路堑岩石制备桥梁混凝土集料的可行性研究

姜瑞双，张婷婷，刘帅，郭保林，3

（1.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；2.山东省混凝土材料与桥梁结构工程技术中心，山东 济南 250031；3.山东省桥隧结构性能评估与耐久性提升工程实验室，山东 济南 250031）

0 引 言

随着国家基础设施建设和高速公路的飞速发展，混凝土用粗集料需求量不断增加。但近年来，各省份相继出台相关法律、法规，严禁违法开山采石，各地可用于加工碎石的母岩也在日趋减少[1]。工程技术人员不断寻求新的石料来源以缓解集料供不应求的现状，很多学者和技术人员已经开展卵石、煤矸石以及铁尾矿碎石等集料在混凝土中的适用性研究[2-5]。王召等[6]利用旧河床开采的碎卵石，通过掺加专用复合型外加剂成功配制了抗压强度达到100 MPa的早强高性能混凝土。马宏强等[7]研究了煤矸石对混凝土的抗压强度和耐久性能的影响，结果表明，煤矸石与胶凝材料粘结处空腔的存在不利于混凝土的抗压强度和耐久性能，但对固化氯离子性能有利。耿志军等[8]将铁尾矿碎石应用到桥梁混凝土中，研究表明，掺铁尾矿碎石混凝土的早期抗压强度偏低，但后期抗压强度与普通碎石混凝土基本相当，且其他性能均能满足工程要求。

基于此，以实际工程为依托，将沿线的路堑岩石作为母材加工成桥梁混凝土集料，不仅实现资源的合理利用，而且可以减少材料供给不足对施工进度的影响，同时符合国家提倡的“绿色经济、绿色产业、绿色交通”，实现高速公路建设的可持续发展。本文针对路堑岩石加工的碎石进行试验性研究，在掌握其基本性质的基础上，对混凝土配合比进行了验证，并将其与普通石灰岩碎石配制的混凝土进行了对比分析，深入探究此类碎石用作桥梁混凝土集料的可行性及适用性。

1 试 验

1.1 原材料

碎石：选取2种类型的混凝土粗骨料开展试验对比分析，一种为本项目的路堑岩石制备的碎石（碎石1），另一种为石运良石料厂提供的普通石灰岩碎石（碎石2），采用5～10 mm和10～20 mm二级配按照3∶7的质量比配制。2种碎石的基本参数如表1所示。

表1 2种碎石的基本参数

砂：沂水石良砂厂提供的天然河砂，表观密度2620 kg/m3，松散堆积密度1530 kg/m3，含泥量1.4%，细度模数为3.34。

水泥：C30和C40混凝土用水泥为沂南中联水泥有限公司生产的P·O42.5水泥，C50混凝土用水泥为沂水创新山水水泥有限公司生产的P·O52.5水泥。2种水泥的基本性能如表2所示。

表2 2种水泥的基本性能

减水剂：淄博亮正建材科技有限公司提供的聚羧酸高效减水剂，减水率21%，其含固量为18.62%。

1.2 试验配合比

本试验利用2种碎石配制C30、C40、C50三种强度等级混凝土，对比分析2种碎石作为粗骨料配制混凝土的差异，配合比如表3所示。

表3 混凝土配合比

1.3 测试方法

碎石吸水率试验：根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》进行，分别测试2种碎石浸水时间为2 min、5 min、10 min、30 min、60 min及24 h的吸水率。

混凝土工作性能：根据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，用坍落度法测试混凝土拌合物的流动性，在测试坍落度的同时，通过观察拌合物的黏聚性和保水性，对新拌混凝土的和易性给出综合的判定。

混凝土抗压强度：根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，成型100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件。每组各龄期均成型3块试件，试件在养护24 h后拆模，并放于混凝土养护室[温度（20±2）℃，相对湿度大于95%]中养护。试件养护至3、7、14、28 d后，采用美特斯工业系统（中国）有限公司生产的YAW4306型微机控制电液伺服压力试验机测定混凝土抗压强度，压力机最大负荷3000 kN。

混凝土静力受压弹性模量：根据GB/T 50081—2019测试混凝土的静力受压弹性模量，成型150 mm×150 mm×300 mm的标准试件。每组均成型3块试件，试件养护方式、测试龄期、测试仪器与抗压强度试验相同。

混凝土抗氯离子渗透性能：采用电通量法和氯离子扩散系数测定法（NEL法）评价硬化混凝土的抗氯离子渗透性能。电通量法根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，所用仪器为北京耐尔得公司生产的NEL-PEU型混凝土电通量测定仪。NEL法是清华大学基于离子扩散和电迁移提出的一种饱盐电导率法，其测试简单、快速，且具有良好的稳定性，所用仪器为北京耐尔得公司生产的NEL-PDU型氯离子扩散系数测定仪（NEL法）。

2 试验结果与分析

2.1 碎石吸水率经时变化

碎石吸水率经时变化直接影响混凝土拌合物的和易性，2种碎石的吸水率经时变化情况如图1所示。

图1 2种碎石不同浸水时间的吸水率

由图1可见，路堑岩石在2 min时吸水率已达到0.8%，在10 min时吸水率达到了1.0%，路堑岩石的吸水速率明显大于石灰岩的吸水速率。由表1可知，路堑岩石中75μm以下的颗粒含量要比石灰岩的高，细颗粒增大了集料的比表面积。此外，路堑岩石在加工过程中会带入一些杂质，必然还有一定量泥粉，对水分有一定的吸附作用[9]。因此，相同情况下，路堑岩石的吸水速率较大。

2.2 新拌混凝土的工作性能

2种碎石配制的C30、C40、C50混凝土拌合物的工作性能如表4所示。

表4 各强度等级混凝土的和易性

由表4可知，采用路堑岩石集料混凝土拌合物流动性一般，保水性较差。与石灰岩集料混凝土相比，路堑岩石集料混凝土需要更大掺量的减水剂，且很难达到与石灰岩集料混凝土相同的流动性。对于C30和C40路堑岩石集料混凝土而言，出机拌合物可以流动，但是坍落度损失非常快、拌合物的黏聚性一般。而采用石灰岩配制的C30和C40混凝土拌合物流动性良好，同时具有良好的黏聚性和保水性。这是因为路堑岩石吸水率和吸水速率要比石灰岩大的多，另外，路堑岩石含有较多75μm以下的颗粒，能够吸附水和减水剂，增加了拌合物的需水量和减水剂用量。

对于C50混凝土而言，C50石灰岩集料混凝土的初始状态良好，拌合物也较黏稠，但坍落度损失较快；而路堑岩石集料混凝土拌合物过黏、干硬，在出机3 min后测试坍落度，基本不流动。一方面是因为路堑岩石吸水速度快、吸水率大、75 μm以下颗粒含量较大，加大了拌合物对水和减水剂的需求量；另一方面，C50混凝土胶凝材料用量大，导致C50混凝土黏度过大。

2.3 混凝土的抗压强度

2种碎石配制的C30、C40、C50混凝土标准养护不同龄期的抗压强度如表5所示。

表5 2种碎石配制的不同强度等级混凝土标准养护不同龄期的抗压强度

由表5可知，随着养护龄期的延长，所有试件的抗压强度均逐渐提高。路堑岩石集料和石灰岩集料配制的C30、C40混凝土在各龄期的抗压强度大致相当，相差0.3～3.5 MPa。28 d龄期时，C30、C40路堑岩石集料混凝土抗压强度分别达到60.1、67.2 MPa，满足C30、C40混凝土设计抗压强度要求。

2种碎石配制的C50混凝土抗压强度均较高，3 d龄期时均达到50 MPa以上，石灰岩集料混凝土比路堑岩石集料混凝土高9.5 MPa。7 d和14 d龄期时2种碎石配制的C50混凝土强度差异不明显，相差约4 MPa。28 d龄期时，C50路堑岩石集料混凝土抗压强度达到76.0 MPa，满足C50混凝土设计抗压强度要求。

2种类型碎石混凝土抗压强度测试后的破坏面见图2。

图2 2种类型混凝土抗压强度测试后的破坏面

由图2可见，路堑岩石集料混凝土破坏后裂缝不多，而是表现在黄色碎石全部断裂，断面较平，且碎石混凝土内部存在大量的气泡甚至大孔洞，这可能是因为黄石混凝土拌合物状态较差，成型时气泡不易排出。而石灰岩混凝土破坏后青色碎石大部分也已断裂，但是碎石多数凸出，并不与断面平齐，且裂缝多出现在浆体和骨料界面，浆体破坏面积更大。

2.4 混凝土的静力受压弹性模量

混凝土弹性模量是混凝土在单向压缩（有侧向变形）条件下，压缩应力与应变的比值，能够表征混凝土变形的难易程度，是预应力结构混凝土重要的力学参数之一[10-11]。但是，工程上，一般预应力的张拉仅以混凝土强度指标为依据，而忽视了弹性模量的发展。根据JTG/T F50—2011《公路桥涵施工技术规范》要求，在进行预应力张拉时，结构或构件混凝土的强度、弹性模量（或龄期）应符合设计规定；设计未规定时，混凝土的强度应不低于设计强度等级值的80%，弹性模量应不低于混凝土28 d弹性模量的80%。

2种碎石配制的C50混凝土静力受压弹性模量见表6。

表6 2种碎石配制的C50混凝土静力受压弹性模量

由表6可见，3 d龄期时，路堑岩石集料混凝土的弹性模量仅为25.6 GPa；随养护时间的延长，混凝土弹性模量有所提高，但28 d龄期时，路堑岩石集料混凝土的弹性模量只达到31.1 GPa。与普通石灰岩集料混凝土相比，路堑岩石集料混凝土3、7、14、28 d弹性模量分别降低了35.4%、30.1%、30.4%、30.3%。路堑岩石集料配制的弹性模量非常低，未能达到C50混凝土28 d龄期时弹性模量的要求，所选路堑岩石加工的集料不适合配制预应力混凝土。

2.5 混凝土的氯离子渗透性能

表7 为2种碎石配制的混凝土标准养护28 d氯离子渗透性能试验结果。

表7 2种碎石配制的混凝土氯离子渗透性能

由表7可见，随着混凝土强度等级的提高，混凝土抗氯离子渗透性能有所提高。此外，路堑岩石集料混凝土的抗氯离子渗透性能比石灰岩集料混凝土差，路堑岩石配制的C30混凝土电通量为5110 C，氯离子扩散系数为3.2×10-12m2/s，而石灰岩配制的C30混凝土电通量为3890 C，氯离子扩散系数为2.0×10-12m2/s。对于C50混凝土而言，2种碎石混凝土的抗氯离子渗透性相差不大，其中路堑岩石集料混凝土电通量为2440 C，氯离子扩散系数为1.7×10-12m2/s，石灰岩集料混凝土电通量为2140 C，氯离子扩散系数为1.3×10-12m2/s。

依据2种测试方法的渗透性评价标准，除了C30路堑岩石集料混凝土的渗透性评价为高，其他试件的渗透性评价均为中，说明2种碎石配制的混凝土氯离子渗透性能相差不大。

3 结 论

（1）路堑岩石集料配制的混凝土流动性较差，坍落度经时损失较大。路堑岩石配制C30、C40混凝土的抗压强度与普通石灰岩集料混凝土的抗压强度大致相当。

（2）路堑岩石集料配制的混凝土弹性模量非常低，与普通石灰岩集料混凝土相比，路堑岩石集料混凝土3、7、14、28 d弹性模量分别降低了35.4%、30.1%、30.4%、30.3%。所以本次试验所选路堑岩石作为母岩加工成桥梁混凝土集料是可行的，但是不适合配制预应力混凝土。

（3）与石灰岩集料混凝土相比，路堑岩石集料配制C30、C40混凝土的抗氯离子渗透性能较差。但随着混凝土强度等级的提高，混凝土的抗氯离子渗透性能有所提高，且2种碎石配制的混凝土抗氯离子渗透性能相差不大。