石灰岩-砂岩组合骨料混凝土力学特性试验研究.pdf

第 卷第 期年 月水利与建筑工程学报 ，：收稿日期：修稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；云南省基础研究计划面上项目（）作者简介：赵胜利（），男，工程师，主要从事路桥及岩土工程施工技术研究。：通讯作者：张国辉（），男，博士，副教授，主要从事混凝土耐久性研究等方面工作。：石灰岩 砂岩组合骨料混凝土力学特性试验研究赵胜利，张国辉，魏雄，杨振东（中信建设有限责任公司，北京 ；昆明理工大学 电力工程学院，云南 昆明 ）摘要：优质石灰岩骨料与地缘性砂岩骨料形成组合骨料，可提高资源利用率，具有良好的社会经济效益。设置 种不同石灰岩与砂岩质量占比组合，系统开展不同石灰岩与砂岩占比组合骨料对混凝土力学特性影响规律研究，为组合骨料的实际工程运用提供理论依据。研究表明，组合骨料中石灰岩与砂岩占比对混凝土抗压强度及弹性模量存在显著影响，而对其劈裂抗拉强度影响甚微。组合骨料混凝土抗压强度及弹性模量随石灰岩占比提高而增大，纯石灰岩骨料混凝土抗压强度及弹性模量较纯砂岩骨料混凝土分别增加了 、，石灰岩骨料占比的提升显著提高了混凝土强度及刚度。石灰岩及砂岩骨料级配相近条件下，石灰岩骨料推荐低占比区间为 ，且经济效益良好；推荐高占比区间为 ，应尽量避开区间为 。关键词：组合骨料；混凝土；抗压强度；劈裂抗拉强度；弹性模量中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；粗骨料是混凝土的重要组成部分，约占混凝土材料总质量的 ，不同的骨料特性对混凝土性能的影响尤为显著 。石灰岩骨料强度高、骨料粒形好、热学性能佳，是人工骨料中的首选之一。近年来我国混凝土浇筑量快速增长，对优质石灰岩粗骨料的需求量巨大。受优质骨料价格及运输成本限制，导致不少地区优质粗骨料资源十分短缺 。利用我国西南地区工程开挖产生的丰富的砂岩资源替代部分石灰岩骨料，形成砂岩 石灰岩组合骨料不仅可以解决石灰岩骨料价格高昂和运输不便的问题，还可以提高资源利用率，就地取材，具有良好的经济及社会效益。砂岩骨料具有强度相对较低，多孔吸水以及针片率高等特性，组合骨料可充分利用不同骨料的优势，进而提升混凝土物理力学特性，满足工程使用要求 。系统开展地缘性骨料与优质骨料的组合骨料混凝土物理力学特性影响规律研究对实现绿色可持续工程建设意义深远。部分研究者首先就砂岩骨料特性及砂岩骨料混凝土性能展开研究，杨林等开展了砂岩原岩岩矿鉴定和物理力学性能试验，测试分析了大吸水率砂岩碾压混凝土强度及抗渗和抗冻性能，表明大吸水率砂岩骨料亦可满足碾压混凝土的相关要求 。为降低纯砂岩骨料混凝土的碱骨料反应和干缩性，增强砂岩骨料混凝土强度及抵抗变形能力，部分研究者随即开展了砂岩与其他优质骨料的组合运用研究。肖翔和董芸等提出采取组合骨料，掺入高掺粉煤灰以及严控碱含量可以有效将 反应控制在较低水平 。罗键等开展了石英砂岩粗骨料与灰岩细骨料的组合骨料混凝土温度变形及绝热温升等特性研究，验证了水库坝体堆石混凝土采用组合骨料是可行的 。陈治旭等得到了与全砂岩骨料相比，砂岩 大理岩组合骨料能提高全级配混凝土的抗压强度、降低混凝土的干缩和自生体积变形的结论 ，但未涉及砂岩 石灰岩组合骨料。研究者亦对不同岩性的粗细骨料组合开展了探索性研究。张建峰等选取了种不同粗细骨料组合，在相同条件下进行了抗冲磨混凝土的力学、变形、热学和抗冲磨性能试验。研究结果表明骨料特性对混凝土力学性能、变形性能、热学性能和抗冲磨性能均有影响 。董海英等研究结论表明采用组合骨料，且骨料为间断级配时，与采用单一骨料时对比，降低了粉煤灰掺量，水胶比变大，用水量增加 。目前研究者较多关注机制砂河砂组合细骨料混凝土物理力学性能研究，针对粗骨料种类，主要就各类型粗骨料混凝土差异性展开研究，关于地缘性砂岩粗骨料与优质石灰岩骨料掺配使用研究较少。石灰岩砂岩组合骨料混凝土，由于砂岩的高吸水率，研究者较多关注砂岩骨料混凝土干缩性及徐变性能 ，针对组合骨料中优质石灰岩骨料占比对混凝土物理力学特性研究尚不系统，有必要系统开展组合骨料混凝土物理力学特性研究，探究组合骨料中优质石灰岩骨料的优化占比，为优质石灰岩掺配地缘性砂岩骨料的实际工程运用提供支撑。本文通过物理试验，设置 种不同石灰岩与砂岩占比的组合骨料，在相同配合比条件下，系统研究砂岩与石灰岩粗骨料占比对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度以及弹性模量的影响规律，并综合强度、弹性模量演化规律及材料经济性，提出砂岩与石灰岩组合骨料的石灰岩优化推荐占比，为砂岩与石灰岩组合骨料的实际工程运用提供支撑。试验概况 试验材料及设备水泥选用云南宜良红狮水泥有限公司生产的 级复合硅酸盐水泥，其初凝时间为 ，终凝时间为 ，安定性合格，标准稠度用水量为 。细骨料采用中砂，细度模数为 ，表观密度为 ，堆积密度为 ，含泥量 ，有害物质含量均在规定值以下。粗骨料采用砂岩与石灰岩组合骨料，砂岩与石灰岩粗骨料均为机制碎石，最大骨料粒径均为 ，均为级配，其中小石 和中石 的质量比为 。骨料级配对混凝土性能存在影响，砂岩与石灰岩骨料级配的差异势必将影响组合骨料混凝土物理力学性能的评价。故将石灰岩与砂岩骨料进行了预筛分，石灰岩与砂岩骨料筛分级配曲线基本相似，石灰岩及砂岩粗骨料筛分级配曲线见图 ，砂岩与石灰岩粗骨料其他物理参数详见表 ，本试验采用的砂岩与石灰岩粗骨料如图 所示。混凝土强度试验机采用上海华龙仪器公司生产的 微机控制电液伺服万能试验机，最大试验力可达 ，位移测量精度为 。表 砂岩与石灰岩粗骨料物理特性粗骨料类型表观密度（）堆积密度（）压碎指标 坚固性 砂岩 石灰岩 图 石灰岩与砂岩粗骨料的筛分级配曲线水利与建筑工程学报第 卷图 砂岩和石灰岩粗骨料 试验设计与方法试验控制因素为粗骨料类型及组合质量比，石灰岩粗骨料与砂岩粗骨料质量比设置 种组合，试验设计分组详见表 。试验研究指标为混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量。由于砂岩与石灰岩粗骨料吸水率存在显著差异，故将砂岩和石灰岩碎石进行 浸泡处理，使砂岩及石灰岩粗骨料均达到饱和状态后进行混凝土拌和，排除粗骨料吸水率差异导致的配合比变化。为避免粗骨料级配差异影响，将石灰岩与砂岩骨料分 级筛分，配置级配相近的砂岩骨料与石灰岩骨料。在混凝土配合比保持不变条件下，按照预设砂岩与石灰岩粗骨料质量占比，拌和形成砂岩与石灰岩组合粗骨料混凝土，研究砂岩与石灰岩粗骨料质量比对混凝土力学特性影响规律。试验混凝土水灰比为 ，其中水、水泥、细骨料、粗骨料质量比为 。混凝土试件标准养护 后，进行抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量的检测试验。试验执行标准为 水工混凝土试验规程 （）。每个试验组设置块尺寸为 的立方体试件，其中 块检测抗压强度，其余 块检测劈裂抗拉强度。块尺寸为 圆柱体试件，用于检测混凝土弹性模量。表 试验分组试验编号组合粗骨料组分质量比 砂岩石灰岩 试验结果与分析 组合骨料混凝土抗压强度变化规律根据不同组合粗骨料条件下混凝土抗压强度试验值，以石灰岩与砂岩的组合粗骨料中石灰岩占比为横坐标，抗压强度为纵坐标，得到混凝土抗压强度随石灰岩粗骨料占比变化曲线，如图 所示。图 混凝土抗压强度随石灰岩粗骨料占比变化曲线由图 可知，相同配合比条件下，混凝土抗压强度受其粗骨料的种类及占比影响显著。混凝土抗压强度随优质石灰岩骨料占比的增加而增大，说明相同配合比条件下，优质石灰岩粗骨料的掺入能够有效提高混凝土抗压强度。譬如，石灰岩与砂岩质量比为 时的混凝土抗压强度仅为二者质量比为 的 。纯石灰岩骨料及纯砂岩骨料混凝土抗压强度分别达到最大及最小值，纯石灰岩粗骨料混凝土抗压强度为纯砂岩粗骨料的 倍。石灰岩粗骨料占比由 增至 时，对应的混凝土抗压强度增幅仅为 ，基本保持不变。而当石灰岩粗骨料占比由 增至 、由 增至 时，对应抗压强度增幅分别为 和 。说明仅考虑抗压强度增幅，优质石灰岩骨料占比范围为 、时具有较好的性价比。组合骨料混凝土劈裂抗拉强度变化规律根据不同组合粗骨料条件下混凝土劈裂抗拉强度试验值，以石灰岩与砂岩的组合粗骨料中石灰岩占比为横坐标，劈裂抗拉强度为纵坐标，得到混凝土劈裂抗拉强度随石灰岩粗骨料占比变化曲线，如图所示。由图 可知，相同配合比条件下，砂岩及石灰岩粗骨料占比变化对混凝土劈裂抗拉强度影响甚微，混凝土劈裂抗拉强度存在小幅波动，基本保持稳定。纯砂岩粗骨料混凝土劈裂抗拉强度较纯石灰岩骨料第 期赵胜利，等：石灰岩 砂岩组合骨料混凝土力学特性试验研究混凝土变幅仅为 。仅考虑混凝土劈裂抗拉强度，优质石灰岩粗骨料的掺入对混凝土劈裂抗拉强度增益效应并不显著，其原因与混凝土劈裂抗拉的破坏机理有关。试件劈裂破坏时，破坏面多是薄弱的粘结界面层，内部裂纹一旦产生便会快速扩展。由于砂浆基体抗拉强度均低于砂岩及石灰岩骨料，此时裂缝扩展将绕过骨料而发生曲折破坏，因而砂岩及石灰岩骨料颗粒阻碍微裂缝发展的能力是相同的，这导致纯砂岩骨料混凝土与纯石灰岩骨料混凝土劈裂抗拉强度试验较为接近 。图 混凝土劈裂抗拉强度随石灰岩粗骨料占比变化曲线普通混凝土抗拉强度一般约为抗压强度的 ，即拉压比为 。石灰岩砂岩组合骨料混凝土劈裂抗拉强度与其抗压强度之比如表所示。由表 可知，石灰岩砂岩骨料混凝土拉压比平均值为 ，且石灰岩砂岩骨料混凝土拉压比随石灰岩占比变化存在显著差异。组合骨料混凝土拉压比随石灰岩占比的增加而降低，纯砂岩骨料混凝土拉压比为纯石灰岩骨料拉压比的 倍。石灰岩与砂岩组合骨料混凝土结构设计时应该充分考虑骨料种类及占比。表 组合骨料混凝土拉压比石灰岩占比 抗压强度 劈裂抗拉强度 拉压比 组合骨料混凝土弹性模量变化规律根据不同组合粗骨料条件下混凝土劈裂抗拉强度试验值，以石灰岩与砂岩的组合粗骨料中石灰岩占比为横坐标，弹性模量为纵坐标，得到混凝土弹性模量随石灰岩粗骨料占比变化曲线，如图 所示。图 混凝土弹性模量随石灰岩粗骨料占比变化曲线由图 可知，相同配合比条件下，混凝土弹性模量受其粗骨料种类及占比的影响显著，混凝土弹性模量随优质石灰岩粗骨料占比的增加呈近似线性关系增大。优质石灰岩粗骨料占比范围为 时，混凝土弹性模量增幅基本恒定。石灰岩骨料占比为 时混凝土弹性模量为石灰岩骨料占比为 时的 倍。纯石灰岩骨料及纯砂岩骨料混凝土弹性模量分别达到最大及最小值，纯砂岩粗骨料混凝土弹性模量仅为纯石灰岩骨料的 。说明相同配合比条件下，优质石灰岩粗骨料的掺入能够有效提高混凝土抵抗变形能力。在混凝土结构变形及裂缝研究计算中均需先获得混凝土弹性模量，研究石灰岩与砂岩组合骨料混凝土弹性模量与抗压强度相关性对组合骨料混凝土结构设计研究具有重要意义。根据不同石灰岩骨料占比条件下的弹性模量与抗压强度试验值，拟合得到组合骨料混凝土弹性模量关于抗压强度的预测方程，详见式（），其相关系数为 ，相关性良好。图 为组合骨料混凝土弹性模量实测值与预测值对比曲线。由图 可知，试验值与预测模型吻合较好，该预测方程可为石灰岩与砂岩组合骨料混凝土弹性模量预测提供支撑。（）式中：为混凝土弹性模量，；为混凝土抗压强度，。图 组合骨料混凝土弹性模量实测值与预测值对比曲线水利与建筑工程学报第 卷 砂岩与石灰岩骨料占比的综合影响规律以石灰岩骨料占比为 ，即纯砂岩粗骨料混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度以及弹性模量为基础，定义各不同石灰岩骨料占比下的混凝土强度、弹性模量与纯砂岩骨料混凝土强度、弹性模量之差，该差值再与纯砂岩骨料混凝土强度、弹性模量之比为强度及弹性模量增幅。图 为不同石灰岩骨料占比下混凝土强度与弹性模量增幅变化曲线。图 组合骨料混凝土强度及弹性模量增幅变化曲线由图 可知，相同配合比条件下，混凝土抗压强度及弹性模量增幅随石灰岩骨料占比提高而增大，抗压强度及弹性模量最大增幅达 、，而石灰岩骨料占比对混凝土劈裂抗拉强度增幅基本无影响。结合石灰岩粗骨料单价 元 ，砂岩粗骨料单价 元 ，材料差价 元 。基于石灰岩骨料占比对混凝土强度、弹性模量增幅规律以及经济性的综合考虑，石灰岩骨料占比区间 时，抗压强度及弹性模量最大增幅分别为 、，为石灰岩骨料低占比推荐区间。砂岩石灰岩组合骨料，石灰岩占比 时，石灰岩与砂岩组合骨料材料单价为 元 ，较纯石灰岩骨料节省材料费 元 。按照粗骨料需求 计算，即可节省材料费 万元，经济效益显著。石灰岩骨料占比区间为 时，抗压强度较 占比时仅增加了 ，较石灰岩骨料的低占比区间 提升较小，且石灰岩骨料占比增加至 时，组合骨料单价已增加至 元 ，经济效益降低，故应尽量避免该石灰岩骨料的占比区间。石灰岩骨料占比区间为 时，混凝土抗压强度及弹性模量最大增幅为 、，强度及刚度提升显著，此时的组合骨料单价已增加到 元 ，较纯石灰岩单价差为 元 ，此时主要考虑其组合骨料混凝土是否满足实际工程需求，经济效益为辅。结论（）石灰岩与砂岩级配相近条件下，组合骨料中石灰岩与砂岩占比差异对混凝土抗压强度及弹性模量影响显著，而对其劈裂抗拉强度影响甚微。随石灰岩骨料占比的提高，混凝土抗压强度及弹性模量均不同程度有所增加。纯石灰岩骨料混凝土抗压强度较纯砂岩骨料混凝土增加了 ，纯石灰岩骨料混凝土弹性模量较纯砂岩骨料混凝土增加了 ，石灰岩骨料的掺入能有效提升混凝土强度及刚度。（）组合骨料混凝土拉压比随石灰岩占比的增加而降低，纯砂岩骨料混凝土拉压比为纯石灰岩骨料拉压比的 倍。石灰岩与砂岩组合骨料混凝土结构设计时应该充分考虑骨料种类及占比。组合骨料混凝土弹性模量与其抗压强度呈幂函数关系，且所建立的组合骨料混凝土弹性模量预测方程相关性良好。（）基于石灰岩骨料占比对混凝土强度、弹性模量增幅规律以及经济性的综合考虑，石灰岩骨料的推荐低占比区间为 ，推荐高占比区间为 ，应尽量避开区间为 。以上研究成果可为砂岩 石灰岩组合骨料在中低强度等级混凝土实际工程运用提供支撑。参考文献：贾金青，杜佳篧，张丽华 后掺骨料混凝土中长柱恢复力模型研究 水利与建筑工程学报，（）：叶新，李朝政，张虹 高钛重矿渣粗骨料在抗冲耐磨混凝土中的应用研究 水利与建筑工程学报，（）：陈黎 区域石灰岩骨料混凝土回弹专用测强曲线研究 水利规划与设计，（）：常思琼 辽阳地区石灰岩的微观结构及其碱活性岩相分析 中国非金属矿工业导刊，（）：，张立勃，陈洪光，汪富军，等 板状砂岩粗骨料应用于铁路 年耐久性泵送混凝土 建筑技术，（）：温郁斌，张静晓，孙艳鹏 基于粉碎性黄土环境的弃渣砂岩在混凝土中的应用性能研究 施工技术（中英文），（）：杨林，李波，张海晨，等 大吸水率砂岩骨料碾压混凝土力学与抗冻性能研究 水力发电，（）：肖翔 大坝混凝土 工程抑制措施及长期效果评价 水利技术监督，（）：，董芸，周泽聪，李鹏翔，等 锦屏一级大坝混凝土骨料碱活性抑制措施的长期有效性研究 长江科学院院报，（）：，（下转第 页）第 期赵胜利，等：石灰岩 砂岩组合骨料混凝土力学特性试验研究 崔瑶，刘洪滔，高晓玉 不同减隔震措施下平板支座抗震性能试验研究 地震工程与工程振动，（）：霍林生，何枭，李宏男 铝管约束轻型防屈曲支撑的实验研究 地震工程与工程振动，（）：曾一凡，邓雪松，周云 双曲型不锈钢管铅阻尼器性能研究 地震工程与工程振动，（）：，：吕西林，陈聪 设置可更换连梁的双筒体混凝土结构振动台试验研究 建筑结构学报，（）：范重，王海波，裴雨晨，等 可更换连梁对框架 核心筒结构损伤影响研究 建筑结构学报，（）：吕西林，武大洋，周颖 可恢复功能防震结构研究进展 建筑结构学报，（）：吕西林，全柳萌，蒋欢军 从 届世界地震工程大会看可恢复功能抗震结构研究趋势 地震工程与工程振动，（）：叶列平，康胜，欧阳彦峰，等 双重抗震结构体系 建筑结构，（）：，：赵俊贤，吴斌 防屈曲支撑的工作机理及稳定性设计方法 地震工程与工程振动，（）：王新敏，李义强，许宏伟 结构分析单元与应用 北京：人民交通出版社，：，：，东南大学，天津大学，同济大学合编 混凝土结构 上册，混凝土结构设计原理 北京：中国建筑工业出版社，戚永乐，韩小雷，周新显 钢筋混凝土梁变形指标限值研究 建筑结构学报，（）：崔济东，韩小雷，龚涣钧，等 钢筋混凝土柱变形性能指标限值及其试验验证 同济大学学报（自然科学版），（）：钱稼茹，冯宝锐 钢筋混凝土柱弯矩 转角骨架线特征点及性能点转角研究 建筑结构学报，（）：檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷 （上接第 页）罗键，张全意，曾旭 组合骨料在堆石混凝土坝中的应用 水利规划与设计，（）：，陈治旭，张建峰，董芸 组合骨料对全级配混凝土性能影响研究 四川建材，（）：张建峰，陈良，吕兴栋 大藤峡水利枢纽组合骨料抗冲磨混凝土性能研究 中国水利，（）：董海英，叶新 不同级配及组合骨料的混凝土配合比研究及工程应用 云南水力发电，（）：周敏，杨腾宇，邱冰，等 粗骨料种类和品质对 混凝土徐变性能的影响 新型建筑材料，（）：水工混凝土试验规程：北京：中国电力出版社，杜敏，陈凡红，王素莉 骨料粒径对混凝土劈裂抗拉强度尺寸效应影响的试验研究 建筑结构，（）：，梅塔（），蒙特罗（）混凝土：微观结构、性能和材料 第 版 北京：中国建筑工业出版社，第 期 罗维刚，等：基于不同变形模式耗能框剪结构地震响应分析