破碎骨料坚固性对混凝土性能影响研究

樊 强

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,乌鲁木齐 830000)

0 引 言

混凝土一般是由砂子、石子、水泥和水按.照一定比例拌合而成,砂、石起骨架作用,称为骨料,对混凝土的性能有重要影响。许多科研工作者在混凝土骨料方面做了大量的研究:黄国兴从水工混凝土抗裂性的角度出发分析材料抗裂性和结构抗裂性,认为骨料的品质是影响混凝土抗裂性的重要指标;张桂华等对比分析天然和人工骨料混凝土的性能得出,人工骨料混凝土的力学性能、抗裂性、抗冻性均优于天然骨料混凝土;闫亚楠对4种岩性破碎骨料混凝土进行了抗裂性分析,得出正长岩混凝土抗裂性最好,大理岩和砂岩混凝土次之,玄武岩混凝土抗裂性最差;张学认为既使选用表观密度偏小,吸水率偏大,坚固性超标的砂岩骨料,只要采取现场混凝土配合比优化等措施也能保证大坝混凝土的质量;吴葵等认为人工骨料坚固性对混凝土氯离子扩散系数、抗冻性有一定影响;代玉华探讨了不掺加特殊外加剂情况下人工骨料坚固性对混凝土性能的影响,结果表明:拌制的W10F50C40常态混凝土各项指标均符合耐久性设计要求[1-4]。

然而目前对破碎骨料坚固性方面研究较少,但在施工中时常遇见破碎骨料坚固性超标问题。规范中规定的骨料坚固性指标是针对天然骨料提出的,对破碎骨料是否完全适用还有待商榷。文章选用细骨料坚固性值在6%～16%之间,粗骨料坚固性值在7%～26%之间的破碎骨料配制4组混凝土,通过混凝土拌合物性能试验力学性能试验耐久性能试验初步分析混凝土性能变化,为破碎骨料在混凝土中的应用提供参考。

1 原材料的选择

1.1 骨料原岩岩性特征

为不影响检测结果对其坚固性指标的真实判断并减少争议,现对骨料原岩岩性展开研究。本试验所用破碎骨料的原岩岩性主要有两种,一种是弱蚀变凝灰岩另一种是火山角砾岩,两种岩石的物理力学性能见表1。弱蚀变凝灰岩呈灰色,角砾凝灰结构,块状构造,主要由岩屑、晶屑以及少量玻屑等组成,岩石中见多条方解石脉体断续分布,其物理力学性能较火山角砾岩较差。

表1 破碎骨料原岩物理力学性能

1.2 不同坚固性骨料制备

前期试验结果表明料场不同区域岩石制备的破碎骨料坚固性差异较大,采用人工挑选的方法将岩石分为优、中、良、差四个等级,按照一定比例混合制备成坚固性不同的骨料并进行试验,试验结果见表2～表4。砂子坚固性在6.3%～15.2%范围内,细度模数在2.81～2.87之间,属于中粗砂,级配曲线几乎重合,除了坚固性值超标外其余指标均满足规范要求。小石坚固性在7.7%～19.3%范围内,超出规范≤5(有抗冻要求)的要求,吸水率在1.19～1.34之间,偏大但满足规范≤1.5的要求,其余指标也均满足规范要求。中石坚固性在10.7%～25.3%范围内,除了坚固性值超标外其余指标均满足规范要求。破碎骨料坚固性超标的原因主要是由于料场弱蚀变凝灰岩特性所致,细脉较发育,多裂隙,取芯时易断裂。

表2 砂子品质结果

表3 小石品质结果

表4 中石品质结果

1.3 其他原材料

水泥选用中抗硫酸盐硅酸盐水泥P·MSR42.5,比表面积为365m2/kg,3d抗折抗压强度分别为6.0MPa、29.6MPa,28d抗折抗压强度分别为8.4MPa、55.2MPa。

粉煤灰选用Ⅰ级F类,含水量为0.1%,细度为8%,需水量比为89%。

外加剂选用聚羧酸高性能减水剂和引气剂。

2 试验方法及结果分析

采用上述原材料按照骨料坚固性不同制备四种C35F300W10普通混凝土,编号为H1～H4,所用骨料搭配见表5。分别进行抗压试验、轴向抗拉试验、抗渗试验、抗冻试验、抗硫酸盐侵蚀试验及氯离子扩散系数试验,对比分析骨料坚固性对混凝土力学性能和耐久性能的影响。

表5 混凝土骨料搭配表

2.1 拌合物性能

采用水胶比为0.4,砂率为45%,粉煤灰掺量为25%,适当调整外加剂的掺量配制混凝土拌合物并测其性能,见表6。由拌合物性能试验结果可知,混凝土粗、细骨料的坚固性值在一定范围内变化对其塌落度、含气量、初终凝时间几乎没有影响,均能配制出满足施工流动性、和易性要求的混凝土。

表6 混凝土拌合物性能

2.2 力学性能

采用标准养护并按照《水工混凝土试验规程》中的方法进行抗压试验、轴向抗拉试验,结果如图1、图2所示。可知:4组混凝土28d抗压强度在43.8MPa～51.0MPa范围内,H1的抗压强度最大为51.0MPa,其余三组相当且都>C35混凝土的配制强度42.4MPa。28d轴向抗拉强度在3.17MPa～3.64MPa范围内,H2的轴向抗拉强度最大为3.64MPa,H3和H4的轴向抗拉强度几乎相同。

图1 混凝土抗压强度

随着骨料坚固性值的增大,混凝土的抗压强度和抗拉强度没有呈规律性的变化。可能因为破碎骨料使用的两种原岩本身抗压强度较高均在60MPa以上,配制的C35混凝土28d抗压强度均达到了42.4MPa配制强度要求,说明骨料的坚固性值不是影响混凝土强度的主要因素。由于骨料在破碎的过程中本身就会产生微裂纹,在坚固性试验时经受硫酸钠浸泡以及冷热交替循环的过程可能使骨料破碎,从而测得坚固性值较大。但在配制混凝土时骨料表面被水泥浆包裹形成一层水泥浆膜很好的填充和保护骨料本身的微裂纹,使得坚固性较差的骨料在混凝土中被保护,从而对混凝土强度影响不明显。

2.3 耐久性能

参照《水工混凝土试验规程》和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的试验方法进行混凝土抗渗、抗冻、氯离子扩散系数及抗硫酸盐侵蚀试验,结果见表7。由试验结果可知:4组混凝土抗渗等级均>W10;抗冻等级均达到F300,经过300次冻融循环试验后相对动弹模量相当,均>86%,远超规范60%的要求,具有良好的抗冻性能;4组混凝土的氯离子扩散系数在3.20×10-12m2/s～5.62×10-12m2/s之间,H1、H4混凝土的抗氯离子渗透性能相对较差,扩散系数是H2混凝土的1.7倍之多;经过150次硫酸盐侵蚀循环后,4组混凝土的耐蚀系数均>80%,满足规范75%的要求,抗硫酸等级>KS150,具有良好的抗硫酸盐侵蚀能力。

表7 混凝土耐久性能

3 结 论

通过对同一料场选取原岩加工、破碎、掺和得到坚固性值不同的骨料,经品质检测,除了坚固性值以外其余各项指标相当,具备一定的可比性。在试验范围内,可以得到如下结论:

1)骨料坚固性值在试验范围内波动对混凝土拌合物性能基本没有影响,流动性、和易性良好。

2)4组骨料均能配制出C35 的混凝土,28d抗压强度在43.8MPa～51.0MPa之间,抗拉强度在3.17MPa～3.64MPa之间。随着骨料坚固性值增加,混凝土的力学性能没有规律性变化。

3)4组混凝土的抗渗等级>W10,抗冻等级>F300,抗硫酸等级>KS150,骨料坚固性值不同,混凝土抗氯离子侵蚀性能变化较大,但都能满足耐久性能要求。