不同集料组合对C40水泥混凝土路面耐久性能的影响研究

刘贞鹏 杨宇

摘要：为提升C40水泥混凝土路面的耐久性，同时丰富路面建设材料来源，文章对砂岩碎石+天然砂（A）、砂岩碎石+砂岩机制砂（B）、玄武岩碎石+天然砂（C）三种集料组合下水泥混凝土进行了耐久性对比试验。结果表明：从抗水渗、抗氯离子渗透、抗碳化、抗冻、抗硫酸盐侵蚀和早期抗裂性试验结果来讲，均表现为A>C>B；三种集料组合下，抗水渗透性均＞P30，抗氯离子渗透性均满足100年的设计使用需求，A组的抗碳化能力满足T-Ⅴ等级，B组和C组的抗碳化能力满足T-Ⅳ等级；在材料允许情况下，应优先使用天然砂作为细集料，选用砂岩碎石作为粗集料，当天然砂不足时，也可采用砂岩机制砂作为细集料，配制的C40水泥混凝土也同样具有良好的耐久性。

关键词：水泥混凝土；砂巖；玄武岩；机制砂；天然砂；集料；耐久性

中图分类号：U416.03 A 16 47 2

0 引言

水泥混凝土路面是应用较为成熟的路面形式，在山区公路建设中较为常见，在当前基础设施建设中，原材料的采集、运输与使用问题日益突出，如果采用外运砂石骨料的方法，成本过高，因而一般采取就地取材的方式，从而达到节约成本的目的［1-2］。砂岩和玄武岩在我国各地区都有广泛分布，因此如何有效利用当地的建材资源成为当前工程建设的一大重点［3-4］。本文对砂岩碎石+天然砂、砂岩碎石+砂岩机制砂、玄武岩碎石+天然砂三种集料组合下水泥混凝土的耐久性进行了对比试验，探讨如何利用集料组合来提升水泥混凝土路面的耐久性，可为水泥混凝土道路建设提供借鉴。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥：P.O 42.5普通硅酸盐水泥，平均密度为3.2 g/cm3，比表面积为360 m2/kg，标准稠度用水量为27%，初凝和终凝时间分别为145 min和295 min，28 d抗折和28 d抗压强度分别为6.9 MPa和44 MPa。

粗集料：包括砂岩碎石（粒径为4.75～19 mm）和玄武岩碎石（粒径为4.75～25 mm）两种。砂岩碎石的表观密度为2 650 kg/m3，堆积密度1 610 kg/cm3，压碎值为13%，针片状含量为4.8%，平均吸水率1%，坚固性1%，含泥量0.3%；玄武岩碎石的表观密度为2 850 kg/m3，堆积密度为1 580 kg/cm3，压碎值为14.3%，针片状含量为6%，平均吸水率1%，坚固性1.7%，含泥量0.4%。

细集料：包括天然砂和砂岩机制砂两种，细度模数分别为2.8和2.86，表观密度分别为2 670 kg/cm3和2 645 kg/cm3，自然堆积密度分别为1 511 kg/cm3和1 480 kg/cm3，孔隙率分别为34.3%和36.7%，含泥量分别为1.6%和2.2%，坚固性分别为4%和3%。

减水剂：采用聚羧酸高性能减水剂，1%掺量下的减水率为30.5%，泌水率为34%，含气量3%，掺量宜控制在0.8%～1.4%。

水：实验室自来水。

1.2 配合比

水泥混凝土设计强度等级为C40，通过初步配合比和基准配合比设计，最终得到实验室配合比设计情况。试验共设计三种不同粗细集料组成的水泥混凝土，分别为砂岩碎石+天然砂（编号为A）、砂岩碎石+砂岩机制砂（编号为B）、玄武岩碎石+天然砂（编号为C），水胶比均为0.4。不同集料C40水泥混凝土配合比情况见表1。

1.3 试验内容和方法

对三种不同集料水泥混凝土分别进行抗水渗试验、抗氯离子渗透试验、抗碳化试验、抗冻试验、抗硫酸盐侵蚀试验和早期抗裂性试验。抗水渗试验采用逐级加压法，测量渗水高度；抗氯离子渗透试验采用电通量法，在60 V电压下测试混凝土试件在6 h内通过的电通量；抗碳化试验采用碳化试验箱对水泥混凝土碳化不同的时间，并利用酚酞溶液来测试碳化深度；抗冻试验采用快速冻融试验法，温度为-20 ℃～20 ℃，每次冻融循环时间为8 h；抗硫酸盐侵蚀试验采用全自动混凝土抗硫酸盐干湿循环试验机，硫酸盐的浓度为5%；早期抗裂性试验温度为20 ℃±2 ℃，湿度60%±5%，24 h后测试裂缝数量、长度和宽度。

2 试验结果分析

2.1 抗水渗

不同集料配合比下水泥混凝土的抗水渗试验结果见图1。当逐渐加压到3.2 MPa后，所有试件两端并未出现渗水现象，表明三组水泥混凝土的抗渗等级均>P30，而工程要求的水泥混凝土抗渗等级>P12即可，因此不再继续加压，停止试验。试验结束后，测量A、B、C三组试件的平均渗水高度分别为7 mm、14 mm和11 mm，因此抗水渗能力A>C>B。这是因为天然砂相比机制砂具有更好的填充作用，因而A、C组的密实度高于B组，同时玄武岩的平均碎石粒径要大于砂岩的平均碎石粒径，集料粒径越大的区域水胶比也越大，导致界面过渡区孔隙率也相对偏大，结构相对较疏松，故而A组的密实度大于C组，从而表现出A>C>B的抗水渗性能。

2.2 抗氯离子渗透

不同集料组合对C40水泥混凝土路面耐久性能的影响研究/刘贞鹏，杨 宇

不同集料配合比下水泥混凝土（56 d龄期）的抗氯离子渗透试验结果见图2。由图2可知：A组的平均电通量最小，仅为775 C，其次为C组，为1 072 C，平均电通量最大的为B组，达到1 134 C，因此抗氯离子渗透性能排序为：A>C>B，与抗水渗试验结果一致，密实度越高，水泥混凝土的抗氯离子渗透性能越好。对于C40水泥混凝土，100年设计使用年限下要求电通量<1 200 C，60年设计使用年限下<1 500 C，30年设计使用年限下<2 000 C，A、B、C三组水泥混凝土均满足设计使用100年的要求。

2.3 抗碳化

不同集料配合比下水泥混凝土抗碳化试验结果见表2。三组配合比水泥混凝土在碳化3 d、7 d和14 d后，均没有出现碳化损伤，当碳化时间达到28 d后，A组仍然没有出现碳化损伤，而B组和C组的碳化深度分别为2 mm和1 mm，表明抗碳化能力排序也为A>C>B。这是因为水泥混凝土的结构越致密，阻止CO2进入试件内部的能力越强。根据《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T 193-2009）对抗碳化等级的划分，A组满足T-Ⅴ抗碳化等级，B组和C组满足T-Ⅳ抗碳化等级，利用砂岩碎石和天然砂可配制出抗碳化性能优良的水泥混凝土。

2.4 抗冻

不同集料配合比下水泥混凝土抗冻试验结果见图3。由图3可知：在经过350次冻融循环后，A的质量损失率和强度损失率分别为2.17%和16.8%，B组的质量损失率和强度损失率分别为1.96%和21.7%，C组的质量损失率和强度损失率分别为2.52%和18.7%。质量损失率排序为C>A>B，强度损失率排序为B>C>A，由于质量损失率均未>55%，因此以强度损失率来评价抗冻性，即为A>C>B。三组集料配合比下均具有较好的抗渗性能，故试件不易达到饱和状态，不易产生冰冻破坏，同时砂岩碎石粒徑小，而且天然砂填充性好，故孔结构连通性较少，可缓解水在水泥石中迁移产生的压力破坏。

2.5 抗硫酸盐侵蚀

不同集料配合比下水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀试验结果见后页图4。由图4可知：在5%浓度硫酸盐溶液干湿循环作用下，90次过后的水泥混凝土耐蚀系数均>90%，A、B、C三组的耐蚀系数分别为93.3%、90.4%和82.1%；当经历120次干湿循环后，耐蚀系数分别降至85.6%、80.4%和82.4%，抗硫酸盐侵蚀能力排序为A>C>B。这是由于天然砂相比机制砂填充效果更好，水泥混凝土的密实度更高，抗渗性更好，使得硫酸根离子进入试件的难度增加，减少了与混凝土中氢氧化钙发生反应的概率，而使用机制砂的水泥混凝土在硫酸根离子反复作用下（经化学反应生成盐结晶，产生体积膨胀应力，对混凝土造成膨胀损伤），表面浆体出现了剥落和剥离现象，一部分渗透通道贯通，因而后期耐腐蚀系数下降幅度较快。

2.6 早期抗裂

不同集料配合比下水泥混凝土早期抗裂试验结果见表3。从表3可知：A组的平均开裂面积最小，仅为12 mm2/条，其次为B组，为14 mm2/条，C组的平均开裂面积最大，达到19 mm2/条，A、B、C三组的单位面积裂缝数分别为13.2条/m2，15.9条/m2和10.2条/m2。从单位面积的总开裂面积来看，B组的单位面积总开裂面积最大，为223 mm2/m2；其次为C组，单位面积总开裂面积为194 mm2/m2；最小的为A组，单位面积总开裂面积仅为158 mm2/m2；故早期抗裂性排序仍然为：A>C>B。砂岩质地坚硬，抗拉强度较高，砂岩碎石表面构造相对更为粗糙，有利于和水泥浆体形成更强的粘结力，同时天然砂配制的混凝土界面过渡区的宽度更小，因而更不易产生裂缝。

3 结语

对比分析了砂岩碎石+天然砂（A）、砂岩碎石+砂岩机制砂（B）、玄武岩碎石+天然砂（C）三种集料组合下水泥混凝土的耐久性能，得出如下结论：

（1）采用砂岩碎石+天然砂集料组合的水泥混凝土耐久性最好，其次为玄武岩碎石+天然砂集料组合，最差的为砂岩碎石+砂岩机制砂集料组合，即表现为：A>C>B。

（2）三种集料组合下，抗水渗透性均>P30，抗氯离子渗透性均满足100年的设计使用需求，A组的抗碳化能力满足T-Ⅴ等级，B组和C组的抗碳化能力满足T-Ⅳ等级。

（3）本文仅对砂岩和玄武岩集料进行了探讨，也仅采用最常用的C40水泥混凝土开展了相关试验，关于其他材质强度等级和集料的研究将在今后做进一步补充。

参考文献

［1］弥海晨，王 琪，薛 辉，等.隧道内水泥混凝土路面微铣刨后摩擦系数衰减规律研究［J］.中外公路，2022，42（1）：73-78.

［2］韦子娥.微裂均质化处治再生技术在水泥混凝土路面的应用［J］.西部交通科技，2021（9）：14-15，29.

［3］张彩霞.水泥稳定碎石用砂岩集料敏感性指标研究［J］.黑龙江交通科技，2022，45（1）：52-54.

［4］魏 宁，李仲玉，刘汉云飞.寒冷地区水泥稳定多孔玄武岩碎石路面基层收缩性能研究［J］.交通世界，2022（Z2）：6-9.

收稿日期：2023-09-26