大吸水率砂岩骨料碾压混凝土力学与抗冻性能研究

杨 林，李 波，张海晨，贾 正

(1.江河工程检验检测有限公司，河南 郑州 450000；2.宁夏回族自治区水利工程建设中心，宁夏 银川 750002;3.银川市正禹水利水电工程质量检测有限公司，宁夏 银川 750002)

0 引 言

吸水率是评价粗骨料品质的重要指标之一。我国水利行业规范SL 251—2015《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》[1]和SL 677—2014《水工混凝土施工规范》[2]对于有抗冻要求的混凝土要求粗骨料吸水率不大于1.5%，无抗冻要求的混凝土吸水率不大于2.5%。国家标准GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》[3]要求I类骨料吸水率不大于1.0%，II类和III类骨料吸水率不大于2.0%。过大的吸水率对混凝土的耐久性能有不利影响[4]。

砂岩是沉积岩的一种，是由砂粒经过水冲蚀沉淀于河床上经干百年堆积胶结而成，根据矿物组分中石英和长石含量的不同，可分为石英砂岩、长石砂岩和长石石英砂岩[5]。长石砂岩一般具有内部孔隙率较大、密度低、软化系数低、弹性模量低和吸水率大的特点，在我国西部地区和东南亚地区分布较多。长石砂岩的工程特性决定了其不是一种优质的人工骨料料源，但受条件所限，长石砂岩骨料在一些工程中也得到了应用。

文献[6]结合东南亚某工程研究了软弱砂岩骨料碾压混凝土的配制及其特性，研究采用软化系数为0.71的软弱砂岩骨料配制强度等级分别为C18020的二级配碾压混凝土和C1807.5的三级配碾压混凝土。试验采用的粗骨料饱和面干密度在2 340～2 500 kg/m3之间，表观密度在2 600～2 680 kg/m3之间，饱和面干吸水率在2.49%～7.39%之间，压碎指标在11.5%～26.3%之间。结果表明，采用该砂岩骨料可以配制出满足强度要求的混凝土，其用水量比常规骨料高15～20 kg/m3，拌合物密度和抗压弹性模量较低。当三级配碾压混凝土粉煤灰掺量为60%、水胶比为0.65、含气量为2.1%时，混凝土密度为2 120 kg/m3，抗压弹性模量为0.94×104MPa；当二级配碾压混凝土粉煤灰掺量为50%、水胶比为0.55、含气量为2.7%时，混凝土密度为2 230 kg/m3，抗压弹性模量为1.48×104MPa。文献[7]研究了软弱长石石英砂岩骨料混凝土的性能，认为采用软弱长石石英砂岩可配制C30塑性混凝土，但混凝土的用水量和胶材用量要增大，混凝土的干缩率较大。文献[8-9]报道了马来西亚的沫若水电站采用长石石英砂岩作为碾压混凝土大坝人工骨料料源的情况，该工程长石石英砂岩人工骨料存在人工砂偏细，石粉含量大，粗骨料表观密度偏小，吸水率偏大等问题。当二级配混凝土的强度为27.7 MPa时，抗压弹性模量为1.40×104MPa，极限拉伸值为1.20×10-4。采用该骨料成功制备了C18020F50W10的二、三级配碾压混凝土，并用于大坝施工。

以上研究结果表明，采用吸水率较大的砂岩骨料制备的混凝土的强度可满足一般要求，弹性模量较低，但抗冻性能尚不明确。经实测，黄河某水利枢纽工程的5～20 mm和20～40 mm粒径长石砂岩粗骨料的吸水率分别达到了2.92%和2.33%。采用吸水如此大的骨料配制的混凝土的性能尤其是抗冻性能究竟如何，需要进一步研究确定。为此，在原岩的岩矿鉴定、矿物成分分析、化学成分分析、物理力学性能和骨料性能试验的基础上，采用此骨料配制不同水胶比的碾压混凝土，对混凝土的强度、弹性模量、极限拉伸、泊松比、抗渗和抗冻性能进行研究，分析采用该岩石骨料配制C25W12F300的碾压混凝土的可行性，结论可为类似工程提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原岩

原岩开采自三叠系铜川组巨厚层长石砂岩，见图1。由图1可知，该岩石外观呈青灰色-肉红色，具有明显的沉积层理。岩矿鉴定：岩矿鉴定的目的是确定岩石的结构构造和主要成分。将岩石切割制成一定厚度的薄片，在偏光显微镜下观察岩石的矿物成分、结构形态、自然变化规律与发展情况，结合现场地质情况确定岩石结构、构造和名称。采用X射线粉晶衍射检测法分析原岩的矿物成分，试验条件为理学DMAX-3C衍射仪，CuKa，Ni滤光。将原岩破碎磨成粉末分析其化学成分，按照GB/T 176—2017《水泥化学分析方法》[10]测定其重要化学成分。依据SL/T 264—2020《水利水电工程岩石试验规程》[11]进行测定原岩的物理力学性能。由于砂岩具有明显的沉积层理，强度试验中分别采用加压方向垂直于层理和加压方向平行于层理2种加载方式。采用直径50 mm、高100 mm的圆柱体试件，两端磨平。

图1 长石砂岩外观照片

1.2 混凝土

水泥为陕西铜川产的中热硅酸盐水泥，强度等级为42.5级，28 d抗压强度为44.2 MPa。粉煤灰为河津电厂生产的I级粉煤灰，需水量比93.6%，烧失量3.17%。外加剂为陕西西卡建筑材料有限公司生产的缓凝型聚羧酸高性能减水剂以及AER50-C型引气剂，减水剂的减水率为25.1%。选择水胶比分别为0.40、0.45、0.50进行碾压混凝土配合比设计，二级配混凝土配合比参数与工作性见表1。混凝土的工作性、力学性能与耐久性能试验方法依据SL 352—2006《水工混凝土试验规程》[12]进行测定。

表1 碾压混凝土配合比参数与工作性成果

2 结果与分析

2.1 原岩岩矿鉴定

岩矿鉴定结果见表2和图2。由鉴定结果可知，该砂岩为一种沉积岩，主要由砂粒胶结而成。砂岩块石料外观为肉红色微带绿色或肉红色，部分带有明显的沉积层理，成分以长石、石英为主，含有少量云母，碎屑颗粒以细粒为主，为中-细粒或细粒砂状结构构造，胶结类型为接触胶结或孔隙胶结。

表2 原岩岩矿鉴定成果

图2 岩矿鉴定薄片

矿物成分分析试验成果见图3。由图3可知，该长石砂岩主要矿物成分为斜长石，平均含量为38%，其次为石英，平均含量为28%。此外，岩石中含有4%的伊利石和15%的绿泥石，两者均为黏土矿物。对岩石进行化学成分分析试验，试验结果见表3。试验结果表明，该岩石主要化学成分为SiO2，平均含量为65.93%。Al2O3平均含量为13.77%，Fe2O3平均含量为4.58%。

表3 原岩主要化学成分成果 %

图3 岩石矿物成分组成结果

原岩物理力学性能试验结果见表4。结果表明，岩石的平均干密度均为2.49 g/cm3，饱和单轴抗压强度平均值分别为95.6 MPa和85.5 MPa，软化系数平均值分别为0.73和0.76，冻融质量损失率平均值为0.01%。干状态下弹性模量平均值为22.3 GPa，饱和状态下为24.8 GPa。与灰岩、花岗岩等岩石相比，该砂岩的软化系数和弹性模量均偏低。

表4 原岩物理力学性能试验成果

2.2 骨料性能

粗骨料性能试验成果见表5。可见，粗骨料5～20 mm和20～40 mm粒径的吸水率分别达到了2.92%和2.33%，高于SL 677—2014《水工混凝土施工规范》[2]规范配制抗冻混凝土不大于1.5%的要求。此外，5～10 mm粒径还存在软弱颗粒含量超标的问题。细骨料性能试验成果见表6。可见，人工砂的细度模数偏小，石粉含量偏高。

表5 粗骨料性能试验成果

表6 细骨料性能试验成果

3 混凝土性能

3.1 混凝土力学性能研究

分别进行不同龄期(7、28、90、180 d)的抗压强度、弹性模量、极限拉伸值和泊松比试验，结果见表7。由表7可知，随着混凝土龄期的增长，不同水胶比混凝土的强度、弹性模量和极限拉伸值呈增长趋势。以180 d龄期为例，当水胶比在0.50～0.40之间变化时，混凝土强度在34.4～42.9 MPa之间，抗压弹性模量在1.62～1.76 MPa之间，极限拉伸值在1.79×10-4～1.86×10-4之间，泊松比在0.151～0.156之间，混凝土90 d龄期的抗渗等级在W12以上。与常用的灰岩骨料碾压混凝土相比，混凝土的弹性模量偏低一半左右，极限拉伸值提高1倍左右[13]。

表7 碾压混凝土力学性能试验成果

随着水胶比增大，混凝土的强度、弹性模量、极限拉伸值和泊松比均呈降低趋势。绘制混凝土强度与龄期的关系，见图4。由图4可知，混凝土强度与龄期存在较好的对数曲线关系，这与普通混凝土的强度发展规律相似。从90 d和180 d的混凝土强度来看，该砂岩骨料可以满足配制C25强度等级的碾压混凝土的要求。

图4 混凝土强度与水胶比、龄期的关系

混凝土的弹强比为弹性模量与强度的比值，弹强比越小，混凝土的变形能力越大。计算混凝土的弹强比，绘制混凝土的弹强比与水胶比、龄期的关系，见图5。由图5可知，随着混凝土龄期的增长，混凝土的弹强比呈降低趋势，降低幅度趋缓；随着水胶比增大，混凝土的弹强比呈增大趋势。这说明，随着混凝土强度提高，混凝土弹性模量的增加幅度低于强度的增加幅度。为进一步分析该砂岩骨料混凝土的弹性模量与普通混凝土的差异，参考SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》[14]关于混凝土强度与弹性模量的关系公式(式(1))，计算弹性模量与强度的关系。绘制普通混凝土和砂岩骨料混凝土弹模与强度关系曲线，见图6。由图6可知，在相同强度条件下，砂岩骨料混凝土的弹性模量约为普通混凝土的一半。同时，随着强度增长，混凝土弹性模量具有增长趋势但增长幅度变缓。进一步说明随着混凝土强度提高，混凝土弹性模量的增加幅度低于强度的增加幅度。混凝土弹性模量为

图5 混凝土弹强比与水胶比、龄期的关系

图6 混凝土弹性模量与强度的关系

(1)

式中，Ec为混凝土弹性模量；fcu为混凝土强度；a、b为系数，其中，普通混凝土a=2.2、b=34.7，砂岩骨料混凝土a=3.39、b=94.3。

3.2 混凝土耐久性能研究

对水胶比为0.50的混凝土进行90 d龄期抗渗试验，加水压至2.4 MPa，6个试件均没有渗水现象，将试块劈开后水位上升高度不到试块高度的1/3，如图7所示。这说明混凝土的抗渗性能是比较好的，可以满足W12抗渗等级的要求。

图7 水胶比为0.50混凝土渗水情况

采用快速冻融法进行碾压混凝土的抗冻性能试验，表8为抗冻性能试验成果，图8为混凝土抗冻性能随冻融循环次数的变化趋势，图9为经历不同冻融循环次数碾压混凝土外观情况。由表8和图8可知，随着冻融循环次数的增加，混凝土的质量损失率呈增大趋势，相对动弹性模量呈降低趋势。当水胶比为0.40时，长石砂岩骨料碾压混凝土的抗冻等级可达到F600以上，水胶比为0.45和0.50时，抗冻等级达到F400以上。由图9可知，随着冻融循环次数的增加，混凝土表面砂浆由外向内逐层剥落，大骨料逐渐暴露，但整体完整性较好，没有出现断裂和冻酥的现象。在试验过程中试件与手接触时，可明显感觉到粗骨料表面有松动的砂粒，用手擦拭有起砂现象，反映出砂岩骨料中砂粒之间的胶结受到了破坏，这是产生质量损失的主要原因。将水胶比0.50的混凝土冻至600次后沿横断面切割，观察内部破坏情况，见图10。由图10可知，混凝土内部保留较好，没有肉眼可见裂缝，粗骨料完整。综合混凝土动弹性模量、质量变化率和外观变化情况可知，砂岩骨料混凝土在冻融状态下表现出由外向内的逐渐剥落过程，劣化特征主要表现为质量的损失。

表8 碾压混凝土抗冻性能试验成果 %

图8 混凝土抗冻性能

图9 NY2-WL17.7- 0.50冻融试验

图10 水胶比为0.50混凝土冻融600次后切开内部断面

通过砂岩骨料混凝土冻融试验可以发现，尽管砂岩骨料本身吸水率较大，通过配合比设计，砂岩骨料碾压混凝土的抗冻性能可以达到F400的抗冻等级。由此可知，大吸水率的砂岩骨料混凝土具有较好的抗冻性能，这一方面归因于混凝土本身充足的含气量，另一方面可能和砂岩骨料内部有一定的孔隙率有关，砂岩骨料内部微小的孔隙起到了类似气孔的作用，为冰压力提供了释放的空间[15-18]。需要指出的是，室内冻融与自然条件下冻融有一定的差别，为确保工程安全，建议在混凝土强度上留有一定的富裕。

4 结 论

针对黄河某水利枢纽工程大吸水率长石砂岩骨料，本文开展了原岩岩矿鉴定和物理力学性能试验、碾压混凝土强度、弹性模量、极限拉伸、泊松比和抗冻试验，对砂岩骨料及其混凝土性能进行了较为详细的研究，结论如下：

(1)该长石砂岩成分以长石、石英为主，含有少量云母，碎屑颗粒以细粒为主，为中-细粒或细粒砂状结构构造，胶结类型为接触胶结或孔隙胶结。

(2)该砂岩骨料原岩的平均干密度均为2.49 g/cm3，饱和单轴抗压强度大于85 MPa，岩石不具有潜在碱硅酸盐反应危害，干状态下弹性模量平均值为22.3 GPa，饱和状态下为24.8 GPa。该砂岩的软化系数和弹性模量均偏低。

(3)采用该砂岩骨料可以配制出C25W12F300的碾压混凝土。与常见的灰岩骨料碾压混凝土相比，采用该砂岩骨料制备的碾压混凝土弹性模量约为普通骨料混凝土的一半，极限拉伸较高，混凝土的弹强比较低。

(4)采用该砂岩骨料配制的碾压混凝土受冻融循环作用时，由于砂岩骨料中砂粒之间的胶结受到了破坏，导致质量损失较快，混凝土表面逐层剥落，内部混凝土保留相对完整，相对动弹性模量损失较慢。