不同巖性粗骨料對大流態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度影響

郭 宏 盧京宇 賀鑫鑫

(1.山西鏵興工程檢測有限公司 山西太原 030012；2.北京建筑大學(xué) 北京 100044)

1 引言

混凝土是使用最為頻繁的建筑材料，其強(qiáng)度大小取決于以下兩點:一是水泥石自身的強(qiáng)度，二是粗骨料與水泥石之間的粘結(jié)強(qiáng)度。而對于高強(qiáng)度等級混凝土的強(qiáng)度，除了以上兩點，還有粗骨料強(qiáng)度自身大小的因素[1-3]。粗骨料在混凝土的作用主要包括:填充作用、構(gòu)架支撐作用、控制收縮作用，其在混凝土體積中的比例約為50%～70%[4]?，F(xiàn)有研究資料反映，最初的認(rèn)知，混凝土結(jié)構(gòu)主體是由骨料與水泥石粘結(jié)構(gòu)成，而包含粗、細(xì)骨料在內(nèi)的所有骨料都屬于惰性材料，只是在混凝土中物理性堆積，起填充作用而不參與任何反應(yīng)。但事實上，通過不斷研究，發(fā)現(xiàn)粗骨料在混凝土中的填充作用并不像表面上那么簡單，其自身的強(qiáng)度、顆粒形狀及吸水率等性能不僅會影響新拌混凝土的性能[5]，也會在一定程度上影響混凝土兩方面的性能，即耐久性能和力學(xué)性能[6-8]。

混凝土所用粗骨料的母巖強(qiáng)度，國內(nèi)現(xiàn)行國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范都做了明確規(guī)定，如 TB 10424—2018中要求:巖石的母巖抗壓值與混凝土力學(xué)抗壓值之比大于等于150%[9]；JTG/T 3650—2020要求:巖石母巖力學(xué)抗壓值與混凝土強(qiáng)度等級之比，C60及以上不小于200%，其余不小于150%[10]。對于普通混凝土如C50以下所用粗骨料，一般的天然巖石都滿足標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求的加工條件。在配制高強(qiáng)度等級高性能混凝土?xí)r，特別是C80以上強(qiáng)度等級的混凝土，需要選擇強(qiáng)度更高的天然巖石作為粗骨料[11]。

由于施工條件的限制，泵送混凝土被廣泛地應(yīng)用于實際工程中，而對大流態(tài)混凝土的研究也越來越深入。在高強(qiáng)且大流態(tài)混凝土中，混凝土的力學(xué)抗壓值是否決定于骨料的抗壓強(qiáng)度還有待研究。

本文將探討不同強(qiáng)度粗骨料對大流態(tài)混凝土力學(xué)抗壓值的影響規(guī)律。

2 原材料性能

水泥:采用P.O 42.5水泥，具體性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

粉煤灰、礦渣粉、硅灰性能指標(biāo)如表2所示。

表2 粉煤灰、礦粉、硅灰性能指標(biāo)

粗骨料:采用輝綠巖(產(chǎn)地:山西)、玄武巖(產(chǎn)地:山西)、片麻巖(產(chǎn)地:河北)、石灰?guī)r(產(chǎn)地:河北)加工而成的粗骨料，性能指標(biāo)如表3所示，通過對粗骨料進(jìn)行分級篩余，并按照累計篩余量進(jìn)行配制，使得各種粗骨料的級配大致相同；SEM觀察不同巖性粗骨料的表觀結(jié)構(gòu)，掃描電鏡照片如圖1所示。

表3 不同巖性粗骨料性能指標(biāo)

圖1 掃描電鏡放大粗骨料表觀織構(gòu)

細(xì)骨料:天然河砂(產(chǎn)地:山西斗羅)，篩分結(jié)果(Ⅱ區(qū)中砂)，其他指標(biāo):細(xì)度模數(shù)(2.40)，空隙率(36.4%)，堆積密度(1 740 kg/m3)，表觀密度(2 660 kg/m3)，含泥量(1.7%)。

聚羧酸高性能減水劑:產(chǎn)地(山西榮河)，減水率(26.7%)。

試驗用水:飲用水。

圖1顯示，輝綠巖、玄武巖、石灰?guī)r三種粗骨料表面凹凸不平、比表面積較大，凹凸不平的表面可以增大粘結(jié)面積，增大嚙合作用，改善骨料與水泥漿體界面過渡區(qū)的粘接強(qiáng)度，但是，比表面積的增大可能會降低新拌混凝土拌合物的流動性。片麻巖呈現(xiàn)片狀紋理，表面粗糙。

3 試驗結(jié)果及分析

通過聚羧酸減水劑適應(yīng)性試驗，由不同比例的水泥、粉煤灰、礦粉和硅灰組成膠凝材料[12]。

為研究分析粗骨料對不同強(qiáng)度等級混凝土力學(xué)性能的影響趨勢，在四個大流態(tài)強(qiáng)度等級混凝土中，使用輝綠巖、玄武巖、片麻巖及石灰?guī)r四種粗骨料，通過正交設(shè)計，形成十六個混凝土配合比，具體數(shù)值見表4。

表4 混凝土配合比設(shè)計參數(shù)kg/m3

根據(jù)表4配合比參數(shù)指標(biāo)，制備混凝土試件，按試驗設(shè)計需要養(yǎng)護(hù)至 7 d、14 d、28 d、56 d，然后進(jìn)行立方體力學(xué)抗壓檢測，根據(jù)試驗結(jié)果分析粗骨料對混凝土立方體力學(xué)抗壓值的影響。

3.1 C30混凝土

表4中C30強(qiáng)度等級的混凝土7 d、14 d、28 d、56 d不同齡期的力學(xué)抗壓值如圖2所示。

圖2 C30混凝土力學(xué)抗壓

由圖2可知，前期，混凝土力學(xué)抗壓值增速較快的為石灰?guī)r，可達(dá)38.1%；石灰?guī)r、片麻巖、輝綠巖、玄武巖粗骨料混凝土28 d力學(xué)抗壓算數(shù)平均值分別為 42.3 MPa、41.5 MPa、40.4 MPa、39.6 MPa。力學(xué)抗壓值數(shù)據(jù)趨勢驗證既有研究成果，即玄武巖、輝綠巖低于片麻巖、石灰?guī)r。

由于石灰?guī)r中含有的鈣成分較多，相對于其他巖性粗骨料，一定程度上促進(jìn)生成Ca(OH)2晶體及C-S-H凝膠，致使7～14 d齡期混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，從而提高了力學(xué)抗壓值。實驗表明片麻巖、石灰?guī)r粗骨料力學(xué)抗壓值低于玄武巖、輝綠巖粗骨料，但56 d齡期時混凝土力學(xué)抗壓值反而較高，分析原因，無論片麻巖、石灰?guī)r粗骨料的力學(xué)抗壓值還是彈性模量，均與硬化水泥漿體對應(yīng)值接近，因此對混凝土的力學(xué)抗壓值的提升略有幫助。此外，石灰?guī)r混凝土力學(xué)抗壓值略高于片麻巖混凝土，主要是因其表觀織構(gòu)多有凹凸，不但增加了粘結(jié)面積，而且增大了機(jī)械咬合。

3.2 C50混凝土

表4中C50強(qiáng)度等級的混凝土7 d、14 d、28 d、56 d不同齡期的力學(xué)抗壓值隨齡期的變化如圖3所示。

圖3 C50混凝土力學(xué)抗壓

由圖3可以看出，28 d前四種粗骨料混凝土力學(xué)抗壓值發(fā)展趨勢大致相同，早期混凝土力學(xué)抗壓值，片麻巖、石灰?guī)r低于輝綠巖、玄武巖；7～14 d，混凝土力學(xué)抗壓值增幅較快的為石灰?guī)r，其次為輝綠巖、玄武巖，石灰?guī)r可達(dá)20.5%；14～28 d，凝土力學(xué)抗壓值增幅較快的為輝綠巖、玄武巖，而片麻巖、石灰?guī)r則有所減緩；56 d時，四種粗骨料混凝土的力學(xué)抗壓值則較為接近。

石灰?guī)r、片麻巖的吸水率高于輝綠巖、玄武巖，因吸收更多的拌合水，從而減緩了水化反應(yīng)速度，影響了混凝土早期力學(xué)抗壓值，而輝綠巖、玄武巖則水化反應(yīng)相對充分，有利于早期力學(xué)抗壓值的增長；在混凝土養(yǎng)護(hù)后期，由于輝綠巖、玄武巖粗骨料在混凝土拌制過程中，吸收的水分較少，加之早期消耗，不能維持持續(xù)水化，致使增幅減緩甚至停止增長，相反，由于石灰?guī)r、片麻巖吸收了較多拌合用水，后期釋放反而有利于混凝土水化持續(xù)反應(yīng)，因此力學(xué)抗壓值持續(xù)增長，56 d后不同巖性粗骨料混凝土趨于接近。

3.3 C70混凝土

表4中C70強(qiáng)度等級的混凝土7 d、14 d、28 d、56 d不同齡期時力學(xué)抗壓值隨齡期的變化如圖4所示。

圖4 C70混凝土力學(xué)抗壓

由圖4可知，不同巖性粗骨料混凝土7 d時的力學(xué)抗壓值，石灰?guī)r、片麻巖偏低；統(tǒng)計整個養(yǎng)護(hù)期混凝土的力學(xué)抗壓值增幅，7～14 d，石灰?guī)r、片麻巖略高于巖輝綠、玄武巖，分別達(dá)23.1%和24.0%；14～28 d，石灰?guī)r、片麻巖有所減緩，略低于另外兩種巖石；28～56 d，所有巖性均有減緩趨勢。此外，整個養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，片麻巖混凝土的力學(xué)抗壓值均低于其他巖性混凝土。

C70強(qiáng)度等級混凝土配合比，由于水膠比降到0.31，在水化早期，輝綠巖、玄武巖的力學(xué)抗壓值與水泥硬化力學(xué)值較為接近，在力值作用時，兩者之間的應(yīng)力分布相對均勻，產(chǎn)生的形變相對一致、差異較小，有利于混凝土力學(xué)抗壓；石灰?guī)r與片麻巖粗骨料與另外兩種相比，吸水率較大，可能對用水量及外加劑等產(chǎn)生一定的吸附作用，減緩了水泥水化、加大了膠體收縮，從而在粗骨料與膠體界面產(chǎn)生裂縫，進(jìn)一步影響混凝土的力學(xué)抗壓值，使之低于輝綠巖、玄武巖。

3.4 C90混凝土

按表4配制C90強(qiáng)度等級混凝土配合比時，如果僅采用P.O42.5水泥是非常困難的，為確保其力學(xué)抗壓值達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，除了通過選擇較低的水膠比和較大的膠凝材料用量，還需選擇活性更強(qiáng)的硅灰來實現(xiàn)，因此要確保水泥早期水化有充足的水分，為此還需要通過改變養(yǎng)護(hù)方式，以減少混凝土試件表面水分的散失。具體做法是制作混凝土試件后立即帶模養(yǎng)護(hù)24～48 h，然后拆模進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，按實驗設(shè)計齡期，進(jìn)行力學(xué)性能檢測。7 d、14 d、28 d、56 d不同齡期各組混凝土力學(xué)抗壓值隨齡期的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 C90混凝土力學(xué)抗壓

由圖5可知，混凝土的力學(xué)抗壓值統(tǒng)計結(jié)果為:7～14 d，石灰?guī)r相對于其他巖性混凝土發(fā)展最快；14～28 d，玄武巖、輝綠巖的增幅相對于另兩種巖石較快；28 d時，四種巖性混凝土平均力學(xué)抗壓值從小到大依次為片麻巖、石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖，力學(xué)抗壓值均達(dá)到90 MPa以上，均值為102.2 MPa，與均值最大差值為4.6 MPa，力學(xué)抗壓值分別為:97.6 MPa、102.9 MPa、103.8 MPa、104.5 MPa。

另外，石灰?guī)r混凝土在7～14 d內(nèi)，不僅增幅最大而且力學(xué)抗壓值相對較高。分析原因，可能如前文所述是由于石灰?guī)r中含有較多的鈣質(zhì)成分，一定程度上有利于Ca(OH)2晶體和C-S-H凝膠填充物的生成，減少了空隙，改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使之更致密，從而提高混凝土的力學(xué)值。在14 d時，不同巖性混凝土的力學(xué)抗壓值相差10 MPa左右，介于90～97 MPa之間，石灰?guī)r混凝土的力學(xué)抗壓值相對較高的原因，可能是石灰?guī)r粗骨料與硬化漿體在受到應(yīng)力作用時形變較為一致，承受應(yīng)力能力更強(qiáng)，宏觀上，是兩者更趨向于一個整體決定的。14～28 d內(nèi)，混凝土力學(xué)抗壓值增速變化趨勢為玄武巖、輝綠巖略大于石灰?guī)r，玄武巖、輝綠巖含有較多的硅質(zhì)成分，在水泥水化過程中，可以提供充足的硅，水化生成凝膠體填充物較多，從而提高混凝土力學(xué)抗壓值。

4 結(jié)論

本文探討了4種巖性粗骨料對混凝土力學(xué)抗壓值的影響和變化規(guī)律，結(jié)論如下:

(1)在配制C30強(qiáng)度等級較低的混凝土配合比時，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，石灰?guī)r粗骨料混凝土力學(xué)抗壓值不僅在7～14 d內(nèi)增幅最快，且在7～56 d各齡期階段均相對較高。

(2)在配制中等強(qiáng)度等級C50混凝土配合比時，混凝土力學(xué)抗壓值統(tǒng)計數(shù)據(jù)反映，7～14 d內(nèi)，石灰?guī)r增幅最快，可達(dá)20.5%；28 d時，四種巖性粗骨料混凝土增幅基本接近，相對于輝綠巖、玄武巖，另兩種巖石，尤其是石灰?guī)r有所減緩。

(3)在配制較高強(qiáng)度等級C70混凝土配合比，進(jìn)行28 d時力學(xué)抗壓值檢測時，輝綠巖與玄武巖基本相同，均高于石灰?guī)r，而片麻巖最小。

(4)在配制高強(qiáng)度等級C90混凝土配合比，進(jìn)行28 d力學(xué)檢測時，不同巖性粗骨料混凝土力學(xué)抗壓值由小到大:片麻巖＜石灰?guī)r＜玄武巖＜輝綠巖；但混凝土力學(xué)檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果也顯示玄武巖低于石灰?guī)r，可能因為玄武巖母巖較堅硬，在加工成粗骨料過程中內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)微裂縫所致的緣故。