一項(xiàng)關(guān)于使用千枚巖作為粗骨料的混凝土性能的研究1一項(xiàng)關(guān)于使用千枚巖作為粗骨料的混凝土性能的研究Mark Adom-Asamoah ，Russell Owusu Afifa夸梅恩克魯瑪科技大學(xué)土木工程系，工程學(xué)院，庫馬西，加納摘要如今，工業(yè)活動產(chǎn)生了巨大的浪費(fèi)。這類活動之一的就是地下采礦，其產(chǎn)生的廢料千枚巖作為粗骨料被用在混凝土生產(chǎn)中。混凝土中骨料的使用取決于其可用性。本文是千枚巖骨料混凝土與常規(guī)的花崗巖骨料混凝土在某些物理力學(xué)性能相比較的實(shí)驗(yàn)研究報告。所獲得的這兩種骨料的物理和機(jī)械性能在比重，吸水率（%），干密度，骨料的影響值（%），骨料的壓碎值（%），10%細(xì)集料，伸長率指數(shù)（%），片狀指數(shù)（%），和洛杉磯磨耗值都滿足適用于生產(chǎn)混凝土的骨料的最低要求。用千枚巖和花崗巖作為骨料按不同的混凝土配合比澆筑成指定標(biāo)號 M1,M2,M3,M4,M5 的五種試件。一共澆筑加工了 400 個混凝土立方體試件和 210 個破壞梁試件，并且將它們在進(jìn)行壓縮、彎曲試驗(yàn)前完全浸沒在水中分別達(dá)到齡期 3、7、14、28、56、90、180 天。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，千枚巖素混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的發(fā)展趨勢與那些以花崗巖為骨料的混凝土類似。然而，千枚巖混凝土混合料的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度比相應(yīng)的所有齡期的花崗巖混凝土混合料平均低 15-20%。除了最低的等級外，相同混凝土配合比的千枚巖混凝土比花崗巖混凝土標(biāo)定較小的混凝土強(qiáng)度等級。這可能是因?yàn)樗尼樒瑺詈亢蜕扉L率再加上千枚巖骨料中的反應(yīng)類材料影響其吸收和結(jié)合混凝土的特性。1簡介混凝土是最主要使用的建筑材料，以可持續(xù)發(fā)展的角度看，使用其它來源的混凝土成分在土木建筑中受到特別的青睞。粗骨料是混凝土的一個重要組成部分，它的可用性可控制混凝土的使用。在最近的一段時間里，許多研究人員以多樣化的思想【1-5】專注于研究各種不同的材料作為粗骨料和某些材料是如何可以被改良用于混凝土生產(chǎn)中。用來生產(chǎn)混凝土的骨料必須符合一定的標(biāo)準(zhǔn)以適宜和優(yōu)化工程使用。一項(xiàng)關(guān)于使用千枚巖作為粗骨料的混凝土性能的研究2一般說來，粗骨料具有較高的強(qiáng)度，良好的耐久性和耐候性是很重要的，這樣其表面不會有像肥土、淤泥和有機(jī)質(zhì)的雜質(zhì)，耐久顆粒不會吸收過多的化學(xué)物質(zhì)，這樣就不會影響混凝土和水的水合作用以及水泥漿的結(jié)合。骨料可以根據(jù)它們的重量、巖石類型和形狀分類?；炷凉こ坦橇线x擇的首要問題是可用性。通?，F(xiàn)場工程師不得不選擇接近施工場地的、可用的骨料生產(chǎn)混凝土。當(dāng)可用性沒問題的時候，骨料的選擇標(biāo)準(zhǔn)延伸到那些可能影響這些骨料混凝土的性能的因素。在加納，混凝土是最流行的基礎(chǔ)建筑工程材料，因?yàn)槠洚a(chǎn)品有可用的技術(shù)知識，經(jīng)濟(jì)合理，有良好的耐久性和易用性，用它還可以現(xiàn)場制造。由于混凝土的可塑性，它可以澆鑄成任意的形狀大小，并且隨后逐漸變硬達(dá)到使用強(qiáng)度。粗骨料是混凝土的一個重要組成部分，無論按質(zhì)量還是按體積，在符合規(guī)范要求的混凝土配合比設(shè)計(jì)中，它占據(jù)了最高的比例 7075%。在加納的 Ashanti 地區(qū)，千枚巖是在 Obuasi 礦山作為 AngloGold Ashanti 的地下開采活動的副產(chǎn)品生產(chǎn)的一種天然生成的骨料。Obuasi 礦山的地理位置是北緯 6.1和西經(jīng) 1.4。千枚巖是在板巖與片巖之間形成的中間巖石產(chǎn)物。在高壓力強(qiáng)壓縮的作用下，一種頁理狀的變質(zhì)巖生產(chǎn)了。這種低強(qiáng)度可以分成薄片的巖石被稱為板巖。當(dāng)在高溫度和壓強(qiáng)下經(jīng)歷更重的壓實(shí)之后，板巖就進(jìn)而形成千枚巖。千枚巖屬于由板狀和條狀礦物組成的板片狀組。它的層狀結(jié)構(gòu)和葉狀結(jié)構(gòu)使它沿著平面破裂成薄片狀?；◢弾r是巖漿在地表以下已經(jīng)很好形成的火成巖，向著地表面上升，隨著它溫度的下降在地表面或者地殼深處結(jié)晶形成的堅(jiān)硬巖石【6】。1.1、研究的原因最普遍、最主要用的骨料是花崗巖和砂巖，然而這些材料的來源正面臨著枯竭的被取代的問題，因?yàn)殍b于保護(hù)自然資源在任何現(xiàn)代發(fā)展問題中都非常重要，花崗巖作為粗骨料一直面臨著挑戰(zhàn)。由于骨料的使用和混凝土的生產(chǎn)成本與可用性和運(yùn)輸距離有關(guān)，千枚巖骨料的使用只是取代混凝土生產(chǎn)中使用的花崗巖碎石作為粗骨料的一種嘗試。而且，如果找不到這種廢棄材料得不到利用，千枚巖的不斷積累將會成為一個環(huán)境問題。建筑行業(yè)為保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展做出的最大貢獻(xiàn)就是對工業(yè)產(chǎn)生的廢棄料的再回收利用。最近的生產(chǎn)破碎花崗一項(xiàng)關(guān)于使用千枚巖作為粗骨料的混凝土性能的研究3巖骨料的商業(yè)采石場距離礦山大約 120Km。因此，手工業(yè)者和小規(guī)模的承包商在公路和房屋建筑中使用千枚巖骨料。報告表明，每年用于建設(shè)的千枚巖骨料數(shù)量在逐漸增長，而且在 Obuasi 地區(qū)使用千枚巖作為粗骨料的混凝土建筑的房屋，在其部分或全部倒塌的結(jié)構(gòu)要素出現(xiàn)了大量的裂縫。關(guān)于使用千枚巖骨料的混凝土的性能上還沒有太多的研究報告。該項(xiàng)研究表示出了千枚巖骨料的物理性能，以此來確定它作為結(jié)構(gòu)混凝土的粗骨料的適用性。還進(jìn)行了不同強(qiáng)度等級的混凝土，隨著齡期的增長所表現(xiàn)出得抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的參數(shù)研究。并且用花崗巖骨料和從 120Km 以外的商業(yè)采石場運(yùn)來的花崗巖骨料制作的混凝土作為對照。2.實(shí)驗(yàn)方案2.1、材料符合 BS12:1989【8 】的普通硅酸鹽水泥被用于混凝土工程。天然河砂被用作細(xì)集料，而兩種粗骨料：標(biāo)準(zhǔn)的花崗巖和千枚巖分別從商業(yè)性的采石場和地下采礦活動中得到。粗細(xì)兩種骨料的篩分配符合 BS812 的要求【9】。從對粗骨料的粒度分析，如圖 1.a 和 1.b 所示，其中大部分花崗巖和千枚巖沒有通過篩子的篩孔孔徑是 12mm（包含 1/2），大部分通過的篩孔孔徑是 19mm（包含3/4）。因此這兩種骨料的粒度分布范圍在 20-5mm 之間。這是顯而易見的，這兩種骨料有相似的分類特性；因此在相同的條件下有望出現(xiàn)相似的混凝土特性。使用的細(xì)骨料分級符合 BS882【10】（圖 1.c）一項(xiàng)關(guān)于使用千枚巖作為粗骨料的混凝土性能的研究4圖 1.骨料級配曲線2.2、實(shí)驗(yàn)過程樣本取自在實(shí)驗(yàn)室用于測試的千枚巖和花崗巖料堆。樣本在烤箱中烘干，物理特性例如吸水率（%）、干密度、石料沖擊試驗(yàn)值（%）、骨料壓碎值（% ）、10%的細(xì)集料、條狀指數(shù)（% ）、片狀指數(shù)（ %）和洛杉磯磨耗值等按照英國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測定。五種不同的混凝土配合比；M1、M2 、M3、M4 和 M5（表格 2）都是根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)【11】的混合料配合比設(shè)計(jì)方法。這些混凝土的配合比比例使得立方體試件的 28 天目標(biāo)抗壓強(qiáng)度在 20-40N/mm2 之間。壓縮試驗(yàn)使用100100100mm 的混凝土立方體模具，彎曲梁試驗(yàn)（素混凝土的抗彎強(qiáng)度）采用 100100500mm 的混凝土立方體模具制作試件。攪拌采用電動攪拌機(jī)（桶）?；炷练旁谀＞咧杏秒妱诱駝悠髡駥?shí)以保證最小的空隙率?；炷恋奶涠仍囼?yàn)根據(jù) BS1881:1983【12】中的規(guī)定進(jìn)行?？偣?400 個 100100100一項(xiàng)關(guān)于使用千枚巖作為粗骨料的混凝土性能的研究5的混凝土立方體（花崗巖和千枚巖各 200 個）被澆鑄并完全浸沒在水中，在壓縮試驗(yàn)之前分別養(yǎng)生 3、7、14、28、56、90、180、360 天。對于每種不同的配合比和混凝土類型，在每個齡期對 5 個標(biāo)準(zhǔn) 100mm 試件進(jìn)行測試。計(jì)算出所有 400 種混凝土立方體的密度。用與壓縮試驗(yàn)的混凝土配合比相同的設(shè)計(jì)比例的混凝土澆鑄準(zhǔn)備抗彎試驗(yàn)的彎曲梁。總共 210 個彎曲梁，花崗巖和千枚巖各 105 個被澆鑄成型并在水中分別養(yǎng)生 7、14、28、56、90、180、360 天。對于每種不同的配合比和混凝土類型，在每個齡期對 3 個試件進(jìn)行測試?；炷猎囼?yàn)按照 BS1881:1983【12 】中規(guī)定進(jìn)行得到抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。不同齡期的混凝土試件壓縮強(qiáng)度是用一個最大壓力 500KN 的通用壓縮試驗(yàn)機(jī)測得的。彎曲梁的抗彎強(qiáng)度是使用一個最大載重量 20 噸的通用彎曲試驗(yàn)機(jī)，通過三點(diǎn)測試測得的。表格 2 混凝土配合比和坍落度值混凝土混合物（配比)28 天目標(biāo)抗壓強(qiáng)度（N/mm 2)水灰比（w/c）水泥（Kg/m 3)細(xì)集料（Kg/m 3)粗集料（Kg/m 3)坍落度（mm） GC坍落度（mm）PCM1 20 0.56 340 612 1360 15 10M2 25 0.52 365 560 1310 15 10M3 30 0.47 405 530 1300 15 10M4 35 0.44 430 505 1300 15 5M5 40 0.40 475 490 1270 10 5M（a：b：c）；M-混凝土混合物；a-水泥；b-細(xì)集料；c- 粗集料。3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1、物理和力學(xué)性能骨料的物理性能對混凝土中集料的反應(yīng)有重大的影響。強(qiáng)度越高的骨料生產(chǎn)的混凝土強(qiáng)度越高。表 1 顯示了被用于此項(xiàng)研究工作的千枚巖和花崗巖骨料的物理力學(xué)性能測試的結(jié)果。一項(xiàng)關(guān)于使用千枚巖作為粗骨料的混凝土性能的研究6表格 1 骨料的試驗(yàn)強(qiáng)度指數(shù)物理性質(zhì) 千枚巖骨料 花崗巖骨料比重 2.72 2.64吸水率（%） 1.80 2.30石料沖擊試驗(yàn)值（%）9.80 10.50骨料壓碎值（%）18.64 16.4210%細(xì)集料（KN）255.75 278.45片狀指數(shù)（%） 28.00 15.00條狀指數(shù)（%） 25.00 2.00洛杉磯磨耗值 17.50 16.253.3.1、比重千枚巖和花崗巖的比重分別是 2.72 和 2.64 。它們都在正常輕集料的比重范圍 2.5-3.0 之間。3.1.2、吸水率和孔隙率巖石中空隙的存在，使得由天然石料粉碎而成的骨料保留相似的特性成為可能。有些空隙存在于整個骨料中，而其它的空隙則在顆粒的表面。水可以滲透毛孔，滲透的數(shù)量和速度取決于骨料空隙的連續(xù)性和總?cè)萘?。大多?shù)巖石的孔隙率占骨料體積的 0%到 50% ，又由于骨料的體積占混凝土的 70-75%，顯然骨料對混凝土的孔隙率貢獻(xiàn)最大。這個性質(zhì)的相關(guān)性證明了，骨料的孔隙率和吸水率影響到混凝土配比中水的用量，而這是控制混凝土的和易性和強(qiáng)度的重要指標(biāo)。砂的濕脹也受到吸水率和含水量的極大影響。這決定了大量的的骨料占據(jù)了固定的體積，這使得在按體積配料時是必要的。千枚巖和花崗巖的吸水率按照 BS812：1990 【9】 中規(guī)定的通過測定飽和的表面干燥的樣本在烤箱中干燥 30 分鐘的質(zhì)量損失來確定。將干燥樣本質(zhì)量的減少比例表示成百分比就是吸一項(xiàng)關(guān)于使用千枚巖作為粗骨料的混凝土性能的研究7水率。花崗巖骨料的吸水率（2.3%）大于千枚巖的吸水率（1.8%），它們都在骨料可用于混凝土生產(chǎn)的可接受范圍內(nèi)。3.1.3、骨料的形狀和紋理骨料的形狀和紋理影響其吸水的能力。渾圓的礫石由于較少的表面積需要少量的水來保持其和易性，而片狀和條狀的顆粒具有較大的表面積就需要吸收更多的水。BS812:1990 【 9】中骨料顆粒分類是通過簡單的測量儀器進(jìn)行的。該方法是基于假定：如果粒料的厚度（最小尺寸）小于粒料所屬粒級篩孔尺寸的0.6 倍，該粒料就是片狀的。如果它的長度（最大尺寸）大于粒料所屬粒級篩孔尺寸的 1.8 倍，該粒料就是條狀的。關(guān)于這項(xiàng)工作，千枚巖的花崗巖骨料都是在 10-14mm 粒級之間取樣的。樣本采用的千枚巖和花崗巖骨料的片狀指數(shù)表示為百分?jǐn)?shù)分別是 28 和 15.（見表格 1）。條狀指數(shù)遵循類似的趨勢，其中千枚巖為 25 而花崗巖只有 2.。這樣千枚巖骨料可以被分類為片狀和條狀。準(zhǔn)則【8 】指定了一個界限，50 以上為壓碎巖小于 40 的為未壓碎巖。由于千枚巖的片狀和條狀所增加的表面積會增大水灰比，而影響混凝土的抗壓強(qiáng)度的形成，因此預(yù)計(jì)千枚巖骨料只能生產(chǎn)較低強(qiáng)度的混凝土。3.1.4、石料的沖擊強(qiáng)度值（AIV）烘干的石料沖擊強(qiáng)度值根據(jù) BS812:1990【9】中的要求確定。骨料對突然沖擊的抗力極大地影響了由這種骨料制作的混凝土的承載能力。一種測定骨料對沖擊荷載的抗力的方法就是用石料的沖擊強(qiáng)度值表示。在沖擊荷載過程中，骨料被破碎成顆粒這樣又改變了用于制作混凝土的原始配合比。由于骨料的級配和最大集料粒徑影響混凝土的力學(xué)性能，用通過 2.36mm 篩孔尺寸的粒料數(shù)量來評價石料的沖擊強(qiáng)度值。石料的沖擊強(qiáng)度值和混凝土強(qiáng)度是成正比關(guān)系的。英國規(guī)范設(shè)定了一個最大限制 25%（即沖擊荷載后，通過 2.36mm 的顆粒含量不能超過這個限制）。10-14mm 粒級的花崗巖和千枚巖骨料的沖擊強(qiáng)度值分別為 10.5 和 9.8.。在記錄的沖擊值范圍內(nèi)，千枚巖骨料有良好的吸收沖擊的能力【14】 。3.1.5、集料壓碎值和 10%細(xì)集料含量骨料對緩慢施加的荷載反應(yīng)與對突然的沖擊荷載反應(yīng)有所不同。因此，ACV 就是在緩慢的外加荷載作用下骨料的抗壓碎性能的一個相對測量，在兩種一項(xiàng)關(guān)于使用千枚巖作為粗骨料的混凝土性能的研究8骨料上分別進(jìn)行試驗(yàn)得到它們各自的抵抗壓碎的能力。嚴(yán)格意義上說，當(dāng)骨料樣本的 ACV 值超過 30%時，結(jié)果表現(xiàn)異常，因此要進(jìn)行 10%細(xì)集料含量的試驗(yàn)。ACV 值是通過對骨料在四種不同的壓縮荷載下進(jìn)行沖擊測試，并繪制 荷載細(xì)集料百分比 圖表得到的。在 450KN 的荷載作用下，作為控制組的花崗巖骨料的平均百分比 ACV 是 18.42%，而千枚巖則為 16.42%。結(jié)果表明，兩種骨料都通過了英國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不超過 35%的指標(biāo)要求。千枚巖骨料在破碎后產(chǎn)生了比花崗巖更多的細(xì)集料，這可能是千枚巖骨料的片狀的結(jié)果，但盡管如此差別還沒大到不能比較的程度。10%細(xì)集料含量試驗(yàn)也表明：千枚巖抵抗破碎的抗力小于花崗巖骨料的抗力。千枚巖和花崗巖各自得到的試驗(yàn)值均在 255.75278.45KN 之間。3.1.6、洛杉磯磨耗值骨料的耐磨性（硬度）和抗折性（韌性）相應(yīng)的都是在進(jìn)行洛杉磯試驗(yàn)中得到的。結(jié)果顯示由于骨料和用作研磨荷載的鋼筋之間的相對摩擦運(yùn)動產(chǎn)生的磨耗百分比。在表格 1 中千枚巖和花崗巖的磨耗值分別為 17.5%和 16.25%。這表明，千枚巖骨料在耐磨方面和花崗巖相差不大。對于這樣一個范圍，由這兩種骨料（各方面都相同)制成的混凝土具有比較強(qiáng)的抗磨等級，而且作為鋪筑地板和路面用的混凝土有望承受較大的人流量?！?,15 】3.2、混凝土配合比設(shè)計(jì)及和易性按照 DOE 的配合比設(shè)計(jì)方法【11】設(shè)計(jì)的 28 天目標(biāo)抗壓強(qiáng)度的結(jié)果在表格 2 中顯示，使用千枚巖和花崗巖骨料按照不同的配合比，分別設(shè)計(jì)出M1，M2，M3 ，M4 和 M5 的 28 天目標(biāo)立方體抗壓強(qiáng)度為 20,25,30,35,和40N/mm2.。在表格 2 中，每單位體積的混凝土組成成分的配合比（水泥：細(xì)集料：粗集料：水灰比）分別為 M1（1:1.8:4.0:0.56），M2（1:1.5:3.6:0.52），M3（1:1.3:3.2:0.47 ），M4（1:1.17:3:0.44）和 M5（1:1:2.6:0.4）。值得注意的是，隨著 28 天目標(biāo)抗壓強(qiáng)度降低水灰比也按預(yù)期的減小。盡管在混凝土配合比設(shè)計(jì)方法中選擇的目標(biāo)坍落度對于正常和大量加筋的混凝土工程屬于中等和易性（10-30mm 之間），但是記錄的花崗巖混凝土的（表格 2）坍落度高于千枚巖混凝土的坍落度。這是意料之外的，因?yàn)楸砀?1 中所顯示的花崗巖骨料有較高的吸水率，給人們這樣的印象：花崗巖的坍落度應(yīng)該低于其它條件相同下的一項(xiàng)關(guān)于使用千枚巖作為粗骨料的混凝土性能的研究9千枚巖。在幾組類似的測試之后，容易發(fā)現(xiàn)，千枚巖的片狀特性使得它的表面在洗凈的時候隨著表面顆粒溶解到清洗的水中，從而減少了飽和千枚巖骨料的重量。此外，人們注意到在配料和混合的過程中，千枚巖骨料碎裂成細(xì)小的顆粒，并且吸收了更多的水分以至于其混凝土的和易性比花崗巖有所降低。通過觀察和檢驗(yàn)得出結(jié)論，千枚巖骨料在混合中產(chǎn)生更多的細(xì)集料這一特性，使得千枚巖混凝土吸收更多的水、具有更低的坍落度。3.3、混凝土的密度一共 200 個由千枚巖骨料制作的混凝土立方體（M1-M5)記錄的密度從2300KN/m3 到 2850KN/m3.。在標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.172%和變異系數(shù)為 6%的情況下，獲得的一個平均密度為 2660KN/m3。相同數(shù)量的由花崗巖制作的混凝土立方體（M1-M5)，在標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.14%和變異系數(shù)為 5%的情況下，獲得的一個平均密度為 2710KN/m3。上述結(jié)果表明，千枚巖生產(chǎn)出正常重量的混凝土。3.4、抗壓強(qiáng)度圖 2 表示了抗壓強(qiáng)度隨著齡期的發(fā)展變化。早期強(qiáng)度增長的速率，為安排模具拆除時間提供有效的依據(jù)。關(guān)于這項(xiàng)研究，在齡期為 7 天時，所有混凝土配合比的花崗巖混凝土都達(dá)到了 28 天齡期強(qiáng)度的 60%，而千枚巖混凝土只達(dá)到了 45%。測試結(jié)果表明（表格 3），在低強(qiáng)度的混凝土配合比設(shè)計(jì)的 M1 試件，在 28 天齡期時花崗巖混凝土達(dá)到 17N/mm2 的抗壓強(qiáng)度，而千枚巖達(dá)到了15.2N/mm2 的抗壓強(qiáng)度。在這種情況下，兩種骨料類型的混凝土試件