肯尼亚中风化响岩骨料对混凝土性能的影响研究

董藏龙，万永旺

(中交四航局第一工程有限公司，广州 510500)

肯尼亚内罗毕快速路项目主线全长27.131 km，设计时速80 km，为国道A级公路，沥青砼路面。其中主线前15.710 km主要为路基，后11.421 km主要为桥梁，除东环至南环段采用双向六车道28.6 m 路基标准宽度外,其余路段均采用双向四车道21.6 m宽A 级道路标准。内罗毕及周边地区岩石以火成岩为主，其中中风化响岩占比较大。项目周边只有响岩可选，其他岩石料场距离较远、代价价高，而周边响岩存在吸水率偏大，坚固性不良等问题。

李志强[1,2]等研究了东非地区吸水率较大的骨料的吸水特性，研究显示东非地区的骨料吸水速率较快，一般在早期浸泡60 min内即已基本完成吸水，且吸水率达到普通骨料吸水率的3倍，该地区骨料的化学成分以SiO2和Al2O3为主，微观颗粒表面粗糙，孔隙较大。温欣岚[3]等人研究了东非地区骨料对混凝土性能的影响规律，研究结果表明东非地区骨料配制的混凝土工作性能相对较差，混凝土坍落度和扩展度经时损失较大，混凝土后期强度发展缓慢，耐久性较差。另外，瞿东明[4-7]等人采用掺加复合矿物掺合料、超高性能混凝土预混料、改变搅拌工艺等技术手段，研究了改善东非地区骨料混凝土性能的工程实用技术，取得了较好的效果。

上述研究对于肯尼亚中风化响岩的应用具有很好的借鉴作用，但是，缺乏针对性研究结论，对于骨料坚固性方面的研究尚无文献报道，为此该文采用肯尼亚地区的中风化响岩，与普通石灰岩骨料进行对比，通过研究中风化响岩对混凝土拌合物性能、力学性能和耐久性的影响，为中风化响岩在内罗毕机场路的应用提供技术支撑。

1 试 验

1.1 原材料

1)水泥：采用肯尼亚当地生产的CEMⅠ42.5水泥，凝结时间为初凝165 min，终凝267 min，标准稠度用水量为26%，3 d抗压强度27.1 MPa，28 d抗压强度为52.3 MPa。

2)细骨料：采用肯尼亚当地天然河砂，细度模数2.6，Ⅱ区中砂，其级配较好。

3)粗骨料：采用肯尼亚中风化响岩加工而成，连续级配为5～20 mm，具体技术指标见表1。用于对比试验的骨料为应用最为广泛的石灰石碎石，5～20 mm连续级配，各项技术指标均与肯尼亚中风化响岩破碎骨料相近。

表1 肯尼亚中风化响岩技术指标

4)粉煤灰：印度进口Ⅱ级粉煤灰，颜色呈现黄灰色，细度(45 μm筛筛余)14.6%，需水量比98%。

5)外加剂采用聚羧酸系高性能减水剂，含固量为15.6%，减水率21.2%。

1.2 方法

混凝土拌合物性能按照《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》GB/T50080—2016进行测试，主要试验坍落度、扩展度及经时损失情况。

力学性能按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081—2019进行测试，抗压强度采用正方形试块，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。混凝土拌合好装入试验模具，置于振动台，震动15 s成型，采用钢抹刀抹平，在混凝土初凝之后进行二次收面，然后放置于温度20 ℃、湿度60%的房间内静置24 h，然后拆模。拆模过程中注意棱角的保护，编号后放入标准养护室内养护至试验龄期，试验前提前拿出试块，用湿抹布覆盖，试验室试块保持湿润但是表面无明显水渍，加载速度均匀，抗压强度试验龄期为7 d、28 d、56 d、90 d，抗压弹性模量试验龄期为28 d、56 d。

混凝土耐久性能按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082—2009进行，氯离子扩散性能要提前真空保水。

1.3 试验配合比

肯尼亚中风化响岩混凝土试验配合比见表2，试验采用C35强度等级混凝土进行试验，胶凝材料用量为380 kg/m3，粉煤灰掺量为胶凝材料用量的25%，水胶比为0.40，用水量为156 kg/m3，采用普通石灰石粗骨料的实验组记作KJ，采用肯尼亚中风化响岩作为粗骨料的实验组记做KX。

表2 试验混凝土配合比 /(kg·m-3)

2 结果与分析

2.1 混凝土拌合物性能

两种不同骨料混凝土的拌合物性能试验结果见图1，由图1中试验结果可知：采用肯尼亚中风化响岩配制的混凝土，在相同的配合比条件下，初始坍落度和扩展度均较普通石灰石骨料混凝土小，初始坍落度小7.1%，初始扩展度小16.4；中风化响岩配制的混凝土坍落度和扩展度经时损失均明显比普通石灰石骨料混凝土大得多，中风化响岩混凝土坍落度和扩展度1 h经时损失分别为65 mm、100 mm，而普通石灰石骨料混凝土坍落度和扩展度1 h经时损失分别为10 mm、50 mm。该文研究结果与温欣岚等人研究结果相似[3]，主要原因是，中风化响岩骨料饱和面干吸水率为2.2%，而普通石灰石骨料饱和面干吸水率一般在1.0%左右，中风化响岩在新拌合的混凝土中相比普通石灰石骨料吸水量大得多，在粗骨料用量970 kg的情况下，中风化响岩大约多吸水11.64 kg，因此新拌合混凝土由于有效拌合用水较少，坍落度和扩展度自然较低，而骨料吸水过程需要经过时间，在测试1 h拌合物状态经时损失的过程中，中风化响岩骨料不停地在吸水，其配制的混凝土拌合物状态经时损失大也是必然的。

2.2 混凝土力学性能研究

混凝土力学性能是混凝土在工程建设中应用的最基础性能，为此该文研究了肯尼亚中风化响岩对混凝土力学性能的影响，对比普通石灰石骨料、中风化响岩骨料对混凝土抗压强度的影响试验结果见图2。可以看出，在各个试验龄期中风化响岩配制的混凝土抗压强度均比对比普通石灰石骨料混凝土低，在7 d、28 d、56 d、90 d 4个试验龄期，中风化响岩混凝土分别比石灰石骨料混凝土低9.4%、7.0%、6.6%、7.3%。可能的原因是中风化响岩骨料压碎值较大，为21.6%，坚固性不良为12.8，粗骨料在混凝土中起骨架作用，混凝土骨架性能不佳对于混凝土力学性能的影响最为明显，因此中风化响岩配制的混凝土抗压强度明显较低。

在工程建设中，尤其是预应力混凝土构件，对于混凝土弹性模量具有明确的要求，为此研究了中风化响岩骨料对混凝土抗压弹性模量的影响，试验结果见图3。可以看出，在各个试验龄期中风化响岩配制的混凝土抗压弹性模量均比对比普通石灰石骨料混凝土略低，28 d、56 d时，分别低4.5%和3.2%，可见虽然中风化响岩骨料混凝土弹性模量较石灰石骨料低，但是降低幅度比抗压强度小。

2.3 混凝土耐久性能研究

电通量是通过在混凝土试块两端加电压，通过整个通电过程中通电量的多少来评估氯离子在电场作用下迁移数量的多少，从而定性地评估混凝土抵抗氯离子渗透的能力，是评价混凝土耐久性应用最为广泛的技术指标之一。铁路混凝土中要求较为严格，对于普通混凝土一般要求56 d龄期电通量小于1 200 C，虽然公路工程对于电通量没有明确的指标要求，但是为了保证工程安全耐久，研究中风化响岩对于混凝土电通量的影响具有显著的意义。肯尼亚中风化响岩骨料对混凝土电通量的影响试验结果见图4，可以看出，各个试验龄期中风化响岩配制的混凝土电通量均比普通石灰石骨料混凝土高，28 d、56 d、90 d中风化响岩混凝土电通量分别高7.5%、12.0%、23.2%。

RCM抗氯离子试验是通过测定氯离子在混凝土中非稳态迁移的迁移系数来确定混凝土的抗氯离子渗透性能。肯尼亚中风化响岩骨料对混凝土氯离子渗透系数的影响试验结果见图5，试验结果显示：各龄期中风化响岩配制的混凝土氯离子渗透系数均比普通石灰石骨料混凝土大，但是到了90 d试验龄期两种骨料配制的混凝土氯离子渗透系数基本相近，28 d、56 d、90 d中风化响岩混凝土氯离子渗透系数分别大14.2%、30.5%、9.9%。主要原因是，中风化响岩骨料饱和面干吸水率较大，较大的吸水率在配制混凝土时容易造成混凝土局部用水量不足，从而使得局部水泥水化速度慢，水化不充分，从而形成缺陷，造成氯离子通过阻力较小；另一方面，中风化响岩骨料坚固性较低，内部具有一些小孔隙，使得氯离子容易在其周边通过，进一步增大了氯离子扩散系数。

3 结 论

为推动中风化响岩骨料在工程中的应用，降低工程建设施工成本，该文研究了中风化响岩对混凝土性能的影响，得到如下结论：

a.采用肯尼亚中风化响岩配制的混凝土，在相同的配合比条件下，初始坍落度和扩展度均较普通石灰石骨料混凝土小，经时损失相对较大。

b.中风化响岩配制的混凝土抗压强度均比对比普通石灰石骨料混凝土低，抗压弹性模量相对较低，但是仍然满足一般工程对混凝土力学性能的要求。

c.中风化响岩配制的混凝土电通量均比普通石灰石骨料混凝土高，氯离子渗透系数大，在90 d龄期时两种骨料混凝土的电通量和氯离子渗透系数相近。