為研究凝灰?guī)r機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的影響，文章選取公路工程中C30和C50兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，分別制備凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土和天然河砂混凝土，對(duì)比其力學(xué)性能以及耐久性能。研究發(fā)現(xiàn)：凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土?xí)黾訙p水劑用量，1 h坍落度及擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失高于天然河砂混凝土；凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗?jié)B水性能、抗氯離子滲透性能及抗碳化性能均優(yōu)于天然河砂混凝土。因此，凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土有著優(yōu)良的力學(xué)性能及耐久性，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

凝灰?guī)r機(jī)制砂；混凝土；工作性能；力學(xué)性能；耐久性

U416.03A200644

作者簡(jiǎn)介：

程圓圓（1994—），碩士，工程師，主要從事公路工程試驗(yàn)檢測(cè)工作。

0" 引言

水泥混凝土是由砂、石、膠凝材料及外加劑組成的人工材料，在工程中有著廣泛的應(yīng)用。砂作為水泥混凝土重要的組成部分，與水泥一起組成的砂漿在混凝土的粗集料中起到潤(rùn)滑作用，砂的質(zhì)量對(duì)混凝土的性能有著極其重要的影響。機(jī)制砂作為由石料經(jīng)過(guò)機(jī)械加工破碎、篩分制成的人工砂被越來(lái)越多地應(yīng)用在水泥混凝土工程中。水利工程由于地處偏僻，在較早的時(shí)候開(kāi)始研究機(jī)制砂在水利工程中的應(yīng)用［1-2］。近年來(lái)隨著天然砂石資源的開(kāi)采和利用，資源逐漸枯竭，價(jià)格不斷上漲；機(jī)制砂在公路工程中逐漸被廣泛應(yīng)用［3-4］。目前對(duì)于機(jī)制砂的研究主要集中在巖性為花崗巖、石灰?guī)r的機(jī)制砂，對(duì)于凝灰?guī)r機(jī)制砂的研究較少。孫茹茹［5］研究了不同巖性的機(jī)制砂對(duì)膠凝材料及強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)巖性對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響較小。張恒春等［6］研究了凝灰?guī)r石粉對(duì)混凝土拌和物性能的影響，發(fā)現(xiàn)凝灰?guī)r石粉為層狀結(jié)構(gòu)，具有較大的內(nèi)表面積，可以吸附混凝土中的水分和外加劑，降低漿體的分散能力，降低混凝土的流動(dòng)性。宋德洲等［7］通過(guò)對(duì)不同地區(qū)凝灰?guī)r機(jī)制砂研究發(fā)現(xiàn)，隨著石粉含量的增加對(duì)減水劑的吸附能力增強(qiáng)，但SiO2含量增高對(duì)減水劑的吸附能力減弱。王旭昊等［8］研究了不同石粉含量的凝灰?guī)r機(jī)制砂對(duì)C45混凝土性能的影響，通過(guò)研究建議凝灰?guī)r機(jī)制砂的石粉含量控制在2%～5%。張廣田等［9-10］依托在建的高速公路工程采隧道中開(kāi)挖的凝灰?guī)r宕渣制備C30和C35機(jī)制砂混凝土，分析了機(jī)制砂特性、石粉含量、片狀顆粒含量對(duì)混凝土和易性、工作性能和強(qiáng)度的影響。李遵云等［11］研究發(fā)現(xiàn)，凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土可以降低鋼筋臨界氯離子濃度，可以延長(zhǎng)混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕的時(shí)間，提高混凝土的耐久性。

本文依托于在建公路項(xiàng)目，研究C30、C50兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)下，凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土拌和物的性能、力學(xué)性能及耐久性能，得到相關(guān)經(jīng)驗(yàn)為凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土在公路工程中的推廣應(yīng)用提供一定依據(jù)。

1" 試驗(yàn)

1.1" 主要原材料

水泥作為混凝土中膠凝材料的主要組成部分，其性能對(duì)水泥混凝土有著較大的影響，本試驗(yàn)采用P·O 42.5水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。經(jīng)檢測(cè)，水泥的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）［12］的技術(shù)要求。本研究試驗(yàn)用水選擇飲用的自來(lái)水。現(xiàn)階段混凝土多采用高效減水劑，故本研究采用工程中常用的高效型聚羧酸減水劑，其含固量為35.7%、減水率為27%。碎石采用自加工碎石，碎石母料來(lái)源為隧道開(kāi)采的宕渣，經(jīng)過(guò)三級(jí)破碎整形分揀得到滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650-2020）［13］要求的材料，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2，粗集料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)符合Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)［14］，可以用于C30～C60強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。

本研究采用隧道開(kāi)采的宕渣并自加工得到的凝灰?guī)r機(jī)制砂。凝灰?guī)r機(jī)制砂的巖性會(huì)對(duì)混凝土的性能產(chǎn)生較大影響，凝灰?guī)r機(jī)制砂化學(xué)組成見(jiàn)表3。凝灰?guī)r機(jī)制砂為典型的硅質(zhì)砂，凝灰?guī)r機(jī)制砂篩分結(jié)果見(jiàn)表4。自加工凝灰?guī)r機(jī)制砂顆粒級(jí)配滿足Ⅱ區(qū)砂的要求，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5，機(jī)制砂的主要技術(shù)指標(biāo)符合要求，可以用于C30～C60強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。

1.2" 試驗(yàn)方法

為研究凝灰?guī)r機(jī)制砂對(duì)混凝土的影響，分別選擇公路工程中常用的C30和C50兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行研究。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可比性，天然河砂（NS）的細(xì)度模數(shù)同樣為2.9，其篩分結(jié)果見(jiàn)表6。

1.2.1" 混凝土拌和物性能試驗(yàn)

混凝土拌和物的性能對(duì)混凝土施工時(shí)的和易性有著較大的影響，為研究凝灰?guī)r機(jī)制砂對(duì)混凝土拌和物性能的影響，分別拌制凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土（MS）及天然河砂混凝土（NS），按照《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080-2016）［15］中的試驗(yàn)方法進(jìn)行混凝土拌和物的坍落度、擴(kuò)展度試驗(yàn)。由于混凝土需要由拌和站運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)，故混凝土的坍落度經(jīng)時(shí)損失（1 h）及擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失（1 h）對(duì)混凝土的與性能也有著重要影響；為研究凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)的拌和物性能，采用經(jīng)時(shí)坍落度和經(jīng)時(shí)擴(kuò)展度評(píng)價(jià)混凝土的經(jīng)時(shí)損失性能。

將C30凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土編號(hào)為C30MS，C30天然河砂混凝土編號(hào)為C30NS，C50凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土編號(hào)為C50MS，C50天然河砂混凝土編號(hào)為C50NS。本次試驗(yàn)所用的混凝土配合比如表7所示。

1.2.2" 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

混凝土的力學(xué)性能是混凝土最重要的性質(zhì)，足夠的強(qiáng)度是其能夠承受各種荷載作用的前提。為研究凝灰?guī)r機(jī)制砂對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，采用抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及抗壓回彈模量來(lái)評(píng)價(jià)凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能。

采用《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019）［16］中的試驗(yàn)方法進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及抗壓回彈模量試驗(yàn)?？箟簭?qiáng)度和劈裂強(qiáng)度成型150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，在水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室分別分別養(yǎng)護(hù)3 d、7 d和28 d，然后采用壓力機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)?？箟夯貜椖Ａ吭囼?yàn)成型150 mm×150 mm×300 mm的棱柱型試件，并在水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室分別養(yǎng)護(hù)7 d和28 d，然后進(jìn)行抗壓回彈模量試驗(yàn)。

1.2.3" 混凝土耐久性試驗(yàn)

混凝土的耐久性是衡量混凝土長(zhǎng)期性能的重要指標(biāo)，優(yōu)良的耐久性能可以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的服役年限。本研究采用混凝土滲水高度、抗氯離子滲透試驗(yàn)和抗碳化試驗(yàn)評(píng)價(jià)凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的耐久性。

按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）［17］分別進(jìn)行混凝土的抗氯離子滲透試驗(yàn)、抗?jié)B性試驗(yàn)及抗碳化試驗(yàn)?？孤入x子滲透性能試驗(yàn)采用直徑100 mm的圓柱型試件，先在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)到28 d齡期，然后進(jìn)行真空飽水，在真空飽水完成后進(jìn)行電通量測(cè)試?？?jié)B性能試驗(yàn)的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d后，采用混凝土抗?jié)B儀進(jìn)行滲水高度試驗(yàn)，用來(lái)評(píng)價(jià)抗?jié)B水性能?？固蓟阅茉囼?yàn)的試件為棱柱型試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，隨后將其取出在60 ℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干48 h，然后在碳化箱分別碳化3 d、7 d、14 d、28 d，測(cè)試混凝土的碳化深度。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 混凝土拌和物的性能

混凝土拌和物減水劑用量、初始坍落度、初始擴(kuò)展度、1 h坍落度經(jīng)時(shí)損失及1 h擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

由表8可知，在C30和C50兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)下采用機(jī)制砂的混凝土，其減水劑的用量高于采用天然砂的混凝土。機(jī)制砂是由人工軋制而成，因此相較于天然砂而言，其顆粒棱角多、表面粗糙、級(jí)配相對(duì)較差。同時(shí)，機(jī)制砂的石粉含量高于天然砂的石粉含量，凝灰?guī)r機(jī)制砂的石粉含量為8.3%，天然河砂的石粉含量為3.7%；由于石粉的比表面積相較于機(jī)制砂大很多，且凝灰?guī)r機(jī)制砂石粉為層狀結(jié)構(gòu)，表面積較大，可以吸附水分子和減水劑，使得混凝土的粘聚性增大，流動(dòng)性降低，因此需增大減水劑的用量，使其能達(dá)到相同的工作性能。凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土1 h坍落度和1 h擴(kuò)展度降低幅度要大于天然砂混凝土，由于凝灰?guī)r機(jī)制砂的SiO2含量較高，對(duì)于水分子和減水劑有較強(qiáng)的吸附性，且凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的石粉含量高于天然河砂，使得拌和物失水較快，凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土坍落度損失和擴(kuò)展度損失會(huì)大于天然砂混凝土。

2.2" 混凝土力學(xué)性能

2.2.1" 抗壓強(qiáng)度

凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土和天然河砂混凝土3 d、7 d和28 d立方體抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，凝灰?guī)r機(jī)制砂的混凝土，其各齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度均高于天然河砂配制的混凝土強(qiáng)度。C30MS凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土相較于C30NS天然河砂混凝土3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了10.0%、8.8%、5.9%；C50MS凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別比對(duì)應(yīng)齡期的C50NS天然河砂混凝土抗壓強(qiáng)度提高了7.4%、4.8%、8.0%。這是由于凝灰?guī)r機(jī)制砂顆粒一般較為粗糙、棱角多，能夠與水泥漿體嚙合更加緊密，提高漿體與骨料間的粘結(jié)強(qiáng)度，增強(qiáng)界面過(guò)渡區(qū)抑制裂縫發(fā)展；且較高的石粉含量能夠填充膠凝材料之間的空隙，降低混凝土內(nèi)部的孔隙率，減小混凝土內(nèi)部孔徑尺寸，提高混凝土的密實(shí)度。因此，采用凝灰?guī)r機(jī)制砂不會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度，反而會(huì)在一定程度上提升混凝土的強(qiáng)度。

2.2.2" 劈裂強(qiáng)度

凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土和天然河砂混凝土3 d、7 d和28 d立方體劈裂強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，凝灰?guī)r機(jī)制砂配制而成的混凝土立方體劈裂強(qiáng)度要略高于天然河砂的劈裂強(qiáng)度。C30MS凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的3 d、7 d、28 d劈裂強(qiáng)度分別比對(duì)應(yīng)齡期的C30NS天然河砂混凝土劈裂強(qiáng)度提高了9.7%、4.4%、6.5%；C50MS凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的3 d、7 d、28 d劈裂強(qiáng)度分別比對(duì)應(yīng)齡期的C50NS天然河砂混凝土劈裂強(qiáng)度提高了6.5%、3.3%、4.9%。由于凝灰?guī)r機(jī)制砂相較于天然河砂更為多棱角，因此其與水泥石有更好的粘結(jié)能力，可提高混凝土的劈裂強(qiáng)度。

2.2.3" 抗壓回彈模量

凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土和天然河砂混凝土7 d和28 d抗壓回彈結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，C30MS凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的7 d和28 d抗壓回彈模量分別比對(duì)應(yīng)齡期的C30NS天然河砂混凝抗壓回彈模量提高了8.6%和11.9%；C50MS凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的7 d和28 d抗壓回彈模量分別比對(duì)應(yīng)齡期的C50NS天然河砂混凝抗壓回彈模量提高了2.9%和5.6%。其原因是由于凝灰?guī)r機(jī)制砂有著較多的棱角，能夠與漿體很好地嚙合，形成骨架；凝灰?guī)r機(jī)制砂母巖的強(qiáng)度較高，能夠起到提高混凝土抗壓回彈模量的作用。

2.3" 混凝土耐久性

2.3.1" 抗?jié)B水性能

各組混凝土滲水高度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，采用凝灰?guī)r機(jī)制砂的混凝土其滲水高度要低于天然河砂的混凝土。C30、C50凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土相較于C30、C50天然河砂混凝土分別降低了19.6%、28.6%。凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土比天然河砂混凝土有著較高的抗?jié)B水性能，由于凝灰?guī)r機(jī)制砂有著較高的石粉含量，能夠填充膠凝材料水化產(chǎn)物漿體形成的孔隙，減少水分在膠凝材料漿體的擴(kuò)散通道，提高了混凝土抗?jié)B水性能，使得凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土有著良好的抗?jié)B性能。

2.3.2" 抗氯離子滲透性能

C30MS、C30NS、C50MS、C50NS混凝土28 d電通量結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，采用凝灰?guī)r機(jī)制砂的混凝土其電通量要低于天然河砂的混凝土。C30、C50凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土相較于C30、C50天然河砂混凝土分別降低8.4%、9.8%。與天然河砂混凝土相比，凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土有著更好的抗氯離子滲透性能，由于凝灰?guī)r機(jī)制砂有著較高的石粉含量，石粉能夠改善混凝土的級(jí)配，填充膠凝材料水化產(chǎn)物漿體形成的孔隙，減少氯離子在膠凝材料漿體的擴(kuò)散通道；優(yōu)化了集料與漿體的界面過(guò)渡區(qū)，提高了混凝土抗氯離子滲透性能，從而提高混凝土的耐久性。

2.3.3" 抗碳化性

各組混凝土在3 d、7 d、14 d、28 d的碳化深度如圖6所示。

由圖6可知，隨著時(shí)間的增加，各組混凝土的碳化深度均變大，但是凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的增幅要小于天然河砂混凝土。由于凝灰?guī)r機(jī)制砂中有著一定量的石粉，石粉的存在會(huì)提高混凝土的抗碳化性能，隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，水泥水化越來(lái)越充分，同時(shí)凝灰?guī)r機(jī)制砂中含有的石粉也會(huì)被激發(fā)活性，使得混凝土結(jié)構(gòu)越來(lái)越致密，從而抑制CO2向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散，降低碳化深度。這種現(xiàn)象在C50強(qiáng)度等級(jí)的混凝土中更為明顯。

3" 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比混凝土的拌和物性能、力學(xué)性能和耐久性能研究發(fā)現(xiàn)：

（1）凝灰?guī)r機(jī)制砂中石粉含量較高，在相同坍落度的情況下需要增加減水劑的用量，且由于凝灰?guī)r機(jī)制砂石粉對(duì)水分和減水劑有一定的吸附能力，導(dǎo)致經(jīng)時(shí)1 h的坍落度及擴(kuò)展度損失要大于天然河砂配制的混凝土。

（2）凝灰?guī)r機(jī)制砂顆粒多粗糙、多棱角且母巖強(qiáng)度較高，其抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及抗壓回彈模量要優(yōu)于天然河砂混凝土，凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土有著良好的力學(xué)性能。

（3）凝灰?guī)r機(jī)制砂石粉顆粒的含量較高，石粉能夠填充膠凝材料水化產(chǎn)物漿體形成的孔隙，且凝灰?guī)r石粉的活性也會(huì)激發(fā)其抗?jié)B水性能、抗氯離子滲透性能，其抗碳化性能要優(yōu)于天然河砂混凝土。

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20231026