不同集料組合對C40水泥混凝土路面耐久性能的影響研究

劉貞鵬 楊宇

摘要：為提升C40水泥混凝土路面的耐久性，同時豐富路面建設材料來源，文章對砂巖碎石+天然砂（A）、砂巖碎石+砂巖機制砂（B）、玄武巖碎石+天然砂（C）三種集料組合下水泥混凝土進行了耐久性對比試驗。結果表明：從抗水滲、抗氯離子滲透、抗碳化、抗凍、抗硫酸鹽侵蝕和早期抗裂性試驗結果來講，均表現為A>C>B；三種集料組合下，抗水滲透性均＞P30，抗氯離子滲透性均滿足100年的設計使用需求，A組的抗碳化能力滿足T-Ⅴ等級，B組和C組的抗碳化能力滿足T-Ⅳ等級；在材料允許情況下，應優先使用天然砂作為細集料，選用砂巖碎石作為粗集料，當天然砂不足時，也可采用砂巖機制砂作為細集料，配制的C40水泥混凝土也同樣具有良好的耐久性。

關鍵詞：水泥混凝土；砂巖；玄武巖；機制砂；天然砂；集料；耐久性

中圖分類號：U416.03 A 16 47 2

0 引言

水泥混凝土路面是應用較為成熟的路面形式，在山區公路建設中較為常見，在當前基礎設施建設中，原材料的采集、運輸與使用問題日益突出，如果采用外運砂石骨料的方法，成本過高，因而一般采取就地取材的方式，從而達到節約成本的目的［1-2］。砂巖和玄武巖在我國各地區都有廣泛分布，因此如何有效利用當地的建材資源成為當前工程建設的一大重點［3-4］。本文對砂巖碎石+天然砂、砂巖碎石+砂巖機制砂、玄武巖碎石+天然砂三種集料組合下水泥混凝土的耐久性進行了對比試驗，探討如何利用集料組合來提升水泥混凝土路面的耐久性，可為水泥混凝土道路建設提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，平均密度為3.2 g/cm3，比表面積為360 m2/kg，標準稠度用水量為27%，初凝和終凝時間分別為145 min和295 min，28 d抗折和28 d抗壓強度分別為6.9 MPa和44 MPa。

粗集料：包括砂巖碎石（粒徑為4.75～19 mm）和玄武巖碎石（粒徑為4.75～25 mm）兩種。砂巖碎石的表觀密度為2 650 kg/m3，堆積密度1 610 kg/cm3，壓碎值為13%，針片狀含量為4.8%，平均吸水率1%，堅固性1%，含泥量0.3%；玄武巖碎石的表觀密度為2 850 kg/m3，堆積密度為1 580 kg/cm3，壓碎值為14.3%，針片狀含量為6%，平均吸水率1%，堅固性1.7%，含泥量0.4%。

細集料：包括天然砂和砂巖機制砂兩種，細度模數分別為2.8和2.86，表觀密度分別為2 670 kg/cm3和2 645 kg/cm3，自然堆積密度分別為1 511 kg/cm3和1 480 kg/cm3，孔隙率分別為34.3%和36.7%，含泥量分別為1.6%和2.2%，堅固性分別為4%和3%。

減水劑：采用聚羧酸高性能減水劑，1%摻量下的減水率為30.5%，泌水率為34%，含氣量3%，摻量宜控制在0.8%～1.4%。

水：實驗室自來水。

1.2 配合比

水泥混凝土設計強度等級為C40，通過初步配合比和基準配合比設計，最終得到實驗室配合比設計情況。試驗共設計三種不同粗細集料組成的水泥混凝土，分別為砂巖碎石+天然砂（編號為A）、砂巖碎石+砂巖機制砂（編號為B）、玄武巖碎石+天然砂（編號為C），水膠比均為0.4。不同集料C40水泥混凝土配合比情況見表1。

1.3 試驗內容和方法

對三種不同集料水泥混凝土分別進行抗水滲試驗、抗氯離子滲透試驗、抗碳化試驗、抗凍試驗、抗硫酸鹽侵蝕試驗和早期抗裂性試驗?？顾疂B試驗采用逐級加壓法，測量滲水高度；抗氯離子滲透試驗采用電通量法，在60 V電壓下測試混凝土試件在6 h內通過的電通量；抗碳化試驗采用碳化試驗箱對水泥混凝土碳化不同的時間，并利用酚酞溶液來測試碳化深度；抗凍試驗采用快速凍融試驗法，溫度為-20 ℃～20 ℃，每次凍融循環時間為8 h；抗硫酸鹽侵蝕試驗采用全自動混凝土抗硫酸鹽干濕循環試驗機，硫酸鹽的濃度為5%；早期抗裂性試驗溫度為20 ℃±2 ℃，濕度60%±5%，24 h后測試裂縫數量、長度和寬度。

2 試驗結果分析

2.1 抗水滲

不同集料配合比下水泥混凝土的抗水滲試驗結果見圖1。當逐漸加壓到3.2 MPa后，所有試件兩端并未出現滲水現象，表明三組水泥混凝土的抗滲等級均>P30，而工程要求的水泥混凝土抗滲等級>P12即可，因此不再繼續加壓，停止試驗。試驗結束后，測量A、B、C三組試件的平均滲水高度分別為7 mm、14 mm和11 mm，因此抗水滲能力A>C>B。這是因為天然砂相比機制砂具有更好的填充作用，因而A、C組的密實度高于B組，同時玄武巖的平均碎石粒徑要大于砂巖的平均碎石粒徑，集料粒徑越大的區域水膠比也越大，導致界面過渡區孔隙率也相對偏大，結構相對較疏松，故而A組的密實度大于C組，從而表現出A>C>B的抗水滲性能。

2.2 抗氯離子滲透

不同集料組合對C40水泥混凝土路面耐久性能的影響研究/劉貞鵬，楊 宇

不同集料配合比下水泥混凝土（56 d齡期）的抗氯離子滲透試驗結果見圖2。由圖2可知：A組的平均電通量最小，僅為775 C，其次為C組，為1 072 C，平均電通量最大的為B組，達到1 134 C，因此抗氯離子滲透性能排序為：A>C>B，與抗水滲試驗結果一致，密實度越高，水泥混凝土的抗氯離子滲透性能越好。對于C40水泥混凝土，100年設計使用年限下要求電通量<1 200 C，60年設計使用年限下<1 500 C，30年設計使用年限下<2 000 C，A、B、C三組水泥混凝土均滿足設計使用100年的要求。

2.3 抗碳化

不同集料配合比下水泥混凝土抗碳化試驗結果見表2。三組配合比水泥混凝土在碳化3 d、7 d和14 d后，均沒有出現碳化損傷，當碳化時間達到28 d后，A組仍然沒有出現碳化損傷，而B組和C組的碳化深度分別為2 mm和1 mm，表明抗碳化能力排序也為A>C>B。這是因為水泥混凝土的結構越致密，阻止CO2進入試件內部的能力越強。根據《混凝土耐久性檢驗評定標準》（JGJ/T 193-2009）對抗碳化等級的劃分，A組滿足T-Ⅴ抗碳化等級，B組和C組滿足T-Ⅳ抗碳化等級，利用砂巖碎石和天然砂可配制出抗碳化性能優良的水泥混凝土。

2.4 抗凍

不同集料配合比下水泥混凝土抗凍試驗結果見圖3。由圖3可知：在經過350次凍融循環后，A的質量損失率和強度損失率分別為2.17%和16.8%，B組的質量損失率和強度損失率分別為1.96%和21.7%，C組的質量損失率和強度損失率分別為2.52%和18.7%。質量損失率排序為C>A>B，強度損失率排序為B>C>A，由于質量損失率均未>55%，因此以強度損失率來評價抗凍性，即為A>C>B。三組集料配合比下均具有較好的抗滲性能，故試件不易達到飽和狀態，不易產生冰凍破壞，同時砂巖碎石粒徑小，而且天然砂填充性好，故孔結構連通性較少，可緩解水在水泥石中遷移產生的壓力破壞。

2.5 抗硫酸鹽侵蝕

不同集料配合比下水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗結果見后頁圖4。由圖4可知：在5%濃度硫酸鹽溶液干濕循環作用下，90次過后的水泥混凝土耐蝕系數均>90%，A、B、C三組的耐蝕系數分別為93.3%、90.4%和82.1%；當經歷120次干濕循環后，耐蝕系數分別降至85.6%、80.4%和82.4%，抗硫酸鹽侵蝕能力排序為A>C>B。這是由于天然砂相比機制砂填充效果更好，水泥混凝土的密實度更高，抗滲性更好，使得硫酸根離子進入試件的難度增加，減少了與混凝土中氫氧化鈣發生反應的概率，而使用機制砂的水泥混凝土在硫酸根離子反復作用下（經化學反應生成鹽結晶，產生體積膨脹應力，對混凝土造成膨脹損傷），表面漿體出現了剝落和剝離現象，一部分滲透通道貫通，因而后期耐腐蝕系數下降幅度較快。

2.6 早期抗裂

不同集料配合比下水泥混凝土早期抗裂試驗結果見表3。從表3可知：A組的平均開裂面積最小，僅為12 mm2/條，其次為B組，為14 mm2/條，C組的平均開裂面積最大，達到19 mm2/條，A、B、C三組的單位面積裂縫數分別為13.2條/m2，15.9條/m2和10.2條/m2。從單位面積的總開裂面積來看，B組的單位面積總開裂面積最大，為223 mm2/m2；其次為C組，單位面積總開裂面積為194 mm2/m2；最小的為A組，單位面積總開裂面積僅為158 mm2/m2；故早期抗裂性排序仍然為：A>C>B。砂巖質地堅硬，抗拉強度較高，砂巖碎石表面構造相對更為粗糙，有利于和水泥漿體形成更強的粘結力，同時天然砂配制的混凝土界面過渡區的寬度更小，因而更不易產生裂縫。

3 結語

對比分析了砂巖碎石+天然砂（A）、砂巖碎石+砂巖機制砂（B）、玄武巖碎石+天然砂（C）三種集料組合下水泥混凝土的耐久性能，得出如下結論：

（1）采用砂巖碎石+天然砂集料組合的水泥混凝土耐久性最好，其次為玄武巖碎石+天然砂集料組合，最差的為砂巖碎石+砂巖機制砂集料組合，即表現為：A>C>B。

（2）三種集料組合下，抗水滲透性均>P30，抗氯離子滲透性均滿足100年的設計使用需求，A組的抗碳化能力滿足T-Ⅴ等級，B組和C組的抗碳化能力滿足T-Ⅳ等級。

（3）本文僅對砂巖和玄武巖集料進行了探討，也僅采用最常用的C40水泥混凝土開展了相關試驗，關于其他材質強度等級和集料的研究將在今后做進一步補充。

參考文獻

［1］彌海晨，王 琪，薛 輝，等.隧道內水泥混凝土路面微銑刨后摩擦系數衰減規律研究［J］.中外公路，2022，42（1）：73-78.

［2］韋子娥.微裂均質化處治再生技術在水泥混凝土路面的應用［J］.西部交通科技，2021（9）：14-15，29.

［3］張彩霞.水泥穩定碎石用砂巖集料敏感性指標研究［J］.黑龍江交通科技，2022，45（1）：52-54.

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收稿日期：2023-09-26