楊 俊 羅空空

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

隨著三峽庫區(qū)旅游業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，原有道路已難以滿足日益增長的交通需求，大量的道路開始改造、興建，混凝土的需求量越來越大，由此河沙的需求也隨之日益增加.由于庫區(qū)以山地為主，交通運(yùn)輸不便，造成河沙的運(yùn)輸成本較高，且經(jīng)常供不應(yīng)求.通過前期的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)三峽庫區(qū)因其獨(dú)特的地貌特征，沿線分布著大量的風(fēng)化砂資源，但因其物理力學(xué)性質(zhì)和耐久性較差，導(dǎo)致難以直接應(yīng)用于實(shí)際工程中[1-3].若能用風(fēng)化砂取代河沙作為混凝土的細(xì)骨料，應(yīng)用于道路建設(shè)，對于推動(dòng)三峽庫區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展將具有十分重要的意義.

國內(nèi)外學(xué)者對各類風(fēng)化砂的性質(zhì)與應(yīng)用做了大量的研究，如C.W.W.Ng等[4]通過試驗(yàn)對比研究了風(fēng)化紅土和風(fēng)化花崗巖土的壓縮性，發(fā)現(xiàn)風(fēng)化紅土的可壓縮性較風(fēng)化花崗巖土降低了36%.梁為邦[5]對云南保山地區(qū)的花崗巖風(fēng)化砂用作土石壩填料進(jìn)行了可行性研究，結(jié)果表明，風(fēng)化砂的物理性質(zhì)、長期穩(wěn)定性和動(dòng)力特性均能滿足工程應(yīng)用的要求.WEI Houzhen，等[6]研究了風(fēng)化玄武巖的含量對土-巖混合物性能的影響，研究表明，隨著巖塊含量的增加，混合物顯示出越來越明顯的應(yīng)變硬化行為，在達(dá)到峰值剪切強(qiáng)度之前，混合物的應(yīng)力比和位移-增量比之間存在冪律關(guān)系.莊心善，王子翔[7]將不同比例的風(fēng)化砂摻入膨脹土中對其進(jìn)行改良，試驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)化砂能顯著降低膨脹土的膨脹率，增大其抗剪強(qiáng)度.雷俊安，楊俊[8]采用不同質(zhì)量比的石灰和粉煤灰對三峽庫區(qū)風(fēng)化砂進(jìn)行穩(wěn)定處理，然后進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型.

目前關(guān)于將風(fēng)化砂用作混凝土細(xì)骨料的研究鮮有報(bào)道，只有少數(shù)學(xué)者對于將風(fēng)化砂用作三峽大壩混凝土的細(xì)骨料做了一些基本物理性質(zhì)和砂漿強(qiáng)度方面的可行性研究[9-10].筆者前期通過將風(fēng)化砂100%取代河沙配制風(fēng)化砂混凝土，然后進(jìn)行抗壓及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)化砂混凝土的28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到普通混凝土的89.2%，28d抗折強(qiáng)度達(dá)到普通混凝土的96.8%[11]，用風(fēng)化砂取代河沙并未導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度有較大降低，具備一定的工程應(yīng)用價(jià)值.混凝土道路在實(shí)際運(yùn)營的過程中還會(huì)受到環(huán)境作用的影響，要想將風(fēng)化砂混凝土應(yīng)用于道路建設(shè)中，其抗凍性也必須達(dá)到普通混凝土的標(biāo)準(zhǔn)，故本文在前文研究的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步研究凍融循環(huán)作用下風(fēng)化砂混凝土抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律，并用減水劑對其進(jìn)行改良，以此來論證將風(fēng)化砂混凝土用于三峽庫區(qū)道路建設(shè)的可行性，并為當(dāng)?shù)仫L(fēng)化砂資源的有效利用提供參考.

1 試驗(yàn)材料

1.1 水泥

試驗(yàn)所用水泥為華新水泥(宜昌)有限公司生產(chǎn)的32.5級硅酸鹽水泥，基本物理參數(shù)見表1.

表1 水泥基本物理性質(zhì)

1.2 風(fēng)化砂

試驗(yàn)所用風(fēng)化砂取自湖北省宜昌市三峽庫區(qū)某砂料場，為花崗巖風(fēng)化而成，呈黃褐色，顆粒大小不一，形狀不規(guī)則，棱角明顯，大顆粒受力易破碎.其基本物理性質(zhì)見表2，級配曲線如圖1所示.

表2 風(fēng)化砂基本物理性質(zhì)

圖1 風(fēng)化砂級配曲線

1.3 河沙

試驗(yàn)所用河沙表觀密度為2520kg/m3，含泥量為2.1%，云母含量為1.1%，細(xì)度模數(shù)為2.76，系II區(qū)中砂.

1.4 碎石

參考JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》，配比粒徑分別為2.36～9.50mm、9.50～19.00mm、19.50～31.50mm 3類不同的碎石，得到級配優(yōu)良的中間級配，小、中、大3類碎石的質(zhì)量比為3∶4∶3，其級配曲線如圖2所示，物理性質(zhì)指標(biāo)見表3，均能滿足規(guī)范要求.

圖2 碎石級配曲線

表3 碎石物理指標(biāo)

1.5 減水劑

試驗(yàn)所用的減水劑為聚羧酸高效減水劑，由河北衡水友誼化工有限公司生產(chǎn)，其基本性質(zhì)參數(shù)見表4.

表4 聚羧酸減水劑基本參數(shù)

1.6 水

試驗(yàn)用水采用自來水.

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)配合比參照J(rèn)GJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行計(jì)算，基準(zhǔn)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，采用風(fēng)化砂100%取代普通河沙制備風(fēng)化砂混凝土，并用普通河沙混凝土作為對照組.根據(jù)使用說明，將聚羧酸減水劑摻量為0.15%、0.2%、0.25%、0.30%、0.35%的風(fēng)化砂混凝土分別養(yǎng)護(hù)28d，然后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到最大抗壓強(qiáng)度值為38.61 MPa，從而確定聚羧酸減水劑的最佳摻量為0.3%，配合比見表5.普通河沙混凝土、風(fēng)化砂混凝土和改良風(fēng)化砂混凝土均采用此配合比.

表5 混凝土配合比

參照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)選擇邊長為150mm 的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)選用邊長為150mm×150mm×550mm 的棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試件.將風(fēng)化砂、碎石、水泥、減水劑按比例倒入HJW-30型強(qiáng)制式單臥軸攪拌機(jī)中攪拌1min，再加水?dāng)?min，使混凝土拌合均勻.然后將混凝土裝入模具中成型，再將模具放在ZS-10型振動(dòng)臺(tái)上振搗密實(shí).最后將模型放在20℃的環(huán)境下靜置24h后脫模，將脫模的試件編號(hào)后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度(20±1)℃，濕度＞95%)養(yǎng)護(hù).

試件養(yǎng)護(hù)齡期為28d，在規(guī)定齡期的前4d，將試件放在(20±2)℃的水中浸泡，水面高出試件20mm，4d后進(jìn)行凍融試驗(yàn).根據(jù)規(guī)范要求，一輪凍融循環(huán)中，飽和試樣放在-20℃～-18℃的凍融箱內(nèi)的凍結(jié)時(shí)間為4h(計(jì)時(shí)從溫度降至-18℃開始)，再放入18℃～20℃的水中進(jìn)行融化(試樣被完全浸沒)，融化時(shí)間為4h.設(shè)計(jì)凍融循環(huán)次數(shù)分別為40、80、120、160、200次，在進(jìn)行相應(yīng)次數(shù)的凍融循環(huán)后分別進(jìn)行抗壓及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，每組試驗(yàn)需做3組平行試驗(yàn)，在誤差允許的范圍內(nèi)取3組試驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 凍融循環(huán)對風(fēng)化砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響及改良試驗(yàn)

以凍融循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)，抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度損失率為縱坐標(biāo)，繪出普通混凝土、風(fēng)化砂混凝土及改良風(fēng)化砂混凝土抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的曲線圖，如圖3～4所示.

圖3 凍融循環(huán)下3類混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線

圖4 凍融循環(huán)下3類混凝土抗壓強(qiáng)度損失率變化曲線

通過圖3、圖4可以得出：無論是普通混凝土，還是風(fēng)化砂混凝土，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，但兩者的抗壓強(qiáng)度變化速率有較大差別.當(dāng)經(jīng)過40～120次凍融循環(huán)后，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率為12.16%～28.22%，風(fēng)化砂混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率為13.49%～34.44%，此時(shí)兩者抗壓強(qiáng)度損失率的差值為1.33%～6.22%，說明當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)小于120次時(shí)，兩種混凝土的抗凍性較為接近.當(dāng)經(jīng)過160～200次凍融循環(huán)后，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率為33.99%～41.15%，風(fēng)化砂混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率為51.60%～61.08%，兩者抗壓強(qiáng)度損失率的差值為17.61%～19.93%，表明經(jīng)過160次凍融循環(huán)后，風(fēng)化砂混凝土的抗壓強(qiáng)度損失顯著增加，抗凍性較普通混凝土有較大降低.

經(jīng)過減水劑改良后，風(fēng)化砂混凝土的初始抗壓強(qiáng)度達(dá)到38.61MPa，較未經(jīng)改良的風(fēng)化砂混凝土提高了41.90%，較普通混凝土提高了14.23%.在經(jīng)過40次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度損失率為5.93%，較未改良的風(fēng)化砂混凝土降低了7.56%，較普通混凝土降低了6.23%.當(dāng)經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度損失率為33.49%，較未經(jīng)改良的風(fēng)化砂混凝土降低了27.59%，較普通混凝土降低了7.66%，表明改良后風(fēng)化砂混凝土的抗凍性有較大提升，能夠達(dá)到普通混凝土的標(biāo)準(zhǔn).

3.2 凍融循環(huán)對風(fēng)化砂混凝土抗折強(qiáng)度的影響及改良試驗(yàn)

以凍融循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)，抗折強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度損失率為縱坐標(biāo)，繪出普通混凝土、風(fēng)化砂混凝土和改良風(fēng)化砂混凝土的抗折強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的曲線圖，如圖5～6所示.

圖5 凍融循環(huán)下3類混凝土抗折強(qiáng)度變化曲線

圖6 凍融循環(huán)下3類混凝土抗折強(qiáng)度損失率變化曲線

分析圖5、圖6可以得出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，風(fēng)化砂混凝土和普通混凝土的抗折強(qiáng)度均不斷降低，但兩者的抗折強(qiáng)度損失率有較大差異.在經(jīng)過40～120次凍融循環(huán)后，普通混凝土的抗折強(qiáng)度損失率為15.18%～33.26%，風(fēng)化砂混凝土的抗折強(qiáng)度損失率為17.20%～39.45%，兩者抗折強(qiáng)度損失率的差值為2.02%～6.19%，說明此時(shí)兩者的抗凍性相差較小.當(dāng)經(jīng)過160～200次凍融循環(huán)后，普通混凝土的抗折強(qiáng)度損失率為41.29%～49.55%，風(fēng)化砂混凝土的抗折強(qiáng)度損失率為51.15%～63.76%，兩者抗折強(qiáng)度損失率的差值為9.86%～14.21%，約為凍融前期兩者抗折強(qiáng)度損失率差值的2倍，此時(shí)風(fēng)化砂混凝土的抗凍性顯著降低.

經(jīng)過減水劑改良后，風(fēng)化砂混凝土的初始抗折強(qiáng)度為5.4MPa，較未經(jīng)改良的風(fēng)化砂混凝土提高了23.85%，較普通混凝土提高了20.54%.在經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，其抗折強(qiáng)度損失率為42.22%，較未經(jīng)改良的風(fēng)化砂混凝土降低了21.54%，較普通混凝土降低了7.33%，表明改良后風(fēng)化砂混凝土的抗凍性得到顯著提升.

3.3 機(jī)理及分析

分析其作用機(jī)理，主要為當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，普通混凝土與風(fēng)化砂混凝土試件表面均較為密實(shí)，在泡水過程中，水分難以滲透到試件內(nèi)部，導(dǎo)致凍結(jié)膨脹力對試件的強(qiáng)度影響較小.另一方面，由于風(fēng)化砂顆粒表面棱角分明，在混凝土的攪拌過程中會(huì)引入大量空氣，使得混凝土內(nèi)部形成許多微小的氣泡，在振搗過程中殘留的氣泡會(huì)在混凝土中產(chǎn)生許多孔洞，使得風(fēng)化砂混凝土試件內(nèi)部初始缺陷較多，從而使其抗凍性較普通混凝土有一定程度的降低，所以當(dāng)經(jīng)過40～120次凍融循環(huán)時(shí)，風(fēng)化砂混凝土的抗壓與抗折強(qiáng)度較普通混凝土有稍許降低，此時(shí)兩者的強(qiáng)度損失率差值僅為1.33%～6.22%，抗凍性較為接近.