗中,首先將一定量混凝土拌合料填入模具,手工調平后將壓塊放入模具頂部并對中;然后將整個模具置于壓力機下以600 kN/min的速率壓至20 MPa(400 kN)應力水平,并保持1 min,之后進行卸載;卸載后,拆除模具連接螺栓實現路面磚的脫模,取出路面磚(如圖2所示)并放入養護室進行養護。本研究采用的路面磚壓制成型后的厚度均為60 mm。

1.2 原材料及配合比

制作路面磚的原材料包括:石子、海砂、水泥、淡水。其中石子為粒徑5 mm～10 mm的碎石;試驗用海砂篩分曲線如圖3所示,細度模數2.08,屬于Ⅲ區砂[12];水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥;拌合用水為普通自來水。

混凝土配合比根據前期研究確定[13-14],本研究共探討了5種不同的配合比,具體如表1所示。其中,前4個配合比均采用未淡化海砂,但采用了不同的水灰比;第5組與第4組采用相同的配合比,但第5組的海砂經過了淡化處理。海砂的淡化通過將其浸泡于足量淡水中1個星期,中間換水2次,最終撈出烘干得到。

表1 混凝土配合比

1.3 力學性能測試方法

本研究對標準養護3 d,7 d,14 d和28 d的路面磚按GB 28635—2012混凝土路面磚[15]進行了抗壓和抗折強度測試。抗壓強度測試在500 t電液伺服壓力機上進行;抗折強度試驗采用30 t電子萬能試驗機進行,試驗裝置如圖4所示。每個配合比每個齡期測試3個抗壓和3個抗折試件,并取其平均值進行分析,共進行了60個抗壓強度測試和60個抗折強度測試。

2 試驗結果與分析

圖5為路面磚典型抗壓和抗折破壞模式。受壓破壞主要表現為側面混凝土剝離、酥落;抗折破壞一般在磚中部產生豎向通縫而斷裂成兩半。不同配合比路面磚破壞模式基本相似。

表2,表3分別給出了路面磚抗壓強度和抗折強度測試結果,表中數據均為3個試塊的平均值。圖6,圖7給出了不同齡期的抗壓強度、抗折強度與對應28 d強度的比值隨齡期變化的曲線。由試驗結果可知,路面磚抗壓強度、抗折強度均隨齡期增大而提高。平均來講,3 d,7 d和14 d抗壓強度為28 d抗壓強度的78.6%,86.5%和93.3%;3 d,7 d和14 d抗折強度為28 d抗折強度的76.1%,82.0%和92.4%。

表2 路面磚抗壓強度測試結果 MPa

表3 路面磚抗折強度測試結果 MPa

圖8,圖9對比了相同齡期下,不同配合比路面磚的抗壓強度和抗折強度。在相同齡期下,抗壓強度、抗折強度由配合比1到配合比4逐步提高,即路面磚的抗壓強度和抗折強度均隨水灰比的增大而增大。以28 d強度為例,水灰質量比由0.29(配合比1)增加至0.35(配合比4),抗壓強度提高了70.6%,抗折強度提高了28.2%。其原因是隨著水灰比的增大,混凝土的流動性提高,更容易在機械壓力下達到密實,從而提高其強度,且磚的密實程度對抗壓強度的影響大于對抗折強度的影響。然而,水灰比過大,容易導致路面磚脫模后出現“鼓腰”變形,影響其品質,因此,建議水灰比不宜過大。

此外,對比配合比4和配合比5,兩者采用了相同的配合比,但前者采用未淡化海砂,后者采用淡化海砂。在各齡期下,采用未淡化海砂路面磚的抗壓強度均高于采用淡化海砂的路面磚。28 d時,采用未淡化海砂的路面磚抗壓強度比采用淡化海砂路面磚高約10.5%。在抗折強度方面,采用未淡化海砂和淡化海砂的路面磚測試結果比較接近,兩者差別一般在5%以內,即淡化與否對路面磚的抗折強度影響有限。

3 結論

通過對不同配合比海砂混凝土路面磚不同齡期的抗壓強度測試和抗折強度測試,本研究主要結論如下:

1)在本研究范圍內,壓制成型混凝土路面磚抗壓強度和抗折強度均隨水灰比增大而增大,其原因是隨水灰比增大,混凝土更容易被壓制密實。

2)壓制成型混凝土路面3 d強度約為28 d強度的75%左右,14 d可達28 d強度的90%以上,整體強度發展較快。

3)使用未淡化海砂制作的路面磚抗壓強度較使用淡化海砂的路面磚高約10.5%,兩者抗折強度比較接近。